三維激光掃描技術在煤礦中的應用

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1超欠挖測定

煤礦礦床在開采過程中，受施工環境、爆破工藝等原因影響，往往會造成采礦區周邊的超欠挖、頂板垮塌等問題，對礦場安全形成嚴重威脅。如何準確地測定采場超欠挖量，就成為了各煤礦開采、生產過程中必須解決的問題。傳統的超欠挖測定方法是利用經緯儀、全站儀等測量儀器，每隔5－10m進行測量，繪制出斷面圖，進而計算超欠挖量。這種方法不但費時費工，而且只能獲得局部的精確值，不能很好的反映出整個采場的整體超欠挖情況。三維激光掃描儀的出現，為煤礦超欠挖的計算提供了一種全新的技術手段，羅周全等人提出了完整的基于三維激光掃描儀的采場超欠挖量計算分析方法［3－5］。實測結果表面，該方法能準確的測定出采場的超挖量、欠挖量，達到了較好的效果。

1.1原理描述

使用三維激光掃描儀探測采空區，獲取采空區三維數據模型，將其與采場設計單元三維模型復合，根據復合單元模型，利用專業點云處理軟件計算超挖量，設周邊超挖體積為Z，回采設計單元體積為N，頂板廢石體積為I，探測空區體積為T，單位均為m3，則欠挖體積W可用以下式計算:W=N+I+ZIT(1)

1.2方法可行性分析

實踐證明，利用三維激光掃描儀和專業三維建模軟件，可以建立礦山三維模型，準確獲取所需采空區的空間信息。基于此，精確測定采場的超欠挖量成為可能，同時，采場詳細空間信息的掌握，使得回采設計、施工管理變得更為安全、可靠。相較于傳統測定方法，三維激光掃描儀獲取采空區空間信息的速度更快，減少井下掃描作業時間，保證測量人員的安全;信息量更豐富，使得空間模型更精確，超欠挖體積計算更準確;專業三維建模軟件的使用，讓工程師能輕松獲取整個采空區的全局信息，進而能做出更準確的判斷。這些優點使得三維激光掃描儀在煤礦超欠挖測定中有著較大的應用價值。在大中型井下煤礦，特別是地質情況較為負雜的煤礦中的使用能增加煤礦生產的安全系數，有著較為廣闊的應用前景。但是，目前還沒有一款三維激光掃描儀產品取得了國家的煤安認證，這限制了其在煤礦實際生產中的推廣應用。

2邊坡防治

在露天煤礦的開采過程中，由地震、降雨、地質環境等因素誘發的崩塌、滑坡災害時有發生，嚴重地威脅著員工、企業的生命、財產安全。如何較為準確地預報滑坡發生時間，及時采取預防措施確保生產安全，是擺在煤礦企業面前的緊迫任務。針對這一難題，國內外都開展了一些技術方法的研究工作，如數字攝影測量、全站儀、GPS聯合作業等。上述工作取得了一些效果。但由于這些方法存在一些技術上難以克服的問題，在具體的生產實踐中難以全面推廣應用。三維激光影像掃描技術的產生，為解決上述問題提供了最為有效、實用和先進的技術手段［6］。近年來國內的科研單位、企業已經開展利用三維激光掃描儀進行邊坡防治的研究［6－8］，并取得了較好的實際應用效果。

2.1方法描述

具有代表性的邊坡監測典型步驟總結如下:(1)確定監測區域，安裝標靶標志物，設定測站位置及掃描間隔天數;(2)利用三維激光掃描儀測定、獲取監測區域點云數據;(3)點云數據處理;(4)與歷史數據模型對比，采用分維計算、時間序列分析、灰色預測等方法分析監測區域形變情況，評估滑坡風險。

2.2形變分析主流方法對比

在使用三維激光掃描儀進行邊坡防治的工程作業中，形變分析、風險評估是最為關鍵的步驟。采用不同的方法有不同的優缺點，根據文獻［6］中的描述，三種主流方法的優缺點比較如下。2．2．1分形分維方法優點:分形結構的變化規律與滑坡的形成、演化、消亡規律相對應，可方便地做出滑坡評估判斷。缺點:對時間尺度要求比較高，監測時應盡量選取相等的時間窗。2．2．2時間序列分析方法優點:解決了觀測中滑坡體的不均勻性、不連續性、環境條件復雜性等因素給傳統分析方法帶來的困難，適用于長期的分段監測。缺點:對時間尺度要求比較高，監測時應盡量選取相等的時間窗。2．2．3灰色預測等方法優點:綜合了滑坡產生的影響因素，通過量化的數學方程概化出預報關系，具有很高的科學性和合理性;適用范圍廣、精度高。缺點:要求掌握的資料信息條件苛刻;算法還處于擬合研究階段。

2.3可行性分析

三維激光掃描儀操作簡單，掃描點云成果直觀易用，同時具有測量速度快、建模精度高、可以全天候監測等特點，因此比較適合使用在邊坡監測項目當中。不失為滑坡短期預測預報的一個新途徑。但是，三維激光掃描儀的測距精度與全站儀等技術成熟的產品相比還有較大差距，特別是在中遠距離(100m以上)，三維激光掃描儀的測距精度下降較快，因此對于一些精度要求較高的場合，并不適合，只適合一些大變形的邊坡。此外，由于掃描點密度高，導致數據量很大，很難實現實時處理，對于要求實時、持續監測的目標，技術上很難達到要求。

3采空區變形監測

三維激光掃描儀的一個重要應用方向是通過定時測定數據，分析評估，對危險源進行變形監測。邊坡防治就是變形監測重要的一種應用，在井下煤礦安全生產中，三維激光掃描儀多被用來監控采空區頂板坍塌、地基沉降等［9－12］。由于長時間使用留礦法、空場法等礦山開采方法，我國的許多煤礦形成了大量的采空區［12］。加上長期以來廣泛存在的私挖亂采等情況，造成了空區群形態不一、錯綜復雜。受地質運動、爆破作業等影響，未經處理的采空區會導致礦山開采狀態惡化，引起礦柱嚴重變形、相鄰采場及巷道維護難度加大、發生大面積冒落及地表塌陷等，這些已經成為目前影響礦山生產安全的重大危害源之一［13］。利用三維激光掃描儀進行采空區形變監測，其步驟、原理與邊坡監測類似。所不同的是，采空區的監測距離一般較短，多為50M以內，而在這個距離范圍，三維激光掃描儀的測距精度已經能達到2mm以內，完全能滿足精度上的需求;其瓶頸在于如何提高點云處理算法效率，實現數據的實時處理。

4數字煤礦

進入新世紀以來，我國的煤礦事業持續穩定發展，行業的安全生產形勢總體穩定，但重、特大事故仍然是由發生，事故總起數和死亡人數與發達國家相比仍處于高位。在這樣的安全生產形勢下煤礦企業對生產過程監控、全礦井生產安全環境監控、生產過程信息綜合利用等方面的網路化、自動化和智能化提出了新的要求。希望通過將煤礦井上、井下的各種子系統整合到一個統一的網絡平臺，在煤礦礦調度室集中監控、調度、控制整個煤礦的各種人員、信息、設備，達到實時信息共享、實時安全監控、統一指揮調度的目的。

4.1數字煤礦定義

“數字煤礦”就是以煤礦機電及一體化技術、計算機技術、3S技術、現代企業管理制度等先進技術為基礎，以網絡技術為紐帶，以安全、高效、可持續生產為目標，實現多源煤礦信息的采集、輸入、存儲、檢索、查詢與專業空間分析，并實現多源信息的多方式輸出、實時分析、處理與決策，煤礦安全事故調度指揮等［14］。

4.2三維激光掃描儀與數字煤礦

要建立數字煤礦系統，首先就必須獲取煤礦的整體空間、地理信息。以往，這一任務依靠3S技術來完成，但是，3S技術只能提供二維平面信息，并不能反映煤礦的三維空間信息。使用三維激光掃描儀，可以輕松繪制煤礦的整體三維地圖，配合人員監控系統的設備，從而能準確地將當前人員、設備的位置信息反映至監控中心，直觀的顯示當前煤礦的整體運行情況，為科學指揮、調度提供依據。近年來，過內外已經展開了三維激光掃描儀應用于數字煤礦的研究［15－16］。重點研究解決了大尺度三維點云數據的配準、建模;自動紋理映射;網絡數據融合等方面的問題。如今，數字煤礦的技術已經比較成熟，相應的軟件能輕松完成配準、建模等多種功能。

4.3可行性分析

三維激光掃描儀在數字煤礦中的應用與目前應用較多的煉油、化工廠數字化類似，在技術上已經比較成熟，但是數字煤礦有著自己的特殊性:獲取掃描數據必須深入井下作業，對設備性能要求較高;隨著掘進的不斷深入，井下情況變動較大，需要頻繁的進行數據更新等。這些情況加上三維激光掃描儀的高昂價格阻止了其在現實中的推廣普及。

5其它應用探討

以上列舉了三維激光掃描儀在煤礦安全生產領域中主要的應用方式。隨著管理方式與技術的進步，三維激光掃描儀在未來的煤礦安全生產中會有著更多的應用方向。

5.1虛擬現實—人員培訓

在煤礦安全生產過程中，人員的專業素質與安全意識往往會起到關鍵的作用。加強對煤礦從業人員的安全、技術培訓，對煤礦安全生產具有重要的意義。我國目前煤礦從業人員的現實情況是:整體文化程度偏低，安全意識較差，利用傳統的教育培訓手段，往往達不到預期的效果。鑒于此，廖傳義［17］等人提出了利用3D仿真游戲的方式來對職工進行培訓，提高員工的參與積極性與學習效率。通過在具體企業中的實驗發現，這種方式較之傳統教育培訓模式能取得較好的效果。但是一般的3D仿真游戲并不能反映井下的真實狀況，游戲只能達到示意的效果，通過三維激光掃描儀結合虛擬現實技術，可以完全真實再現煤礦的三維細節，礦工不用下井就能身臨其境的體驗井下的生產實況，通過培訓系統中接觸的路線、設備，與真實煤礦中的位置完全一致。通過虛擬現實的培訓，能起到比一般3D仿真游戲更好的效果。

5.2精密設備檢測

隨著技術的發展，如今的三維激光掃描儀最高精度已經能達到微米級(μm)。已經能滿足一些精密設備的檢測精度要求。利用三維激光掃描儀可以快速、精確的對煤礦設備進行裂縫、變形檢測，確保生產安全和正常生產。

6總結

(1)從技術上來說，通過與傳統方法的對比分析，可以看出三維激光掃描儀在多個應用方面都能達到實用的基本要求甚至在某些領域有著明顯的優勢。但是三維激光掃描儀在長距離掃描測量的精度仍有欠缺，導致其在邊坡防治等遠距離應用價值有限。而且由于是新興技術，目前全世界都沒有一套權威的精度檢定標準，在有精度要求的工程中，必須先用全站儀來進行比對、檢測。使得其易用性有所降低。(2)從市場角度分析，目前三維激光掃描儀價格昂貴，掃描成本較高;雖然已經有專門針對煤礦設計的防爆型產品，但卻并沒有取得國內的煤礦安全生產證，這些都限制了其在煤礦行業推廣普及的速度。(3)雖然三維激光掃描儀還存在上述諸多缺點，但其中大部分都是可以通過一段時間內通過市場、政策的調整予以解決。隨著煤礦行業對安全生產要求的不斷提高，對數字化、信息化、智能化的設備需求也在不斷增加，而三維激光掃描儀自身在技術上的優勢，肯定能讓其在將來的煤礦安全生產中發揮重要的作用。

作者：邢保振吳雨工作單位：四川九洲電器集團有限責任公司