李卫红;胡国新;刘柳;李静涛
【摘 要】主要通过对平朔矿区各露天矿采空区扫描的不同点云数据的归类分析，研究各种点云数据的表现形态，利用数据更加清晰的了解采空区的赋存状态，为平朔公司安全生产提供地质技术保障。%Through classification and analysis on different point cloud data of scanning in Pingshuo mining area goaf, the article researches the performance of various point cloud data, and understands the occurrence state of goaf by using data, which provides geological and technical support for safety production in Pingshuo company.
【期刊名称】《露天采矿技术》
【年(卷),期】2016(031)009
【总页数】4页(P74-77)
【关键词】三维激光扫描;采空区;露天矿;数据处理
【作 者】李卫红;胡国新;刘柳;李静涛
【作者单位】中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000
【正文语种】中 文
【中图分类】TD325+.4
安装网引用格式：李卫红，胡国新，刘柳，等.露天矿采空区三维激光扫描数据分析与处理［J］.露天采矿技术，2016，31（9）：74-77.
三维激光扫描技术是区别于单点激光扫描的360°高精度步进式扫描测量［1］。通过定点连续扫描，可得到完整的、全面的三维空间信息。另外，三维激光扫描技术还可深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描，直接实现各种复杂的、不规则的实体三维数据完整的采集，快速重构目标的三维模型［2］。通过三维激光扫描系统在平朔公司各露天矿采空区探测中的应用，成功实现了采空区隐蔽工程可视化，为露天矿采空区处理提供了可靠技 缀花草坪
术依据。
平朔矿区3个露天矿生产过程中均遇到过采空区问题，对露天开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。为拓展采空区探测手段，提高采空区探测精准度，为各露天矿采空区处理提供可靠技术依据，平朔公司引进了高精度三维激光扫描仪，开展露天矿地下采空区扫描工作［3］。截至目前，扫描工作开展约18个月，共计完成采空孔扫描124次，扫描面积20 107 m2，扫描体积111 343 m3，完成扫描模型分析总结报告65份。
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采空区三维激光扫描模型的获取流程包括外业数据采集和内业数据处理两部分。外业数据采集一般包括采空孔布设及测量、数据扫描工作；内业数据处理通常包括点云数据拼接、噪音剔除及测绘成果，如体积计算、三维模型生成、三视图（横纵断面图）绘制等，具体如下：
u型池1）外业数据采集。通过用GPS确定钻孔坐标及方位角。将设备探头及延伸杆整个下放到孔内，下放过程中，通过数电缆线的节点来确定钻孔深度，当探头到采空区内部后，通过摄像头视频监控到内部有足够空间后就可进行采空区的扫描了。每次约30 min完成扫描试
验工作。
2）内业数据处理。扫描完成后，通过软件Cavity Scan Pro形成点云图［4］，得到采空区轮廓数据，可在现场初步判定对采空区大小、高度及位置。后期使用软件Geomagic对采空区点云图进行三维建模，可以清楚的看到采空区的大小、走向、跨度及体积等［5-6］。
1）正常点云模型，扫描数据点密度无较大变化，无缺失，无噪点。能真实反应所扫描的空洞模型的面积、高度、体积等参数及空洞顶底板与侧壁的完整性，正常点云模型如图1。 2）延伸点云模型，扫描数据点在延伸区域密度明显变小，无缺失，无噪点，反应扫描的空洞模型面积、高度、体积等参数真实可靠，空洞顶底板完整，可建立正常空洞模型，但密度变小区域所形成的侧壁不可靠，有延伸可能。形成延伸点云模型的主要有2个方面原因：①空洞侧壁距离钻探点较远且侧壁不规整；②空洞内有少量烟尘或水汽。
3）缺失点云模型，扫描数据点在局部区域缺失，无噪点，反应扫描的空洞模型面积、高度、体积等参数及顶底板、侧壁不完整，可建立正常空洞模型，但局部缺失区域所形成的顶底板或侧壁不可靠，有延伸可能。形成缺失点云模型主要有2方面原因：①激光在局部区域有较大石块阻挡；②空洞内有水体。
4）毛躁边界点云模型，扫描数据点在密度较大区域外有明显且杂乱无章的激光点，无缺失，反应扫描的空洞模型面积、高度、体积等参数及顶底板、侧壁不完整，部分可建立正常空洞模型，但顶底板及侧壁可靠程度差。形成毛躁边界点云模型的主要有两方面原因：①空洞内有大量烟尘或水汽；②扫描仪探头30 cm内有阻挡物。
在以往对小窑采空区的三维激光扫描中，不可靠边界模型及噪点较多的模型都因分析程度不够而不能很好的利用，现通过大量扫描数据结合小窑采空资料的归类对比分析，对扫描成果有了更加科学合理的利用。
1）正常点云模型。模型所反应的空洞顶底板及边界真实可靠，通过对收集的小窑资料及勘探成果综合比对，形成分析报告，有效指导了生产爆破钻爆破穿孔，优化回采爆破设计，节省企业成本［7-8］。
哺乳服装2）延伸点云模型。模型所反应的空洞一般以巷道或较窄工作面形式赋存，可通过对模型与小窑采空资料的比对，验证巷道或工作面走向、高度、宽度及顶板完整程度等资料，有效指导矿方对附近采空区的搜寻及生产勘探探测采空区的方向。
例如安家岭露天矿现场爆破钻爆破穿孔，发现小窑采空，三维激光扫描仪扫描出点云模型如图2。分析认为是矿内小窑后东矿开采4-2#煤形成的采空所致，在模型西南及西部方向点云密度明显减小，空洞有向此两处方向延伸的可能。现场钻机勘探对疑似延伸区域进行寻，确实探测到延伸空洞，且经二次扫描，所成点云模型相连，模型验证图如图3，验证了对初次扫描后判断，了解了安家岭露天矿内小窑后东矿在此区域的赋存形态，指导了对此区域小窑采空的认识及下一步采空区探测的方向，为合理治理小窑采空提供了技术依据。
3）缺失点云模型。模型是由于客观条件所造成的数据缺陷，可反应的空洞在地下的塌陷程度及采空积水量的大小，用于指导矿方对采空赋存情况的认识及对附近采空区的搜寻。
例如东露天矿现场爆破钻爆破穿孔，发现小窑采空，三维激光扫描仪扫描出缺失点云模型图如图4。分析认为是矿内小窑沟底新井煤矿开采4号煤形成的采空所致，模型在东部局部区域点云缺失，分析认为扫描激光点在空洞东部局部区域被坍塌石块阻挡，无法扫描到更远区域，空洞有向此方向继续延伸的可能。通过钻机勘探对疑似延伸区域进行寻，确实探测到被坍塌石块阻挡区域采空，且经二次扫描，所成点云模型相连，模型验证图如图5。验证了对初次扫描后判断，了解了安家岭露天矿内小窑沟底新井矿在此区域的赋存形态，指导了对此区域小窑采空的搜寻及采空区探测的方向。
4）毛躁边界点云模型。模型亦由于客观条件所造成的数据不准确，可反应空洞内是否有着火或水雾情况，用于指导矿方对采空赋存情况的认识，为矿方采空区治理提供技术支持。
例如东露天矿内小窑通过现场爆破钻爆破穿孔，发现小窑采空，三维激光扫描仪扫描出噪点较多的点云模型如图6。通过探头反应孔内无水汽，且未发现30 cm内阻挡物，所以疑似下部采空着火。与现场沟通堵孔，可避兔空洞内火情变大。
从数据分析利用的角度对三维激光扫描技术进行了研究。通过平朔矿区各露天矿收集的小窑采空资料及勘探资料，结合采空区扫描的大量点云数据，研究其表现形态，总结出4种常见扫描点云模型，尤其是对后3种异常形态点云模型进行了总结：
1）实现了采空区隐蔽工程可视化，对采空区管理及对采掘安全评估等提供了可靠的全数字信息。
2）三维激光扫描仪探测深度大，范围广，空洞模型可有效指导各矿对附近采空区的搜寻及生产勘探探测采空区的方向，防止人员及设备在采空区上方作业时发生坍塌事故，切实保障各矿安全生产；
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3）依照“降本增效”工作思路，三维激光扫描工作相对外委扫描业务节约了大量资金，且在减少勘探钻进工程上节约了大量人工成本。
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