三维激光扫描技术在煤矿井下地质构造带监测的应用研究

郭树林

（煤炭工业晋中地方煤矿建设工程质量监督站，山西 晋中 030600）

三维激光扫描技术在煤矿井下地质构造带监测的应用研究

郭树林

（煤炭工业晋中地方煤矿建设工程质量监督站，山西 晋中 030600）

利用三维激光扫描技术对井下巷道、工作面揭露的地质构造实施有效监控，通过三维坐标变化及DEM模型变化，对顶底板、两邦进行实时数据监测，采取相应预防措施，预防井下地质构造造成的冒顶、地鼓、片邦等灾变。

三维激光扫描技术；三维坐标；地质构造带；监测监控；预防灾变

传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里全站仪、GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐代替二维，因为其直观是二维无法表示的，现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。

一、三维激光扫描技术及特点

什么叫三维激光扫描技术？三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术，就是通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量技术。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

三维激光扫描技术与传统测量技术相比具有如下一些特点：非接触测量，数据采样率高，主动发射扫描光源，分辨率高，测量精度高，数字化采集，数据兼容性好等特点。由于三维激光扫描测量系统具有快速性、实时性、高密度、高精度等特点，所以使用它对露天矿、地下矿井采空区进行扫描，可以很快地获得整个区域空间的位置及三维模型，从今可以监测地表沉降、边坡监控、尾矿库、绘制地形图、测高程等。井下巷道挖掘指导、安全防护、采空区测量、储量计算等相关工作。三维激光扫描仪测得的数据更为全面直观，为矿山生产和安全工作提供大量高精度的数据，该技术真正成为矿山“全天候眼睛”，为数字化矿山建设提供了坚实的技术支持。

二、三维激光扫描技术监测顶板灾害的技术途径

三维激光扫描仪获取的点云数据经过数据预处理、拼接匹配、建立模型，最终得到高精度的DEM模型，这一过程应用三维激光扫描仪配套软件就可以完成。

1.利用三维激光扫描仪进行顶底板及两邦监测设计

随着井下采掘生产的进行，顶板中地质构造带逐步显现和揭露，比如，断层、褶曲、岩溶陷落柱等，这些构造的特点是顶板破碎或地应力集中，褶曲轴部矿山压力增大，如果处理不当极容易造成冒顶事故、片邦事故、地鼓事故。

利用三维激光扫描仪可以实时对顶板下沉变形进行监测监控，对煤壁移动进行监测监控，对地板向上变形进行监测监控，通过定时扫描，进行变形研究，对于超过正常变形范围的地带及时提出预警，采取防范措施，有效预防煤矿顶底板灾害和片邦灾害的发生，为煤矿安全生产提供技术支撑。

2.实现三维激光顶底板及两邦监测监控的方法步骤

首先，在井下地质构造带选择安全稳定地点做为监测仪器安置点，并对选择的观测站点做井下永久点标记，待点位干燥牢固后，进行三维激光扫描。

其次，在选择的监测仪器点安置三维激光扫描仪，进行三维激光扫描，得到扫描点云数据集合A={A1，A2，A3，…An}；根据地质构造引起井下顶底板及两邦变化缓急确定扫描时间间隔，比如12小时，24小时或者更长。根据确定的扫描间隔时间再次进行扫描，得到扫描点云数据集合B{B1，B2，B3…Bn}。

第三，对得到的点云数据进行处理。

求出集合A和集合B中X，Y，Z数据的平均值。

A集合的三维坐标平均值为：

B集合的三维坐标平均值为：

两次扫描结果的三维坐标差为：

三、结论

对得到上述两次扫描数据集，进行电脑数据云处理，得到井下监测区的DEM图形，并进行比较得到监测区域的位移情况，根据△X、△Y、△Z大小对井下特殊地质构造带顶底板、两邦实施有效监控对超限移动及时采取防控措施。

[1]李长春，薛华柱，徐克科.三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现[J].河南理工大学学报（自然科学版），2008，（2）.

[2]冯兴隆.三维激光扫描技术在矿山测量中的应用[J].矿山测量,2009，（3）.

TD

A

1673-0046（2012）8-0158-02