三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在礦山精礦盤點(diǎn)中的應(yīng)用

蔡 璋

（江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

精礦粉是礦山企業(yè)的主要產(chǎn)品之一，其中銅、硫等精礦量庫(kù)存［1］是企業(yè)流動(dòng)資產(chǎn)的重要組成部分。作為礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的基礎(chǔ)工作之一的精礦庫(kù)存管理、金屬平衡管理的重要性不言而喻。提高礦山庫(kù)存盤點(diǎn)的準(zhǔn)確性，是金屬平衡精細(xì)化管理、生產(chǎn)作業(yè)正常運(yùn)行和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)順利展開的必要條件之一，也是礦山企業(yè)越來越高的成本管控需要。

城門山銅礦智能化礦山建設(shè)已初具規(guī)模。在智能化礦山建設(shè)實(shí)踐中應(yīng)用了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的技術(shù)與裝備，其中長(zhǎng)測(cè)距高精度三維激光掃描測(cè)量技術(shù)［2］在爆堆掃描與邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中已取得較好的成效。通過對(duì)該技術(shù)的分析研究，認(rèn)為該技術(shù)在精尾工段銅硫精礦庫(kù)存量盤點(diǎn)測(cè)算場(chǎng)景下，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。特別是在測(cè)區(qū)惡劣的作業(yè)環(huán)境下，仍能保持很高的精礦盤點(diǎn)精度，保障了盤點(diǎn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、測(cè)量的高效性以及施測(cè)人員操作的安全性。

2 三維激光掃描精礦盤點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)精礦倉(cāng)盤點(diǎn)方法簡(jiǎn)介

礦山企業(yè)精礦倉(cāng)一般設(shè)置在壓濾機(jī)、過濾機(jī)等下方的出料口。礦倉(cāng)一般設(shè)置為半敞開式長(zhǎng)方體，以避免精礦流失。礦倉(cāng)尺寸根據(jù)壓濾、過濾設(shè)備的處理規(guī)模、外運(yùn)規(guī)模等情況設(shè)置。礦倉(cāng)內(nèi)物料通過行車進(jìn)行調(diào)配、平整和吊裝等操作。

礦山企業(yè)精礦盤點(diǎn)傳統(tǒng)方法有多種。（1）在精度要求不高的情況下，可采用經(jīng)驗(yàn)法或目測(cè)估算法，通過肉眼觀察，估算精礦在庫(kù)存中大致的空間占有率，快速得出庫(kù)存結(jié)果。（2）根據(jù)臺(tái)班作業(yè)量和外運(yùn)車數(shù)大致計(jì)算庫(kù)存量。（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法。作業(yè)人員下到礦倉(cāng)邊緣，使用皮尺、測(cè)距儀等測(cè)量精礦尺寸，然后通過計(jì)算得出庫(kù)存量。由于現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)環(huán)境有一定的危險(xiǎn)性，安全系數(shù)［3］較低，所以該方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員來說存在安全隱患。（4）采用全站儀測(cè)量礦倉(cāng)特征點(diǎn)，測(cè)算精礦體積。受制于度量尺度及特征點(diǎn)數(shù)量等因素，這些方法的盤點(diǎn)測(cè)算精度都不高。

2.2 三維激光掃描精礦盤點(diǎn)方法與流程

三維激光掃描精礦盤點(diǎn)流程如圖1所示。先使用三維激光掃描儀對(duì)空倉(cāng)進(jìn)行掃描測(cè)量，得到空倉(cāng)時(shí)的三維模型；待礦倉(cāng)庫(kù)存達(dá)到一定量后進(jìn)行二次測(cè)量，得到精礦堆積后的表面三維模型；最后疊加兩期模型，高效獲取精礦的精確庫(kù)存量。

圖1 盤點(diǎn)測(cè)量流程圖

2.3 數(shù)據(jù)后處理流程

2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

將三維激光掃描儀測(cè)量的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件，并在新建窗口中顯示數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)中，根據(jù)測(cè)站與測(cè)量對(duì)象之間的距離確定配準(zhǔn)范圍，并通過智能抽樣、過濾提高配準(zhǔn)效率，如圖2所示。數(shù)據(jù)配置采用全局匹配方式，該方式是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行全局配準(zhǔn)，根據(jù)全局的疊加，確保點(diǎn)位配準(zhǔn)精度。操作中應(yīng)盡可能選擇相對(duì)較多的重疊區(qū)域，提高全局匹配的精度。

圖2 全局配準(zhǔn)

2.3.2 數(shù)據(jù)噪點(diǎn)處理

主要是對(duì)礦倉(cāng)區(qū)的粉塵、結(jié)構(gòu)物、人員、車輛及其他設(shè)備等影響模型建立的噪點(diǎn)進(jìn)行過濾，如圖3所示。采用的過濾方法包括粉塵過濾、獨(dú)立點(diǎn)過濾、地形過濾、最小間隔過濾等方法，其中地形過濾較為實(shí)用。

圖3 噪點(diǎn)過濾

2.3.3 模型建立

通過地形三角網(wǎng)建立地表模型，裁剪邊界三角形宜為20m，確保測(cè)量區(qū)域點(diǎn)均能生成模型，見圖4。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)易處理，特別是模型局部存在峰狀時(shí)需要消峰處理。

圖4 建立模型圖

2.3.4 體積計(jì)算

在查詢界面中選擇表面體積［4］板塊，導(dǎo)入兩期表面模型，設(shè)置相應(yīng)的精礦粉比重，自動(dòng)生成表面體積和重量，并根據(jù)需要導(dǎo)出報(bào)表，如圖5所示。

圖5 體積計(jì)算結(jié)果圖

3 三維激光掃描盤點(diǎn)存在的難題及解決方法

3.1 存在的難題

（1）掃描儀安裝條件［5］差。一是三維激光掃描儀下部支撐構(gòu)件三腳架的架設(shè)條件差。礦倉(cāng)內(nèi)可供架設(shè)三腳架的區(qū)域多為鋼板樓梯，不便于穩(wěn)定支撐腳架，且鋼板樓梯區(qū)域受作業(yè)影響，易發(fā)生上下振動(dòng)變形，影響數(shù)據(jù)測(cè)量精度。二是受礦倉(cāng)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響，作業(yè)區(qū)通視條件差。三是掃描儀最大仰角為40°、最大俯角60°，掃描時(shí)正下方區(qū)域局部存在盲區(qū)，而作業(yè)位置難以調(diào)整。因此，需要多次架站、多次搬運(yùn)，影響作業(yè)效率。

（2）礦倉(cāng)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量粉塵，影響物料空間形態(tài)。粉塵主要來自于壓濾機(jī)、過濾機(jī)下料作業(yè)時(shí)，大量精礦在下料和碰撞過程中產(chǎn)生的懸浮性粉塵，還來自于行車抓斗吊裝過程中的側(cè)漏等。

（3）礦倉(cāng)除了新建時(shí)具備空倉(cāng)條件外，一旦進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行階段，難以達(dá)到空倉(cāng)條件。一是礦倉(cāng)內(nèi)物料向外倒運(yùn)時(shí)，難以通過抓斗全面抓空，導(dǎo)致礦倉(cāng)內(nèi)會(huì)一直留存較多物料。二是礦倉(cāng)尺寸不是嚴(yán)格的長(zhǎng)方體形態(tài)，為方便壓濾機(jī)等設(shè)備下料，局部外凸，這也是抓斗的盲區(qū)，抓斗無法到該區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致物料留存，影響礦倉(cāng)物料庫(kù)存盤點(diǎn)精度。

3.2 解決方法

（1）重構(gòu)礦倉(cāng)空倉(cāng)模型。準(zhǔn)確的礦倉(cāng)尺寸是保證測(cè)量精確度的前提，在空倉(cāng)條件難以具備的情況下，通過人工，合理構(gòu)建相對(duì)符合實(shí)際的礦倉(cāng)模型，見圖6。

圖6 重建礦倉(cāng)模型

（2）優(yōu)化掃描儀測(cè)量支架構(gòu)件。通過調(diào)整傳統(tǒng)的三腳架架設(shè)儀器方案，將水平架設(shè)測(cè)量改為吊裝傾斜測(cè)量。優(yōu)化掃描儀支架的吊裝角度，規(guī)避掃描儀的固有盲區(qū)［6］，克服礦倉(cāng)建筑結(jié)構(gòu)影響。通過傾斜測(cè)量實(shí)現(xiàn)精礦物料堆積數(shù)據(jù)一站式高效掃描測(cè)量，如圖7所示。

圖7 傾斜測(cè)量支架結(jié)構(gòu)及測(cè)量示意圖

（3）優(yōu)化掃描測(cè)量流程。通過傾斜測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，存在一定的傾斜角度，若直接以標(biāo)準(zhǔn)面和尺寸來測(cè)算體積，易出現(xiàn)測(cè)算結(jié)果線性偏大或者偏小的情況。因此，在重構(gòu)礦倉(cāng)尺寸并建立新模型時(shí)，通過與常規(guī)水平架設(shè)掃描的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，糾正其傾斜偏差。根據(jù)三維激光掃描測(cè)量特點(diǎn)，建立基準(zhǔn)模型，通過流程化管理，實(shí)現(xiàn)精礦庫(kù)存量盤點(diǎn)工作自動(dòng)化。

4 三維激光掃描精礦盤點(diǎn)的有益效果

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于精礦盤點(diǎn)的效果主要有：

（1）盤點(diǎn)效率高。與傳統(tǒng)人工丈量的方式相比，三維激光掃描測(cè)量速度更快。尤其是在礦倉(cāng)物料堆積成多種不同形態(tài)的情況下，采用人工丈量需要分區(qū)、分塊多次丈量，且需要多次復(fù)核，而采用三維激光掃描可一次性掃描全部物料堆。三維激光掃描法對(duì)礦倉(cāng)進(jìn)行360°全景掃描僅需4min/次，針對(duì)料堆范圍掃描只需1min/次，即使加上測(cè)量裝置的安裝、拆卸10min，測(cè)量作業(yè)時(shí)間總計(jì)15min。

（2）盤點(diǎn)準(zhǔn)確性好。從數(shù)據(jù)掃描精度來看，掃描測(cè)距精度為5mm；從測(cè)量頻率來看，以2檔為例，100m處測(cè)量點(diǎn)間距為厘米級(jí)，且在各種堆積形態(tài)下均能保證一定的測(cè)點(diǎn)密度，能夠刻畫更細(xì)膩的形態(tài)特征。相對(duì)人工丈量，三維激光掃描的數(shù)據(jù)代表性更強(qiáng)，建立的模型更精確。

（3）安全操作程度高。人工丈量需人員進(jìn)入礦倉(cāng)內(nèi)部，容易發(fā)生摔傷、磕碰等事故，且礦倉(cāng)內(nèi)高濃度粉塵也可能危害操作人員身體健康。三維激光掃描技術(shù)為非接觸式測(cè)量，僅需在礦倉(cāng)上部進(jìn)行儀器安裝、拆卸和測(cè)量，操作過程安全程度高。

（4）盤點(diǎn)便捷性好。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)化程度高，體積測(cè)算簡(jiǎn)單高效，測(cè)量裝置每次架設(shè)的位置基本一致，可自動(dòng)匹配初始位置。數(shù)據(jù)測(cè)算過程中，模型建立后的體積計(jì)算能完全自動(dòng)處理，生成計(jì)算結(jié)果報(bào)表，并可通過軟件編程生成固定的作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)一鍵式處理。

5 結(jié)論

通過創(chuàng)新三維激光掃描傾斜測(cè)量方式、優(yōu)化精礦盤點(diǎn)掃描測(cè)量流程等一系列工作，提升了三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在礦山精礦盤點(diǎn)中的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了精礦盤點(diǎn)作業(yè)的精細(xì)化、便捷化和流程化，進(jìn)一步提升了礦山精礦倉(cāng)儲(chǔ)的盤點(diǎn)水平。