3D扫描仪大空间矿山地下矿区采用新型三维扫描方式协助作业

大空间矿山地下矿区采用新型三维扫描方式协助作业

海南石碌铁矿位于海南岛昌江县石碌镇境内，北距省会海口市 280 多公里，西与八所港有铁路相通，相距仅 52 公里。是我国冶金部大型露天矿之一，因铁矿品位高著称， 是我国最大的富铁矿。由于其矿藏的珍贵资源价值，使得其开发、开采、计量、尾矿等方面都要求尤为谨慎。

主测区位于地下-150 米，-200 米区域的钴铜矿产层，主要被测目标是该区域内的 8 个矿洞采空区，各采空区之间由巷道相接，采空区高程落差最大接近 50 米，前后纵深 1.5 公里， 结构相对复杂并且大部分采空区只有单一通道，不利于常规测量进行正常作业；由于矿区仍在持续生产作业并且矿区内部采用爆破式开采方式，导致采空区内岩层不稳定，可能会出现落石或垮塌的危险，所以要求测量人员和仪器不能长时间在采空区内进行作业。

项目成果要求：全部采空区完整拼接三维点云数据、各采空区实体三维数字模型、采空区三维等值线图，-150 米和-200 米中段平面图。

一、技术难点分析：

1. 地下矿洞属于高危环境，往往伴随着滑坡、垮塌、渗水、瓦斯泄漏等等危险状况出现。所以矿下测量工作都要求在保证人员和仪器设备安全的前提下尽快的完成所需要的测量工作，但是常规测量方式的复杂性与反复性让这部分测量工作尤为危险。但是利用三维扫描仪的高速海量数据采集这一特性则可以在非常短的时间内对单个地下矿井或采空区进行全方位的扫描。这大大减少了人员和仪器在矿下作业的时间，很大程度上降低了发生事故的几率。

2. 常规矿山矿洞测量要进行复杂的控制网及导线布设，尤其是有纵深高差的地下矿井或矿洞测量，不仅要进行一系列复杂的布线控网还需要对高程把控做独立的高程测量， 常用方式采用钢丝吊点，反复多次进行测量才能保证整个矿区高程精度相对精准，但多次测量的累积误差也使得其测量成果只能用于粗略定位，难以达到精准数据分析的要求。这一点是现阶段矿山测量的现实状况，短时间内也没有更科学精准的方式解决这一问题。但是利用三维激光扫描仪进行扫描这一问题就能得到相对更好的解决；由于激光扫描仪不但可以采用非常高的分辨率进行数据采集，而且能获得三维数据，因此很容易生成较其他常规测量方法更为准确的数字高程模型。它比传统的 GPS 全站仪的测量作业方式作业效率更高，优势非常明显，外业人员的作业强度也大大降低。

3. 地下矿井或采空区往往不是独立存在，大部分都形成一个地下矿区带，多以巷道相联的树状结构。常规测量方式往往只能保证独立矿井或采空区的相对坐标精度，在将整个矿区带联系起来的时候由于要多次进行引点，形成了多次的累积误差，导致各个独立采空区之间的绝对位置精度存在很大差异，不利于精确数据的分析。但是利用三维点云处理软件的高精度点云自动拼接这一功能则可以最大限度减少这一误差。往往大面积的地下矿带只需要在特殊连接位置进行几个引点就能将整个地下矿区精确配准拼。

二、扫描测量

人员和常规设备无法进入采空区内部，扫描仪则可在采空区通道口对采空区进行大面积扫描采集。在复杂的矿洞环境下三维扫描仪能最大限度采集完整数据，高速精确。

通过多站扫描拼接，一个完整的巷道系统可以以三维点云形式呈现出来

在无光照的矿洞内扫描结果良好，点云平滑浅薄、杂点少

三、数据处理

扫描点云数据经过去噪和抽悉仍会有不可避免的扫描盲区，但整体数据完整。

利用三维后处理软件 Geomagic 对点云数据进行封装补洞，保证数据完整性，并自动计算矿洞容积，也就是开采量。

再将完整数据导入riscan 中进行下一步的提取等值线和其他相关数据，整个数据处理过程轻松简单快速。

四、数据成果展示

采空区整体高程模型

采空区原始点云对比

通过多站扫描能把整个采空区及连接巷道扫描拼接形成一个完整的地下矿带

采空区三维等高线，拥有了点云数据、模型数据和线画图，可以轻松得到采空区各层面积及采空区容积，方便回填。

利用点云截取二维平面数据形成完整的地下矿井分布分层平面图

整个项目总工期两天半，共扫描 8 个采空区，共架设扫描 19 站，除去常规测量引点用时

和在矿洞内行走耗时，扫描仪真正工作时间大概为 3 个半小时，内业处理分为点云数据去噪抽稀、总体拼接、高程模型建立、二维及三维等高线绘制，内业数据由一名技术员处理，总用时5 天，相比常规用全站仪引点进行单点测量，扫描仪完成整个项目的时间为常规测量用时的十分之一，大大节省了时间提高了效率降低了成本。

项目功能及应用范围解析

地下矿洞采空区测量工作包含采挖量计算、采空区等值线绘制、巷道二维图、数字高程模型建立等主要工作，常规方式用免棱镜全站仪进行多次的单点测绘，需要耗费很长的周期才能勉强把采空区地形轮廓测量完整，并且与实践偏差较大，从而导致采挖量计算出现较大偏颇， 造成重大的经济损失，也同时影响后期采空区回填工作的正常进行。

三维激光扫描仪几乎适用全部类型的地下矿区扫描及作业，并且在无自然光影响的情况下能得到最好的扫描效果，唯一需要注意的是地下采空区的高湿度和高粉尘含量的作业环境，优先选择防尘防水等级较高的Riegl 扫描仪进行作业。

地下巷道部分

地下巷道部分共测量三站，从下午 4 点开始，5 点半结束，每站扫描 2 分钟 21 秒，有效

测量时间为 7 分钟。

巷道部分点云图

在点云的基础上选出有效区域

通过点云进行三维建模

巷道模型展示

通过模型建立断面线（间隔 1 米）

查询任意断面坐标属性

闭合模型，测算巷道体积

项目功能及应用范围解析

利用三维激光扫描仪对露天矿坑进行扫描是当今社会采矿行业公认的一种最尖端的作业方式，利用这种作业方式不但能实现矿区的盘库、计量、实时监控、设计调整等目的，还能从很大程度上节省人力物力以及时间等资源成本，在不久的将来必定会替代常规矿山测量方式而成为主流的矿山测绘仪器。

三维激光扫描仪适用于全部的露天矿坑扫描，并且矿坑及周边基本没有植被覆盖，能很完整细致的扫描出矿山地形，并且在矿山的方量计算、实时监控、开挖设计、数据存档方面都能提供良好的技术支持。