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三维激光扫描技术在煤矿中的应用

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1超欠挖测定

煤矿矿床在开采过程中,受施工环境、爆破工艺等原因影响,往往会造成采矿区周边的超欠挖、顶板垮塌等问题,对矿场安全形成严重威胁。如何准确地测定采场超欠挖量,就成为了各煤矿开采、生产过程中必须解决的问题。传统的超欠挖测定方法是利用经纬仪、全站仪等测量仪器,每隔5-10m进行测量,绘制出断面图,进而计算超欠挖量。这种方法不但费时费工,而且只能获得局部的精确值,不能很好的反映出整个采场的整体超欠挖情况。三维激光扫描仪的出现,为煤矿超欠挖的计算提供了一种全新的技术手段,罗周全等人提出了完整的基于三维激光扫描仪的采场超欠挖量计算分析方法[3-5]。实测结果表面,该方法能准确的测定出采场的超挖量、欠挖量,达到了较好的效果。

1.1原理描述

使用三维激光扫描仪探测采空区,获取采空区三维数据模型,将其与采场设计单元三维模型复合,根据复合单元模型,利用专业点云处理软件计算超挖量,设周边超挖体积为Z,回采设计单元体积为N,顶板废石体积为I,探测空区体积为T,单位均为m3,则欠挖体积W可用以下式计算:W=N+I+ZIT(1)

1.2方法可行性分析

实践证明,利用三维激光扫描仪和专业三维建模软件,可以建立矿山三维模型,准确获取所需采空区的空间信息。基于此,精确测定采场的超欠挖量成为可能,同时,采场详细空间信息的掌握,使得回采设计、施工管理变得更为安全、可靠。相较于传统测定方法,三维激光扫描仪获取采空区空间信息的速度更快,减少井下扫描作业时间,保证测量人员的安全;信息量更丰富,使得空间模型更精确,超欠挖体积计算更准确;专业三维建模软件的使用,让工程师能轻松获取整个采空区的全局信息,进而能做出更准确的判断。这些优点使得三维激光扫描仪在煤矿超欠挖测定中有着较大的应用价值。在大中型井下煤矿,特别是地质情况较为负杂的煤矿中的使用能增加煤矿生产的安全系数,有着较为广阔的应用前景。但是,目前还没有一款三维激光扫描仪产品取得了国家的煤安认证,这限制了其在煤矿实际生产中的推广应用。

2边坡防治

在露天煤矿的开采过程中,由地震、降雨、地质环境等因素诱发的崩塌、滑坡灾害时有发生,严重地威胁着员工、企业的生命、财产安全。如何较为准确地预报滑坡发生时间,及时采取预防措施确保生产安全,是摆在煤矿企业面前的紧迫任务。针对这一难题,国内外都开展了一些技术方法的研究工作,如数字摄影测量、全站仪、GPS联合作业等。上述工作取得了一些效果。但由于这些方法存在一些技术上难以克服的问题,在具体的生产实践中难以全面推广应用。三维激光影像扫描技术的产生,为解决上述问题提供了最为有效、实用和先进的技术手段[6]。近年来国内的科研单位、企业已经开展利用三维激光扫描仪进行边坡防治的研究[6-8],并取得了较好的实际应用效果。

2.1方法描述

具有代表性的边坡监测典型步骤总结如下:(1)确定监测区域,安装标靶标志物,设定测站位置及扫描间隔天数;(2)利用三维激光扫描仪测定、获取监测区域点云数据;(3)点云数据处理;(4)与历史数据模型对比,采用分维计算、时间序列分析、灰色预测等方法分析监测区域形变情况,评估滑坡风险。

2.2形变分析主流方法对比

在使用三维激光扫描仪进行边坡防治的工程作业中,形变分析、风险评估是最为关键的步骤。采用不同的方法有不同的优缺点,根据文献[6]中的描述,三种主流方法的优缺点比较如下。2.2.1分形分维方法优点:分形结构的变化规律与滑坡的形成、演化、消亡规律相对应,可方便地做出滑坡评估判断。缺点:对时间尺度要求比较高,监测时应尽量选取相等的时间窗。2.2.2时间序列分析方法优点:解决了观测中滑坡体的不均匀性、不连续性、环境条件复杂性等因素给传统分析方法带来的困难,适用于长期的分段监测。缺点:对时间尺度要求比较高,监测时应尽量选取相等的时间窗。2.2.3灰色预测等方法优点:综合了滑坡产生的影响因素,通过量化的数学方程概化出预报关系,具有很高的科学性和合理性;适用范围广、精度高。缺点:要求掌握的资料信息条件苛刻;算法还处于拟合研究阶段。

2.3可行性分析

三维激光扫描仪操作简单,扫描点云成果直观易用,同时具有测量速度快、建模精度高、可以全天候监测等特点,因此比较适合使用在边坡监测项目当中。不失为滑坡短期预测预报的一个新途径。但是,三维激光扫描仪的测距精度与全站仪等技术成熟的产品相比还有较大差距,特别是在中远距离(100m以上),三维激光扫描仪的测距精度下降较快,因此对于一些精度要求较高的场合,并不适合,只适合一些大变形的边坡。此外,由于扫描点密度高,导致数据量很大,很难实现实时处理,对于要求实时、持续监测的目标,技术上很难达到要求。

3采空区变形监测

三维激光扫描仪的一个重要应用方向是通过定时测定数据,分析评估,对危险源进行变形监测。边坡防治就是变形监测重要的一种应用,在井下煤矿安全生产中,三维激光扫描仪多被用来监控采空区顶板坍塌、地基沉降等[9-12]。由于长时间使用留矿法、空场法等矿山开采方法,我国的许多煤矿形成了大量的采空区[12]。加上长期以来广泛存在的私挖乱采等情况,造成了空区群形态不一、错综复杂。受地质运动、爆破作业等影响,未经处理的采空区会导致矿山开采状态恶化,引起矿柱严重变形、相邻采场及巷道维护难度加大、发生大面积冒落及地表塌陷等,这些已经成为目前影响矿山生产安全的重大危害源之一[13]。利用三维激光扫描仪进行采空区形变监测,其步骤、原理与边坡监测类似。所不同的是,采空区的监测距离一般较短,多为50M以内,而在这个距离范围,三维激光扫描仪的测距精度已经能达到2mm以内,完全能满足精度上的需求;其瓶颈在于如何提高点云处理算法效率,实现数据的实时处理。

4数字煤矿

进入新世纪以来,我国的煤矿事业持续稳定发展,行业的安全生产形势总体稳定,但重、特大事故仍然是由发生,事故总起数和死亡人数与发达国家相比仍处于高位。在这样的安全生产形势下煤矿企业对生产过程监控、全矿井生产安全环境监控、生产过程信息综合利用等方面的网路化、自动化和智能化提出了新的要求。希望通过将煤矿井上、井下的各种子系统整合到一个统一的网络平台,在煤矿矿调度室集中监控、调度、控制整个煤矿的各种人员、信息、设备,达到实时信息共享、实时安全监控、统一指挥调度的目的。

4.1数字煤矿定义

“数字煤矿”就是以煤矿机电及一体化技术、计算机技术、3S技术、现代企业管理制度等先进技术为基础,以网络技术为纽带,以安全、高效、可持续生产为目标,实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、查询与专业空间分析,并实现多源信息的多方式输出、实时分析、处理与决策,煤矿安全事故调度指挥等[14]。

4.2三维激光扫描仪与数字煤矿

要建立数字煤矿系统,首先就必须获取煤矿的整体空间、地理信息。以往,这一任务依靠3S技术来完成,但是,3S技术只能提供二维平面信息,并不能反映煤矿的三维空间信息。使用三维激光扫描仪,可以轻松绘制煤矿的整体三维地图,配合人员监控系统的设备,从而能准确地将当前人员、设备的位置信息反映至监控中心,直观的显示当前煤矿的整体运行情况,为科学指挥、调度提供依据。近年来,过内外已经展开了三维激光扫描仪应用于数字煤矿的研究[15-16]。重点研究解决了大尺度三维点云数据的配准、建模;自动纹理映射;网络数据融合等方面的问题。如今,数字煤矿的技术已经比较成熟,相应的软件能轻松完成配准、建模等多种功能。

4.3可行性分析

三维激光扫描仪在数字煤矿中的应用与目前应用较多的炼油、化工厂数字化类似,在技术上已经比较成熟,但是数字煤矿有着自己的特殊性:获取扫描数据必须深入井下作业,对设备性能要求较高;随着掘进的不断深入,井下情况变动较大,需要频繁的进行数据更新等。这些情况加上三维激光扫描仪的高昂价格阻止了其在现实中的推广普及。

5其它应用探讨

以上列举了三维激光扫描仪在煤矿安全生产领域中主要的应用方式。随着管理方式与技术的进步,三维激光扫描仪在未来的煤矿安全生产中会有着更多的应用方向。

5.1虚拟现实—人员培训

在煤矿安全生产过程中,人员的专业素质与安全意识往往会起到关键的作用。加强对煤矿从业人员的安全、技术培训,对煤矿安全生产具有重要的意义。我国目前煤矿从业人员的现实情况是:整体文化程度偏低,安全意识较差,利用传统的教育培训手段,往往达不到预期的效果。鉴于此,廖传义[17]等人提出了利用3D仿真游戏的方式来对职工进行培训,提高员工的参与积极性与学习效率。通过在具体企业中的实验发现,这种方式较之传统教育培训模式能取得较好的效果。但是一般的3D仿真游戏并不能反映井下的真实状况,游戏只能达到示意的效果,通过三维激光扫描仪结合虚拟现实技术,可以完全真实再现煤矿的三维细节,矿工不用下井就能身临其境的体验井下的生产实况,通过培训系统中接触的路线、设备,与真实煤矿中的位置完全一致。通过虚拟现实的培训,能起到比一般3D仿真游戏更好的效果。

5.2精密设备检测

随着技术的发展,如今的三维激光扫描仪最高精度已经能达到微米级(μm)。已经能满足一些精密设备的检测精度要求。利用三维激光扫描仪可以快速、精确的对煤矿设备进行裂缝、变形检测,确保生产安全和正常生产。

6总结

(1)从技术上来说,通过与传统方法的对比分析,可以看出三维激光扫描仪在多个应用方面都能达到实用的基本要求甚至在某些领域有着明显的优势。但是三维激光扫描仪在长距离扫描测量的精度仍有欠缺,导致其在边坡防治等远距离应用价值有限。而且由于是新兴技术,目前全世界都没有一套权威的精度检定标准,在有精度要求的工程中,必须先用全站仪来进行比对、检测。使得其易用性有所降低。(2)从市场角度分析,目前三维激光扫描仪价格昂贵,扫描成本较高;虽然已经有专门针对煤矿设计的防爆型产品,但却并没有取得国内的煤矿安全生产证,这些都限制了其在煤矿行业推广普及的速度。(3)虽然三维激光扫描仪还存在上述诸多缺点,但其中大部分都是可以通过一段时间内通过市场、政策的调整予以解决。随着煤矿行业对安全生产要求的不断提高,对数字化、信息化、智能化的设备需求也在不断增加,而三维激光扫描仪自身在技术上的优势,肯定能让其在将来的煤矿安全生产中发挥重要的作用。

作者:邢保振 吴雨 工作单位:四川九洲电器集团有限责任公司

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