三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践

1、属 矿 山M ETAL M IN ESeries No. 392February 20092009年第2期总第392期三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践夏永华1方源敏1孙宏生2瓦学坤2陈杰1顾德茂2(1.昆明理工大学；2玉溪大红山铜矿)摘要采空区严重影响矿山后续的开采规划，基于在大红山铜矿应用3D激光探测技术(CMS)采集矿山地下三维数据的实践，详细介绍了CMS技术在井下空区三维数据采集的方法、数据的预处理及应用实践。该技术采用无接触的测量方式，不但可以精确获取采空区的空间几何参数，如长度、面积、体积、围岩及顶板的变形和变化关系,还大大提高了空区数据采集的安全性和效率，为空区安全评价与

2、治理以及矿柱回采设计提供数据。关键词 CM S采空区数据预处理点云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属

6、 矿 山M ETAL M IN ESeries No. 392February 20092009年第2期矿山采空区严重影响后续的矿体开采规划，矿石是不可再生资源，如何充分合理采出来加以利用，最大限度地避免资源浪费，是每一个矿山都面临的难题。地下开采的一切生产活动都离不开这些空置 的空间。因此，科学地揭示井下空区的几何特性及 相互的空间关系对矿山的生产和安全有着非常重要 的作用。否则将致使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形，相邻作业区采场和巷道维护困难，井下大面积 冒落、岩移及地表塌陷等。更为严重的是空区突然 垮塌的高速气浪和冲击波造成人员伤亡和设备破 坏,这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环

7、境恶化、矿产资源浪费。要解决上述问题的关键是 要科学探明井下空区的即时状态和空间相对关系，为空区的安全治理和资源回采提供准确的设计依 据。本文通过大红山铜矿引进的加拿大Op tech研制的特殊三维激光扫描仪CMS (Cavity Mo nit oringSystem)做了现场试验，效果良好。三维激光扫描技术是最近20多年发展起来的新兴技术之一，具有非? 112?常广阔的应用前景，有望给测绘科学带来一场新的 技术革命。1 CM S在井下的使用方法为了适应不同工程项目需要，CMS架设计灵活，洞口只需要30 cm孔径，即可把CMS探入进去， 扫测洞内情况。如果通视条件好，人员没有安全隐 患，可用三脚

8、架，扫测周边数据。如果要扫测下部的 空区，可用特殊配置的组件，把CMS下垂至空区，扫 测到空区内部点位数据。如果是要扫测周边空区，可以水平架设扫描系统，人员在安全区域操作，把 CMS探入空区，即可扫测到空区内部点位数据。1. 1从竖井扫描测量空区的作业方法1. 1 . 1扫描系统初始化步骤(1) 携带CMS仪器箱、电源箱及专用配件到外 业场所；(2) 把CMS架设在三脚架上；夏永华(1972),男，昆明理工大学国土资源工程学院，教授,博士生导师，650093云南省昆明市一二一大街文昌路 1号。© 994-20-10 China Academk Journal ElecLronic P

9、ublishing House. All rights reserved. hUphWki-rict夏永华等：三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践2009年第2期(3) 接通电源，进行初始化。1. 1 2扫描步骤(1 )将主机及 V IP配件依次连接垂直放入竖井；(2) 用全站仪测量VIP竖杆中心的坐标，以及确定扫描头的方位角；(3) 用控制手簿设定扫描参数，启动扫描采空 区数据；(4) 扫测完毕后，仪器自动复位。如果还要用 同样模式扫测近处的采空区，不退出、不断电搬站。扫描测距头在空区里的工作情况及其原理如图图1 CM S从竖井扫描测量空区示意1. 2 CM S扫测平硐的方法(1) 携

10、带CMS仪器箱、电源箱及配置清单中第五、六项支撑杆、横杆等配件到外业场所。(2) 选好支撑杆架设位置，上端顶在硐室顶板 低端顶在硐室底板，压起重器撑实、确保顶紧。(3) 用全站仪测 CMS上部中心和水平杆上某 点坐标。(4) 用控制手簿设定扫描参数，启动扫描采空 区数据。在扫描过程中，红外遥控用的 PDA上，会适时 显示仪器工作状态、进度、点云图等咨讯。扫描测量 的原理如图2所示。rr图2扫描测距头扫测平硐的扫描原理2 CM S的前期数据处理2. 1数据传输在扫描完成后，用M icrosoft ActiveSync将PDA 与电脑连接，然后将FDA中的扫描成果,复制后粘 贴到电脑中，即可完成数

11、据下载的工作 。2. 2扫描数据坐标转换打开仪器供应商提供的CMSPosProcess软件，在弹出的主界面中，点击“打开文件”选入需要进行 数据转换的文件。然后输入测记好的仪器中心点和 杆上的两点坐标数据 、前视点到激光中心距离等参 数，点击“转换为DXF”和转换为XYZ ”则软件会 将原始数据转换为用户需要的数据格式。输入转换数据后如图3所示。把点云数据导入QvolCMS、Polywork、Minesight等软件中，作进一步处理分析，量算建模等。图3输完转换数据后的界面3 CM S测量技术的应用矿山采空区测量，基本都存在安全隐患 。矿山 测量技术人员在采空区联道口架设免棱镜全站仪，测取少量

12、空区轮廓特征点位，将这些特征点绘制成 一定比例的平面图，再在“空区平面图”的基础上绘 制空区“剖面图”。以反映空区形态或计算空区体 积。这种办法因测取的数据量少，观测时难免存在 看不到的“盲区”，测取到的数据难以全面反映采空 区的空间形态。况且，还有很多采空区无法看到内 部岩石松散情况，人员进入要冒极大的安全风险。不管属于哪一种，如果用CMS来扫测采空区数据(一是扫测空区容积，二是扫测空区具体位置)，可 以真实全面地反映空区内部形态。回到内业后把空 区三维数据导入软件，生成所需的各种图件，为采矿 设计、空区充填等提供科学指导。图4是CMS竖直架设扫测数据，左图显示经充 填后，还有16 000多

13、 m3空区，须再进一步充填之后，下转第127页)113?1】9910； China Academk Jounxal ElccLronic Publishing Housr. All rights reserved. hUp:讥,*kLnct陈启亮等：基于GIS技术的矿产资源管理信息系统2009年第2期所以在进行程序设计时还要先分析选用的GIS软件已有的功能和组件，确定需要开发的功能，避免增加 二次开发的工作量，缩短开发周期，提高开发效率。 4总结矿产资源管理信息系统，是基于 GIS软件，采用二次开发的方式，集中运用地理信息技术、数据库技 术、面向对象技术，把现有的业务数据与地理数据有 机融合起

14、来，以GIS独特的方式直观、形象地显示在 地图上，并建立关联分析6，能提高地质、矿产及其 相关行业的办公效率和水平，并为相关管理人员提 供及时、有效、科学的辅助决策。参考文献厂匕三匸% III礼、址1 贺重媛，周廷刚，唐 霄，等.基于MVC的矿产资源信息系统的设计与实现J.金属矿山，2008(2): 1092111.2 张春明，孙豁然，姜绍飞，等.基于GIS技术的矿产资源管理信 息系统的设计与实现J.微计算机信息：管控一体化，2005, 21, 8 (3) : 1532154.3 刘 哲，甘德清，赵红蕊.基于GIS的矿产资源规划信息系统J.金属矿山，2006 (10): 58250.4 沈泉飞

15、，顾和和，张海荣，等.矿产资源管理信息系统设计与开发J.信息技术，2006 (5): 19222.5 张春明，孙豁然，王恩德，等.矿产资源信息系统空间属性数据 建模方法J.金属矿山，2005(6): 33235.6 高建国，郭 君.矿产资源信息系统构建及应用M .昆明:云 南科技出版社，2007.7 蔡洪春，杨毅恒.辽宁省矿产资源信息系统设计与实现D . 长春:吉林大学，1992.8 武俊红，汪云甲，周兴付.矿产资源信息管理系统的初步设计 与实现J.矿业快报，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陈启亮等：基于GIS技术的矿产资源管理信息系统2009年第2期#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publishing Home. All rights reserved. hMphSki-rict陈启亮等：基于GIS技术的矿产资源管理信息系统2009年第2期(上接第113页)才能利用自然垮落法让其充填，且采空区边沿在运输巷下部，存在隐患。右图显示矿石溜井垮蹋，需要 进行修复。图4空区充

17、填及溜井扫描结果除了地下开采矿山扫测采空区而外，还可用于扫测数字矿山所需井巷数据、溶洞内部情况、水电站地下厂房、隧洞 引水、公路、铁路)等地下工程数据 扫测，特别是人员无法进入的非安全区域。4结论三维激光扫描技术是最近20多年发展起来的新兴技术之一，具有非常广阔的应用前景，有望给测 绘科学带来一场新的技术革命。特别是将特殊的三 维激光扫描系统空区探测系统引入矿山井下数 据的采集，将大大提高井下数据采集的效率及安全 性。参考文献1 刘晓明，张 伟，刘为洲，等1基于空区实测的隐患资源回收 综合技术研究J.金属矿山，2008 (8) : 8823112 过 江，罗周全，邓 建，等 .三维动态空区监测

18、系统CMS在矿山的应用J.地下空间与工程学报，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 刘敦文,徐国元,黄仁东，等.金属矿采空区探测新技术J,中 国矿业,2000, 9(4) : 3437.6 过 江,古德生,罗周全.金属矿山采空区3D激光探测新技术J.矿冶工程,2006, 26(5) : 16218.收稿日期2008212221)#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publishing Home. All rights reserved. hMphSki-rict陈启亮等：基于GIS技术的矿产资源管理信息系统2009年第2期#?© 994-2010 China Academk Jounyal ElecLronic Publish