導(dǎo)語(yǔ)：三維激光掃描技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1超欠挖測(cè)定

煤礦礦床在開采過(guò)程中，受施工環(huán)境、爆破工藝等原因影響，往往會(huì)造成采礦區(qū)周邊的超欠挖、頂板垮塌等問題，對(duì)礦場(chǎng)安全形成嚴(yán)重威脅。如何準(zhǔn)確地測(cè)定采場(chǎng)超欠挖量，就成為了各煤礦開采、生產(chǎn)過(guò)程中必須解決的問題。傳統(tǒng)的超欠挖測(cè)定方法是利用經(jīng)緯儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器，每隔5－10m進(jìn)行測(cè)量，繪制出斷面圖，進(jìn)而計(jì)算超欠挖量。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且只能獲得局部的精確值，不能很好的反映出整個(gè)采場(chǎng)的整體超欠挖情況。三維激光掃描儀的出現(xiàn)，為煤礦超欠挖的計(jì)算提供了一種全新的技術(shù)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(chǎng)超欠挖量計(jì)算分析方法［3－5］。實(shí)測(cè)結(jié)果表面，該方法能準(zhǔn)確的測(cè)定出采場(chǎng)的超挖量、欠挖量，達(dá)到了較好的效果。

1.1原理描述

使用三維激光掃描儀探測(cè)采空區(qū)，獲取采空區(qū)三維數(shù)據(jù)模型，將其與采場(chǎng)設(shè)計(jì)單元三維模型復(fù)合，根據(jù)復(fù)合單元模型，利用專業(yè)點(diǎn)云處理軟件計(jì)算超挖量，設(shè)周邊超挖體積為Z，回采設(shè)計(jì)單元體積為N，頂板廢石體積為I，探測(cè)空區(qū)體積為T，單位均為m3，則欠挖體積W可用以下式計(jì)算:W=N+I+ZIT(1)

1.2方法可行性分析

實(shí)踐證明，利用三維激光掃描儀和專業(yè)三維建模軟件，可以建立礦山三維模型，準(zhǔn)確獲取所需采空區(qū)的空間信息?；诖?，精確測(cè)定采場(chǎng)的超欠挖量成為可能，同時(shí)，采場(chǎng)詳細(xì)空間信息的掌握，使得回采設(shè)計(jì)、施工管理變得更為安全、可靠。相較于傳統(tǒng)測(cè)定方法，三維激光掃描儀獲取采空區(qū)空間信息的速度更快，減少井下掃描作業(yè)時(shí)間，保證測(cè)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(jì)算更準(zhǔn)確;專業(yè)三維建模軟件的使用，讓工程師能輕松獲取整個(gè)采空區(qū)的全局信息，進(jìn)而能做出更準(zhǔn)確的判斷。這些優(yōu)點(diǎn)使得三維激光掃描儀在煤礦超欠挖測(cè)定中有著較大的應(yīng)用價(jià)值。在大中型井下煤礦，特別是地質(zhì)情況較為負(fù)雜的煤礦中的使用能增加煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前還沒有一款三維激光掃描儀產(chǎn)品取得了國(guó)家的煤安認(rèn)證，這限制了其在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。

2邊坡防治

在露天煤礦的開采過(guò)程中，由地震、降雨、地質(zhì)環(huán)境等因素誘發(fā)的崩塌、滑坡災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重地威脅著員工、企業(yè)的生命、財(cái)產(chǎn)安全。如何較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間，及時(shí)采取預(yù)防措施確保生產(chǎn)安全，是擺在煤礦企業(yè)面前的緊迫任務(wù)。針對(duì)這一難題，國(guó)內(nèi)外都開展了一些技術(shù)方法的研究工作，如數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、全站儀、GPS聯(lián)合作業(yè)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(shù)上難以克服的問題，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中難以全面推廣應(yīng)用。三維激光影像掃描技術(shù)的產(chǎn)生，為解決上述問題提供了最為有效、實(shí)用和先進(jìn)的技術(shù)手段［6］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的科研單位、企業(yè)已經(jīng)開展利用三維激光掃描儀進(jìn)行邊坡防治的研究［6－8］，并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1方法描述

具有代表性的邊坡監(jiān)測(cè)典型步驟總結(jié)如下:(1)確定監(jiān)測(cè)區(qū)域，安裝標(biāo)靶標(biāo)志物，設(shè)定測(cè)站位置及掃描間隔天數(shù);(2)利用三維激光掃描儀測(cè)定、獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù);(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理;(4)與歷史數(shù)據(jù)模型對(duì)比，采用分維計(jì)算、時(shí)間序列分析、灰色預(yù)測(cè)等方法分析監(jiān)測(cè)區(qū)域形變情況，評(píng)估滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2.2形變分析主流方法對(duì)比

在使用三維激光掃描儀進(jìn)行邊坡防治的工程作業(yè)中，形變分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是最為關(guān)鍵的步驟。采用不同的方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)［6］中的描述，三種主流方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。2．2．1分形分維方法優(yōu)點(diǎn):分形結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律與滑坡的形成、演化、消亡規(guī)律相對(duì)應(yīng)，可方便地做出滑坡評(píng)估判斷。缺點(diǎn):對(duì)時(shí)間尺度要求比較高，監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選取相等的時(shí)間窗。2．2．2時(shí)間序列分析方法優(yōu)點(diǎn):解決了觀測(cè)中滑坡體的不均勻性、不連續(xù)性、環(huán)境條件復(fù)雜性等因素給傳統(tǒng)分析方法帶來(lái)的困難，適用于長(zhǎng)期的分段監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn):對(duì)時(shí)間尺度要求比較高，監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選取相等的時(shí)間窗。2．2．3灰色預(yù)測(cè)等方法優(yōu)點(diǎn):綜合了滑坡產(chǎn)生的影響因素，通過(guò)量化的數(shù)學(xué)方程概化出預(yù)報(bào)關(guān)系，具有很高的科學(xué)性和合理性;適用范圍廣、精度高。缺點(diǎn):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(jiǎn)單，掃描點(diǎn)云成果直觀易用，同時(shí)具有測(cè)量速度快、建模精度高、可以全天候監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，因此比較適合使用在邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目當(dāng)中。不失為滑坡短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的一個(gè)新途徑。但是，三維激光掃描儀的測(cè)距精度與全站儀等技術(shù)成熟的產(chǎn)品相比還有較大差距，特別是在中遠(yuǎn)距離(100m以上)，三維激光掃描儀的測(cè)距精度下降較快，因此對(duì)于一些精度要求較高的場(chǎng)合，并不適合，只適合一些大變形的邊坡。此外，由于掃描點(diǎn)密度高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量很大，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，對(duì)于要求實(shí)時(shí)、持續(xù)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，技術(shù)上很難達(dá)到要求。

3采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)

三維激光掃描儀的一個(gè)重要應(yīng)用方向是通過(guò)定時(shí)測(cè)定數(shù)據(jù)，分析評(píng)估，對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。邊坡防治就是變形監(jiān)測(cè)重要的一種應(yīng)用，在井下煤礦安全生產(chǎn)中，三維激光掃描儀多被用來(lái)監(jiān)控采空區(qū)頂板坍塌、地基沉降等［9－12］。由于長(zhǎng)時(shí)間使用留礦法、空?qǐng)龇ǖ鹊V山開采方法，我國(guó)的許多煤礦形成了大量的采空區(qū)［12］。加上長(zhǎng)期以來(lái)廣泛存在的私挖亂采等情況，造成了空區(qū)群形態(tài)不一、錯(cuò)綜復(fù)雜。受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、爆破作業(yè)等影響，未經(jīng)處理的采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致礦山開采狀態(tài)惡化，引起礦柱嚴(yán)重變形、相鄰采場(chǎng)及巷道維護(hù)難度加大、發(fā)生大面積冒落及地表塌陷等，這些已經(jīng)成為目前影響礦山生產(chǎn)安全的重大危害源之一［13］。利用三維激光掃描儀進(jìn)行采空區(qū)形變監(jiān)測(cè)，其步驟、原理與邊坡監(jiān)測(cè)類似。所不同的是，采空區(qū)的監(jiān)測(cè)距離一般較短，多為50M以內(nèi)，而在這個(gè)距離范圍，三維激光掃描儀的測(cè)距精度已經(jīng)能達(dá)到2mm以內(nèi)，完全能滿足精度上的需求;其瓶頸在于如何提高點(diǎn)云處理算法效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

4數(shù)字煤礦

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的煤礦事業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，行業(yè)的安全生產(chǎn)形勢(shì)總體穩(wěn)定，但重、特大事故仍然是由發(fā)生，事故總起數(shù)和死亡人數(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍處于高位。在這樣的安全生產(chǎn)形勢(shì)下煤礦企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、全礦井生產(chǎn)安全環(huán)境監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程信息綜合利用等方面的網(wǎng)路化、自動(dòng)化和智能化提出了新的要求。希望通過(guò)將煤礦井上、井下的各種子系統(tǒng)整合到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在煤礦礦調(diào)度室集中監(jiān)控、調(diào)度、控制整個(gè)煤礦的各種人員、信息、設(shè)備，達(dá)到實(shí)時(shí)信息共享、實(shí)時(shí)安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮調(diào)度的目的。

4.1數(shù)字煤礦定義

“數(shù)字煤礦”就是以煤礦機(jī)電及一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)、現(xiàn)代企業(yè)管理制度等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為紐帶，以安全、高效、可持續(xù)生產(chǎn)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多源煤礦信息的采集、輸入、存儲(chǔ)、檢索、查詢與專業(yè)空間分析，并實(shí)現(xiàn)多源信息的多方式輸出、實(shí)時(shí)分析、處理與決策，煤礦安全事故調(diào)度指揮等［14］。

4.2三維激光掃描儀與數(shù)字煤礦

要建立數(shù)字煤礦系統(tǒng)，首先就必須獲取煤礦的整體空間、地理信息。以往，這一任務(wù)依靠3S技術(shù)來(lái)完成，但是，3S技術(shù)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(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備，從而能準(zhǔn)確地將當(dāng)前人員、設(shè)備的位置信息反映至監(jiān)控中心，直觀的顯示當(dāng)前煤礦的整體運(yùn)行情況，為科學(xué)指揮、調(diào)度提供依據(jù)。近年來(lái)，過(guò)內(nèi)外已經(jīng)展開了三維激光掃描儀應(yīng)用于數(shù)字煤礦的研究［15－16］。重點(diǎn)研究解決了大尺度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、建模;自動(dòng)紋理映射;網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合等方面的問題。如今，數(shù)字煤礦的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，相應(yīng)的軟件能輕松完成配準(zhǔn)、建模等多種功能。

4.3可行性分析

三維激光掃描儀在數(shù)字煤礦中的應(yīng)用與目前應(yīng)用較多的煉油、化工廠數(shù)字化類似，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但是數(shù)字煤礦有著自己的特殊性:獲取掃描數(shù)據(jù)必須深入井下作業(yè)，對(duì)設(shè)備性能要求較高;隨著掘進(jìn)的不斷深入，井下情況變動(dòng)較大，需要頻繁的進(jìn)行數(shù)據(jù)更新等。這些情況加上三維激光掃描儀的高昂價(jià)格阻止了其在現(xiàn)實(shí)中的推廣普及。

5其它應(yīng)用探討

以上列舉了三維激光掃描儀在煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域中主要的應(yīng)用方式。隨著管理方式與技術(shù)的進(jìn)步，三維激光掃描儀在未來(lái)的煤礦安全生產(chǎn)中會(huì)有著更多的應(yīng)用方向。

5.1虛擬現(xiàn)實(shí)—人員培訓(xùn)

在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中，人員的專業(yè)素質(zhì)與安全意識(shí)往往會(huì)起到關(guān)鍵的作用。加強(qiáng)對(duì)煤礦從業(yè)人員的安全、技術(shù)培訓(xùn)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。我國(guó)目前煤礦從業(yè)人員的現(xiàn)實(shí)情況是:整體文化程度偏低，安全意識(shí)較差，利用傳統(tǒng)的教育培訓(xùn)手段，往往達(dá)不到預(yù)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(lái)對(duì)職工進(jìn)行培訓(xùn)，提高員工的參與積極性與學(xué)習(xí)效率。通過(guò)在具體企業(yè)中的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種方式較之傳統(tǒng)教育培訓(xùn)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(shí)狀況，游戲只能達(dá)到示意的效果，通過(guò)三維激光掃描儀結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以完全真實(shí)再現(xiàn)煤礦的三維細(xì)節(jié)，礦工不用下井就能身臨其境的體驗(yàn)井下的生產(chǎn)實(shí)況，通過(guò)培訓(xùn)系統(tǒng)中接觸的路線、設(shè)備，與真實(shí)煤礦中的位置完全一致。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)，能起到比一般3D仿真游戲更好的效果。

5.2精密設(shè)備檢測(cè)

隨著技術(shù)的發(fā)展，如今的三維激光掃描儀最高精度已經(jīng)能達(dá)到微米級(jí)(μm)。已經(jīng)能滿足一些精密設(shè)備的檢測(cè)精度要求。利用三維激光掃描儀可以快速、精確的對(duì)煤礦設(shè)備進(jìn)行裂縫、變形檢測(cè)，確保生產(chǎn)安全和正常生產(chǎn)。

6總結(jié)

(1)從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，通過(guò)與傳統(tǒng)方法的對(duì)比分析，可以看出三維激光掃描儀在多個(gè)應(yīng)用方面都能達(dá)到實(shí)用的基本要求甚至在某些領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但是三維激光掃描儀在長(zhǎng)距離掃描測(cè)量的精度仍有欠缺，導(dǎo)致其在邊坡防治等遠(yuǎn)距離應(yīng)用價(jià)值有限。而且由于是新興技術(shù)，目前全世界都沒有一套權(quán)威的精度檢定標(biāo)準(zhǔn)，在有精度要求的工程中，必須先用全站儀來(lái)進(jìn)行比對(duì)、檢測(cè)。使得其易用性有所降低。(2)從市場(chǎng)角度分析，目前三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，掃描成本較高;雖然已經(jīng)有專門針對(duì)煤礦設(shè)計(jì)的防爆型產(chǎn)品，但卻并沒有取得國(guó)內(nèi)的煤礦安全生產(chǎn)證，這些都限制了其在煤礦行業(yè)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(diǎn)，但其中大部分都是可以通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)市場(chǎng)、政策的調(diào)整予以解決。隨著煤礦行業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)要求的不斷提高，對(duì)數(shù)字化、信息化、智能化的設(shè)備需求也在不斷增加，而三維激光掃描儀自身在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，肯定能讓其在將來(lái)的煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)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(tuán)有限責(zé)任公司