基于三维激光扫描技术的金属矿山采空区测量精度研究

（朔州职业技术学院，山西 朔州 036002）

1 技术原理

技术管理是利用极坐标测量有效获取被测对象的空间坐标数据。近些年来，传统扫描方式一般是云计算，通过对物体表面扫描获得具有陈列特点的几何图形三维数据。三维激光扫描设备有效组合了目标激光测距设备与角度测量系统，迅速测量复杂空间现场中的物体，直接获取与激光点密切联系的物体水平方向、斜距和反射强度的相关数据，自行存储和计算，获取点云数据，可以在一千多米的距离中完成测量，并获得每秒十几万的扫描频率，利用TCP/IP协议将扫描数据成功传输至计算机，通过USB数据线将场景图像传输到电脑，然后计算机处理点云数据，联系CAD重新设计被测物体的三维模型[1]。

2 技术系统组成

2.1 主机开发

在技术系统应用中扫描主机是重要零部件，凭借径向轴扫描电机，进一步获得采空区的三维整体形态，科学计算变形量。

2.2 伸缩机构

要想智能化监控采空区域，就需要研发出能够全自动伸缩的设备。扫描仪处于工作状态时，伸缩机构对主机发挥带动作用向采空区边界移动，然后扫描采空区；当实施测量以后，扫描主机凭借伸缩机构向储藏室自行转回，避免对设备造成破坏。

2.3 远距离智能化控制

系统有效结合有线、无线建立综合网井下通讯系统，凭借地面数据智能化控制井下设备，并且获得精度较高的监测采空区变形数据。

2.4 识别与计算变形区域

采空区复杂的数据，形成大规模的盲区，可以根据八叉树的不同时段点云形变计算方法，设计形变点特性，凭借八叉树数据结构科学查找数据结构，引入形变点容器，由于点云在采空区出现了很多差异点，绝不是变形点。因此，需要凭借滤波算法达到处理目标，保存形态真正区域[2]。

3 技术实际应用

3.1 动态管理采空区边界

精准把握边界信息对管理采空区、开采矿体、设计巷道等发挥了巨大的作用。采空区体积、顶板面积范围、孔区可靠性发生了直接联系，同时，也为安全性凭借提供了主要数据。利用三维激光扫描技术能够直接对采空区及巷道面积和体积进行计算，构建三维实体模型，全面呈现矿体、断层、采空区等关键的工程，并提升设计的高效性。叠加处理若干次扫描数据可以精准体现采空区的真实变化，科学监测危险区域。

（1）计算扫描数据。对采空区进行体积与顶面面积计算，构建三维模型，明确实际矿柱边界，科学利用探测数据，从而为采空区填充、设计矿柱爆破、控制与计算回采贫损提供合理化指导，全面掌控采空区稳定性，为安全管理工作发挥巨大作用。

（2）分析扫描数据。对采空区面积、体积、高度等信息及时掌握，从而更好的评价采空区安全性，设计填充采空区，控制损失指数等，利用软件结合模型精准计算采空区数据。

通过分析比较某金属矿盘采空区模型和平剖面回采设计了解到：第一，开采盘区采场的高度不足，爆破以后产生的顶柱尚未采落，真实采场高度明显低于设计高度，难以顺利回收这部分材料。第二，在采场北侧、南侧位置顶板和边帮产生较大的垮落，实际采矿量明显比设计高，关键原因是爆破和岩石破碎。这一采空区产生了十分严重的垮塌，应不断加强安全管理，尽快填充采空区。

第三，邻近采场也出现了十分严重的垮塌，导致二者发生贯通产生巨大的采空区，对后期安全生产和监管工作产生威胁，在一定程度上影响了生产建设的速度。

3.2 数字化管理

地下开采形成的大规模采空区对发展数字化矿山造成巨大的安全威胁，直接影响了人员与社会的安全性，不利于开展正常的经营工作。

怎样对采空区的形态大小与边界精确把握，获得合理化的处理方案，全面掌控安全威胁，是迫切需要解决的安全生产问题。

三维激光扫描技术凭借非接触式测量的特性提高了探测效率，这一技术对分布区域进行有效明确，从而获得良好的贯通关系，凭借处理后的三维数据构建有关的数字模型，充分明确采空区的体积与实际边界，达到可视化计算这一区域的目标，更好的保证数字化矿山建设工作。

3.3 激光扫描仪

激光扫描仪的工作原理是利用二极管使激光脉冲发送信号，凭借探测设备的旋转棱镜，把脉冲信号射向目标并对激光脉冲信号有效接收，通过记录仪实施记录以后，借助软件进行处理，转换产生可以有效识别的数据，从而有效输出实体建模。

采取地面三维激光扫描技术对实体系统进行扫描，在水平与垂直方向上设计分散装置有效测量特定实体部分。扫描操作中，任何一个站点都能够得到很多点云数据，并通过极坐标方式整体描述任意点的位置信息。

而通过一幅扫描难以全面体现实体信息，这就要求在不同位置进行多幅扫描，如此就会出现拼接匹配多幅扫描结果，利用三维激光扫描仪可以获取每一站的扫描数据。

要想在一个相对坐标系下重构不同测站的扫描数据，可以开展点云拼接工作。当扫描不同位置时，采取内置或外置的数码相机成功采集扫描实体的影像数据，将边缘位置信息与彩色纹理信息提供给点云。

这项技术可以对目标综合结构与形态特点实际进行描述，根据这部分点利用逆向软件迅速通过三维模型，达到三维重建的目标。

可以发现，当存在外界因素的影响时，系统出现了降低采集数据精度的问题，不利于提高数据质量。其中误差包括偶然误差与系统误差。在测量操作中扫描仪表现出发散特点，激光束向实体反射的脉冲波分辨率不高，相应地就会影响操作水平。

4 结语

采空区设计三维扫描智能化监测系统，在一定程度上提高了测量采空区的精确度，达到了智能化监测采空区的目的。通过分析说明，系统对三维改变形态有效监测，解决了传统测量难以获取准确数据的问题，对强化测量精度和开采金属矿山发挥了至关重要的作用。