三维激光扫描仪在空区测量中的运用

罗 平

（玉溪大红山矿业有限公司，云南 玉溪 653405）

玉溪大红山矿业有限公司浅部熔岩铁矿露天采矿工程于2011 年初建成投产，开采矿体为浅部Ⅱ5、Ⅲ2 等铁矿体，目前境界内保有B+C+D 级地质资源储量3059 万t，地质品位TFe19.50%，设计采出矿石量约3006 万t。玉溪大红山矿业有限公司浅部熔岩铁矿露天采矿工程建成前，已形成部分采空区。一部分是1993 年～1999 年间民采形成的采空区，该部分空区处于勘探线A28～A39 之间，在露天采场的东北边，标高约在800m ～900m 间，；另一部分是2005 年前浅部10 万t/a 采矿工程开采形成的空区，空区处于A28～A33 之间，分布标高约在750m ～970m 之间，全部分部在露天开采区域内。

随着露天生产不断推进，生产台阶下降，采场台阶与采空区越来越近，严重影响生产安全，为及时、准确治理采空区，需要快速精准测量绘制采空区现状图，掌握采空区空间位置，确保露天采矿安全。由于玉溪大红山矿业有限公司浅部熔岩铁矿露天采矿工程采空区形成时间早，分布不规律，资料不齐全完整，巷道断面小，长久无人维护，空区内有毒有害气体超标；空区垮塌严重，顶板边帮浮石多；空间狭小，位置不清等不利因素，若采用常规测量（经纬仪加钢尺加塔尺、全站仪加钢尺等）方法测量采空区，, 测量难度大，存在较大安全风险，效力低，测量人员劳动强度大，测量数据处理成图速度慢，造成采空区治理滞后，严重影响制约了露天矿生产，给露天矿生产造成较大安全隐患；为解决空区测量问题，玉溪大红山矿业有限公司引入能对采空区进行快速扫描测量，准确测量采空区位置、形态、体积计算等情况的OptechCMS V400 三维激光扫描仪。

1 Optech CMS V400三维激光扫描仪介绍

本矿采用加拿大Optech CMS V400 空区三维扫描激光扫描仪。技术参数：激光类型：一级激光(FDA 21 CFR 1040) ；距离分辨率：1mm ；角度分辨率：0.1° ；测距精度：±2cm ；扫描头重量：5.4kg ；仪器尺寸：398×157×122mm ；扫描范围：500 m@90% 反射率目标，200 m@20% 反射率目标；控制界面：防水笔记本，可遥控操作，人站在安全区域对设备进行遥控；每次扫描点数（1×1 度）：52200 点；扫描视场：360° x290° ；工作温度：-10℃～+50℃；储存温度：-40℃～+50℃；电源：24V可充电电池，或者24V 交、直流转换器接入。利用激光测距适时获取实体的点云数据，通过对海量点云数据处理，复建出高精度三维实体模型。并结合坐标控制，对比分析数据，得到采空区的实体空间形态。近年来，随着对三维扫描激光扫描仪的熟悉，矿业公司将三维激光技术逐渐应用于采矿工程巷道、硐室及采空区扫描，改善了测量条件，提高了测量效力。

2 测量目的

2.1 采空区测量调查

利用Optech CMS V400 空区三维激光扫描仪，可以在较短时间内（一站扫描时间7 分钟，目前露天矿矿的采空区5 站内可以扫描完成）采空区三维数据进行扫描和获取，整个过程高效、精确，对于采空区赋存环境无破坏作用。通过软件处理，可以快速建立采空区三维模型，与采矿设计和开采台阶现状进行对比分析，以科学的手段分析采空区对生产的安全影响，为及时治理采空区提供依据。

2.2 指导采场生产工作

传统的生产验收测量主要使用的仪器主要的全站仪，经纬仪和测距仪等工具，工序繁琐、搬站频繁，准确性受人为因素影响较大，并且人员需要进入危险区域，其安全性也是一大问题，人员设备配置较多。利用三维激光扫描技术可以实现高精度验收测量、人员在安全的区域操作，可以精确计算采空区体积、采矿量及采空区回填方量，为后续回填治理设计提供科学依据，既保证了验收效率和精度，又确保了生产工作安全顺利进行。

2.3 采矿设计和管理工作

三维激光扫描设备作为一种测量工具，大大提高了测量效率，加快测量图件成图速度，为地质、采矿行业的基础设计快速提供基础资料，有效降低开采损失，提高采矿效率。通过真实的三维地质模型数据（需要地质的配合，测量提供准确的扫描模型）可以获取井下空间三维形态，结合采矿设计等，对采矿设计提供依据。

3 露天采空区测量

露天采空区采用水平支撑扫描法：采空区扫描测量采用水平杆升入采空区里面，由扫描头上的集成非接触式红外线激光测距仪、可视化激光定位仪、11m 长支撑杆、手持操控器、电脑软件等工具进行测量。

根据露采平台下降速度及现场采空区揭露情况，首先在露天采场圈定采空区范围坐标，然后在开采复合图里明确采空区范围。后期利用开采台阶或爆破钻孔探测采空区的边界，采用水平支撑扫描法把仪器送入采空区内部进行扫描，测量过程需要全站仪配合传递三维坐标。在扫描仪探头中心及水平伸杆上放置反光觇标，用全站仪测量出两点的三维坐标，输入扫描仪测量控制软件中以达到绝对坐标传递的过程，这样测量出来的点云数据就直接带绝对坐标（见图1），通过专业建模软件可以形成三维立体的测量模型（见图2）进行分析。

图1 扫描点云数据

如图2 所示，本次通过5 站测量，完成露天浅部熔岩铁矿950 水平以下空区测量，图中黑色区域为此次测量的成果区域，同时生成的立体三维模型，真实反映了采空区的实际现状，为后期空区治理设计，提供了有力的技术支持。本次测量第一站测量空区体积为1100.5m3，其余三站测量空区体积为7045.3m3，顶板厚度25m。同年9 月份露天采矿协作单位结合以上测量空区资料，成功实施了该区域的空区治理，为采矿生产安全提高了保障。

图2 空区模型

4 结论

（1）三维激光扫描仪能安全、快速、高效精准测量出采空区空间模型、几何形态和空间位置，配合地质、采矿等相关专业软件，将加快矿业公司数字矿山建设，可快速提高测量图件，建立矿山三维模型，准确获取所需实体空间信息，为采矿、空区治理设计提供依据，提高矿石回采率，降低炸药成本，优化车辆调度。

（2）三维激光扫描仪用于采空区、溜井、硐室等受限空间测量其空间形态及超欠挖量，可轻松获取超欠挖数据，分析超欠挖偏差；详细掌握溜井、硐室等空间信息，使得采掘计划、溜井管理、溜井检修及硐室施工变得更安全、可靠可行。

（3）相较传统测量方法，三维激光扫描仪减少测量人员进入采空区、溜井、硐室等受限空间，保证了测量人员安全；获取采空区、溜井、硐室等受限空间信息的速度更快，减少测量作业时间、测量人员及提交测量成果时间，提高了测量效力。

（4）三维激光扫描仪在公司普及使用后，能准确计算空区体积，避免空区充填材料积压太多，造成资金积压，为公司降低生产成本提供了依据。