三維激光掃描勘查方法在采空區(qū)勘查中的應用

薛建志 賈會會 多曉松 周文佳

（1、華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊（河北華勘資環(huán)勘測有限公司）,河北 承德 067000 2、河北省礦山地質(zhì)災害預警技術創(chuàng)新中心,河北 承德 067000）

承德市是河北省主要的礦業(yè)城市,伴隨著經(jīng)濟發(fā)展,礦產(chǎn)資源開發(fā)形成了大量地下采空區(qū),部分采空發(fā)生了地裂縫、地面沉降及地面塌陷等地質(zhì)災害。為了能夠精準指導地下采空區(qū)治理,消除采空區(qū)地質(zhì)災害隱患,開展采空區(qū)勘查工作十分必要。

灤平縣某鐵礦采用三維激光掃描技術進行采空區(qū)勘查,為灤平縣某鐵礦采空區(qū)的治理提供技術支持,為同類采空區(qū)的勘查及穩(wěn)定性評價工作提供技術參考。三維激光掃描工作是基于已經(jīng)完成的鉆孔,放入三維激光掃描探頭,查清地下采空區(qū)的形態(tài)及空間分布情況。

本文通過三維激光掃描等手段,對采空區(qū)進行了驗證,取得較好的成果,為采空區(qū)充填治理提供較為精準的數(shù)據(jù),有效解決了地形、地貌及生產(chǎn)要素等因素的影響,為綠色礦業(yè)開發(fā)、建立科學完善的政策法規(guī)體系提供了新的理念[5-8]。

1 三維激光掃描技術原理概述

激光探測是基于激光測距技術的一種探測方法,激光測距,即利用光在待測距離上往返傳播的時間換算出距離L,其方程為：

式中：c 為激光在大氣中的傳播速度,m/s；t 為激光在待測距離上的往返傳播時間,s。

在三維激光掃描儀內(nèi),有一個激光脈沖發(fā)射體,兩個反光鏡快速而有序的旋轉,將發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域。測量每個激光脈沖從發(fā)出到被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間來計算距離,同時編碼器測量每個脈沖的角度,可以得到被測物體的三維真實坐標。三維激光掃描儀通過脈沖激光傳播的時間得到儀器的掃描點的距離值S,精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值φ 和縱向掃描角度觀測值ω。前面三種數(shù)據(jù)用來計算掃描點的三維坐標值。激光掃描三維測量一般使用儀器內(nèi)部坐標系統(tǒng),X軸在橫向掃描面內(nèi),Y 軸在橫向掃描面內(nèi)與X 軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直（如圖1）。由此可得三維激光腳點坐標的計算公式：

圖1 3D 激光探測技術原理

鉆孔式地下空間和采空區(qū)三維激光自動掃描系統(tǒng)能通過預先鉆出的鉆孔,將激光探頭插入到采空區(qū)內(nèi)部,從而快速、安全地勘查地下采空區(qū)的內(nèi)部情況。儀器探頭直徑僅為50mm,使得它可沿鉆孔深入到難以接近的空穴、地下空間以及空腔內(nèi)。內(nèi)置的鉆探攝像頭上裝有紅色LED 指示燈,便于清楚地看到鉆孔內(nèi)部以及測量過程中遇到的各種障礙物,同時還能辨識空穴的入口。一旦進入空穴,激光頭便向外打開,開始掃描空穴的三維形態(tài)及其表面反射率。

C-ALS 的有線遙測系統(tǒng)可將測量數(shù)據(jù)傳回地面的控制單元。配置筆記本電腦,就可方便的控制和獲取數(shù)據(jù)。利用MDL 的控制軟件,可在屏幕上顯示出C-ALS 攝像機捕獲的鏡頭,并實時獲取激光掃描生成的三維空穴圖像。

空區(qū)探測過程是通過,通過用GPS 確定鉆孔坐標,然后用羅盤測量出鉆孔的方位角。C-ALS 的完全定位只需一個孔口坐標作為定位的原點,有了原點坐標及方位角后C-ALS 即可完成其余的定位。

將C-ALS 的探頭下放過程中,通過數(shù)電纜線的節(jié)點來確定鉆孔深度,當探頭到采空區(qū)內(nèi)部后,通過攝像頭視頻監(jiān)控到內(nèi)部有足夠空間后就可進行采空區(qū)的掃描了。

掃描可以有三種方式：a.水平單次切片掃描,b.水平方向掃描,c.垂直方向掃描（如圖2）。本次試驗首先進行了垂直方向掃描,然后,設定采用水平方向掃描,共進行了四次掃描。設置采空區(qū)掃描步長增量為1°,水平和垂直各掃描兩次,設定完成后啟動掃描,每次約60min 完成掃描工作。

圖2 掃描方式

2 勘查結果

采集的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù),三維激光掃描系統(tǒng)自帶的軟件,可以進行簡單的可視化展示。10 號鉆孔坐標為4539191.8,548439.8,425.3；探測時間為7 月17 日,探測結果如下：

a.基礎點云數(shù)據(jù)。（圖3）

圖3 數(shù)據(jù)整體視圖

b.空區(qū)初步實體模型。（圖4）

圖4 整體模型顯示

c.空腔數(shù)據(jù)精確模型。（圖5）

d.空腔數(shù)據(jù)切片分析。（圖6、7）

圖6 空區(qū)水平切片1（Z=410m）

e.空區(qū)基本信息。（表1）

表1 空區(qū)基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 結論

綜合考慮勘查區(qū)地形地貌、礦區(qū)水文、工程地質(zhì)的復雜性、礦區(qū)技術資料缺失、采礦技術方法多樣性及周邊電磁干擾等因素,探索性的選用了三維掃描勘查查技術,為采空區(qū)的精確勘查指定技術靶區(qū)[9]。

圖7 空區(qū)水平切片5（Z=390m）

通過三維激光掃描技術對10 號鉆孔所接觸采空區(qū)進行了精確測量,10 號空區(qū)為20097.6m3。激光測量數(shù)據(jù)比鉆探測量數(shù)據(jù)更加完善真實,其精度能到到cm 級別,更好地反應了采空區(qū)的三維形態(tài)、走向、面積、體積等真實附存信息,為后續(xù)的空區(qū)處理或處置提供可靠的基礎數(shù)據(jù),同時為采空區(qū)的后期充填治理提供準確充填位置與方量。

通過三維激光掃描的應用和探測,實現(xiàn)了采空區(qū)形態(tài)、規(guī)模、位置的精確探查,為礦區(qū)采空區(qū)充填治理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎,在其他金屬和非金屬礦山采空區(qū)的勘查中同樣具有很大技術優(yōu)勢和推廣意義。