三維激光探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用與實(shí)踐

1、屬 礦 山M ETAL M IN ESeries No. 392February 20092009年第2期總第392期三維激光探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用與實(shí)踐夏永華1方源敏1孫宏生2瓦學(xué)坤2陳杰1顧德茂2(1.昆明理工大學(xué)；2玉溪大紅山銅礦)摘要采空區(qū)嚴(yán)重影響礦山后續(xù)的開采規(guī)劃，基于在大紅山銅礦應(yīng)用3D激光探測(cè)技術(shù)(CMS)采集礦山地下三維數(shù)據(jù)的實(shí)踐，詳細(xì)介紹了CMS技術(shù)在井下空區(qū)三維數(shù)據(jù)采集的方法、數(shù)據(jù)的預(yù)處理及應(yīng)用實(shí)踐。該技術(shù)采用無接觸的測(cè)量方式，不但可以精確獲取采空區(qū)的空間幾何參數(shù)，如長(zhǎng)度、面積、體積、圍巖及頂板的變形和變化關(guān)系,還大大提高了空區(qū)數(shù)據(jù)采集的安全性和效率，為空區(qū)安全評(píng)價(jià)與

2、治理以及礦柱回采設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞 CM S采空區(qū)數(shù)據(jù)預(yù)處理點(diǎn)云Appli cati on Practi ce of 3D La serM on itor ng Tech no logy n Fin ished Stope SurveyXia YonghuaFang Yuanm in1Sun HongshendW a Xuekun2ChenJie1Gu Demao(1. KunM ing U niversity of Science and Technology; 2 Yuxi D ahongshan CopperM ine) ' 1(Abstract M ined area can

3、 severely affect the m ine sfollow2up p roducti on p lanning Based on the practice of applying 3D laser monit oring technology (CMS ) to collect the underground 3D data in Dahongshan Copper M ine, a detailed intro2 duction is made of the 3D cavity data collecti on method, data p re2tream ent and app

4、licati on p ractice of CM S technology This technology adopts a contactless survey method. It can not only obtain the accurate spatial parameters of finished stopes such as length, area, volume, deformati on of wall rock and roof and their change relation but also greatly mp rove the safety and effi

5、ciency of cavity data collecti on, p roviding the data for cavity safety evaluation and control and the design of ore) il2 lar extraction.Keywords CMS, Finished sbpes, Data pretreatment, Point cloud© 994-20-10 China Academk Journal ElecLronic Publishing House. All rights reserved. hUphWki-rict屬

6、 礦 山M ETAL M IN ESeries No. 392February 20092009年第2期礦山采空區(qū)嚴(yán)重影響后續(xù)的礦體開采規(guī)劃，礦石是不可再生資源，如何充分合理采出來加以利用，最大限度地避免資源浪費(fèi)，是每一個(gè)礦山都面臨的難題。地下開采的一切生產(chǎn)活動(dòng)都離不開這些空置 的空間。因此，科學(xué)地揭示井下空區(qū)的幾何特性及 相互的空間關(guān)系對(duì)礦山的生產(chǎn)和安全有著非常重要 的作用。否則將致使礦山開采條件惡化，引起礦柱變形，相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難，井下大面積 冒落、巖移及地表塌陷等。更為嚴(yán)重的是空區(qū)突然 垮塌的高速氣浪和沖擊波造成人員傷亡和設(shè)備破 壞,這些都給礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并造成環(huán)

7、境惡化、礦產(chǎn)資源浪費(fèi)。要解決上述問題的關(guān)鍵是 要科學(xué)探明井下空區(qū)的即時(shí)狀態(tài)和空間相對(duì)關(guān)系，為空區(qū)的安全治理和資源回采提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依 據(jù)。本文通過大紅山銅礦引進(jìn)的加拿大Op tech研制的特殊三維激光掃描儀CMS (Cavity Mo nit oringSystem)做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好。三維激光掃描技術(shù)是最近20多年發(fā)展起來的新興技術(shù)之一，具有非? 112?常廣闊的應(yīng)用前景，有望給測(cè)繪科學(xué)帶來一場(chǎng)新的 技術(shù)革命。1 CM S在井下的使用方法為了適應(yīng)不同工程項(xiàng)目需要，CMS架設(shè)計(jì)靈活，洞口只需要30 cm孔徑，即可把CMS探入進(jìn)去， 掃測(cè)洞內(nèi)情況。如果通視條件好，人員沒有安全隱 患，可用三腳

8、架，掃測(cè)周邊數(shù)據(jù)。如果要掃測(cè)下部的 空區(qū)，可用特殊配置的組件，把CMS下垂至空區(qū)，掃 測(cè)到空區(qū)內(nèi)部點(diǎn)位數(shù)據(jù)。如果是要掃測(cè)周邊空區(qū)，可以水平架設(shè)掃描系統(tǒng)，人員在安全區(qū)域操作，把 CMS探入空區(qū)，即可掃測(cè)到空區(qū)內(nèi)部點(diǎn)位數(shù)據(jù)。1. 1從豎井掃描測(cè)量空區(qū)的作業(yè)方法1. 1 . 1掃描系統(tǒng)初始化步驟(1) 攜帶CMS儀器箱、電源箱及專用配件到外 業(yè)場(chǎng)所；(2) 把CMS架設(shè)在三腳架上；夏永華(1972),男，昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，教授,博士生導(dǎo)師，650093云南省昆明市一二一大街文昌路 1號(hào)。© 994-20-10 China Academk Journal ElecLronic P

9、ublishing House. All rights reserved. hUphWki-rict夏永華等：三維激光探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用與實(shí)踐2009年第2期(3) 接通電源，進(jìn)行初始化。1. 1 2掃描步驟(1 )將主機(jī)及 V IP配件依次連接垂直放入豎井；(2) 用全站儀測(cè)量VIP豎桿中心的坐標(biāo)，以及確定掃描頭的方位角；(3) 用控制手簿設(shè)定掃描參數(shù)，啟動(dòng)掃描采空 區(qū)數(shù)據(jù)；(4) 掃測(cè)完畢后，儀器自動(dòng)復(fù)位。如果還要用 同樣模式掃測(cè)近處的采空區(qū)，不退出、不斷電搬站。掃描測(cè)距頭在空區(qū)里的工作情況及其原理如圖圖1 CM S從豎井掃描測(cè)量空區(qū)示意1. 2 CM S掃測(cè)平硐的方法(1) 攜

10、帶CMS儀器箱、電源箱及配置清單中第五、六項(xiàng)支撐桿、橫桿等配件到外業(yè)場(chǎng)所。(2) 選好支撐桿架設(shè)位置，上端頂在硐室頂板 低端頂在硐室底板，壓起重器撐實(shí)、確保頂緊。(3) 用全站儀測(cè) CMS上部中心和水平桿上某 點(diǎn)坐標(biāo)。(4) 用控制手簿設(shè)定掃描參數(shù)，啟動(dòng)掃描采空 區(qū)數(shù)據(jù)。在掃描過程中，紅外遙控用的 PDA上，會(huì)適時(shí) 顯示儀器工作狀態(tài)、進(jìn)度、點(diǎn)云圖等咨訊。掃描測(cè)量 的原理如圖2所示。rr圖2掃描測(cè)距頭掃測(cè)平硐的掃描原理2 CM S的前期數(shù)據(jù)處理2. 1數(shù)據(jù)傳輸在掃描完成后，用M icrosoft ActiveSync將PDA 與電腦連接，然后將FDA中的掃描成果,復(fù)制后粘 貼到電腦中，即可完成數(shù)

11、據(jù)下載的工作 。2. 2掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換打開儀器供應(yīng)商提供的CMSPosProcess軟件，在彈出的主界面中，點(diǎn)擊“打開文件”選入需要進(jìn)行 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的文件。然后輸入測(cè)記好的儀器中心點(diǎn)和 桿上的兩點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù) 、前視點(diǎn)到激光中心距離等參 數(shù)，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換為DXF”和轉(zhuǎn)換為XYZ ”則軟件會(huì) 將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶需要的數(shù)據(jù)格式。輸入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后如圖3所示。把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入QvolCMS、Polywork、Minesight等軟件中，作進(jìn)一步處理分析，量算建模等。圖3輸完轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后的界面3 CM S測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用礦山采空區(qū)測(cè)量，基本都存在安全隱患 。礦山 測(cè)量技術(shù)人員在采空區(qū)聯(lián)道口架設(shè)免棱鏡全站儀，測(cè)取少量

12、空區(qū)輪廓特征點(diǎn)位，將這些特征點(diǎn)繪制成 一定比例的平面圖，再在“空區(qū)平面圖”的基礎(chǔ)上繪 制空區(qū)“剖面圖”。以反映空區(qū)形態(tài)或計(jì)算空區(qū)體 積。這種辦法因測(cè)取的數(shù)據(jù)量少，觀測(cè)時(shí)難免存在 看不到的“盲區(qū)”，測(cè)取到的數(shù)據(jù)難以全面反映采空 區(qū)的空間形態(tài)。況且，還有很多采空區(qū)無法看到內(nèi) 部巖石松散情況，人員進(jìn)入要冒極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。不管屬于哪一種，如果用CMS來掃測(cè)采空區(qū)數(shù)據(jù)(一是掃測(cè)空區(qū)容積，二是掃測(cè)空區(qū)具體位置)，可 以真實(shí)全面地反映空區(qū)內(nèi)部形態(tài)?；氐絻?nèi)業(yè)后把空 區(qū)三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，生成所需的各種圖件，為采礦 設(shè)計(jì)、空區(qū)充填等提供科學(xué)指導(dǎo)。圖4是CMS豎直架設(shè)掃測(cè)數(shù)據(jù)，左圖顯示經(jīng)充 填后，還有16 000多

13、 m3空區(qū)，須再進(jìn)一步充填之后，下轉(zhuǎn)第127頁(yè))113?1】9910； China Academk Jounxal ElccLronic Publishing Housr. All rights reserved. hUp:譏,*kLnct陳啟亮等：基于GIS技術(shù)的礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)2009年第2期所以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)還要先分析選用的GIS軟件已有的功能和組件，確定需要開發(fā)的功能，避免增加 二次開發(fā)的工作量，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。 4總結(jié)礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)，是基于 GIS軟件，采用二次開發(fā)的方式，集中運(yùn)用地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技 術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)，把現(xiàn)有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)有 機(jī)融合起

14、來，以GIS獨(dú)特的方式直觀、形象地顯示在 地圖上，并建立關(guān)聯(lián)分析6，能提高地質(zhì)、礦產(chǎn)及其 相關(guān)行業(yè)的辦公效率和水平，并為相關(guān)管理人員提 供及時(shí)、有效、科學(xué)的輔助決策。參考文獻(xiàn)廠匕三匸% III禮、址1 賀重媛，周廷剛，唐 霄，等.基于MVC的礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.金屬礦山，2008(2): 1092111.2 張春明，孫豁然，姜紹飛，等.基于GIS技術(shù)的礦產(chǎn)資源管理信 息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息：管控一體化，2005, 21, 8 (3) : 1532154.3 劉 哲，甘德清，趙紅蕊.基于GIS的礦產(chǎn)資源規(guī)劃信息系統(tǒng)J.金屬礦山，2006 (10): 58250.4 沈泉飛

15、，顧和和，張海榮，等.礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)J.信息技術(shù)，2006 (5): 19222.5 張春明，孫豁然，王恩德，等.礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)空間屬性數(shù)據(jù) 建模方法J.金屬礦山，2005(6): 33235.6 高建國(guó)，郭 君.礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用M .昆明:云 南科技出版社，2007.7 蔡洪春，楊毅恒.遼寧省礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D . 長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，1992.8 武俊紅，汪云甲，周興付.礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)J.礦業(yè)快報(bào)，2007, 454 (2) : 11214.收稿日期2008212216)127?© 994-2010 China Acade

16、mk Jounyal ElecLronic Publishing Home. All rights reserved. hMphSki-rict陳啟亮等：基于GIS技術(shù)的礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)2009年第2期#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publishing Home. All rights reserved. hMphSki-rict陳啟亮等：基于GIS技術(shù)的礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)2009年第2期(上接第113頁(yè))才能利用自然垮落法讓其充填，且采空區(qū)邊沿在運(yùn)輸巷下部，存在隱患。右圖顯示礦石溜井垮蹋，需要 進(jìn)行修復(fù)。圖4空區(qū)充

17、填及溜井掃描結(jié)果除了地下開采礦山掃測(cè)采空區(qū)而外，還可用于掃測(cè)數(shù)字礦山所需井巷數(shù)據(jù)、溶洞內(nèi)部情況、水電站地下廠房、隧洞 引水、公路、鐵路)等地下工程數(shù)據(jù) 掃測(cè)，特別是人員無法進(jìn)入的非安全區(qū)域。4結(jié)論三維激光掃描技術(shù)是最近20多年發(fā)展起來的新興技術(shù)之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，有望給測(cè) 繪科學(xué)帶來一場(chǎng)新的技術(shù)革命。特別是將特殊的三 維激光掃描系統(tǒng)空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)引入礦山井下數(shù) 據(jù)的采集，將大大提高井下數(shù)據(jù)采集的效率及安全 性。參考文獻(xiàn)1 劉曉明，張 偉，劉為洲，等1基于空區(qū)實(shí)測(cè)的隱患資源回收 綜合技術(shù)研究J.金屬礦山，2008 (8) : 8823112 過 江，羅周全，鄧 建，等 .三維動(dòng)態(tài)空區(qū)監(jiān)測(cè)

18、系統(tǒng)CMS在礦山的應(yīng)用J.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005, 1 (7) : 994299613 Andrew Jarosz,Luke Shepherd Cavity monitoring system(CMS) 2 Survey and Calibrati on Proceedings C / NationalM ine SurveQ ing Conference, Daiwin, Australia, s n , 2002.4 Op tech Systen Corporation. CavityMonit oring Systen U serManual (Versi on 2. 3) M .

19、 Canada: Op tech Systen Corporation, 1996.5 劉敦文,徐國(guó)元,黃仁東，等.金屬礦采空區(qū)探測(cè)新技術(shù)J,中 國(guó)礦業(yè),2000, 9(4) : 3437.6 過 江,古德生,羅周全.金屬礦山采空區(qū)3D激光探測(cè)新技術(shù)J.礦冶工程,2006, 26(5) : 16218.收稿日期2008212221)#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publishing Home. All rights reserved. hMphSki-rict陳啟亮等：基于GIS技術(shù)的礦產(chǎn)資源管理信息系統(tǒng)2009年第2期#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publish