陳 凱，張 弛，張 達(dá)

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

金屬礦山按照開采方式可分為露天開采礦山和地下開采礦山。露天礦生產(chǎn)的工藝環(huán)節(jié)，包括礦巖準(zhǔn)備、采掘工作、運(yùn)輸工作、排土工作等重要環(huán)節(jié)。地下開采的工藝環(huán)節(jié)，包括礦床開拓、礦塊的采準(zhǔn)、切割和回采等重要環(huán)節(jié)。礦山的建設(shè)和生產(chǎn)過程中，礦巖的采掘和剝離占據(jù)了現(xiàn)場(chǎng)很大一部分工程量，采掘(剝)量=采礦量+掘進(jìn)量+(剝離量)+其他采掘(剝)總量，其中：地下采掘量=采礦量+掘進(jìn)量+其他采掘總量；露天采剝量=采礦量+剝離量+其他采剝總量。準(zhǔn)確地計(jì)算采掘(剝)量是礦山生產(chǎn)過程中必須開展的一項(xiàng)工作，它不僅是體現(xiàn)礦山開展工作量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是反應(yīng)礦山其他指標(biāo)的基礎(chǔ)，同時(shí)及時(shí)和準(zhǔn)確地掌握各生產(chǎn)隊(duì)伍的工作量，對(duì)于礦山編制生產(chǎn)計(jì)劃、為設(shè)計(jì)部門提供工程施工的現(xiàn)狀、采掘工程量有效監(jiān)督驗(yàn)收等環(huán)節(jié)都有十分重要的影響和意義[1-2]。

1 采掘(剝)量快速驗(yàn)收方法

采掘(剝)量驗(yàn)收通常采用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。使用傳統(tǒng)測(cè)量手段進(jìn)行采掘和剝離量驗(yàn)收時(shí)工作量巨大且具存在一定滯后，通常不能有效跟進(jìn)生產(chǎn)進(jìn)度。具體存在的問題如下：

1)傳統(tǒng)測(cè)量手段操作復(fù)雜、測(cè)量效率低，比如使用全站儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需2人配合操作，包括架站、對(duì)中、整平、引點(diǎn)等操作；

2)傳統(tǒng)測(cè)量手段操作風(fēng)險(xiǎn)高、人員工作量大，比如采場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)，需測(cè)量人員攜帶全站儀進(jìn)入采場(chǎng)工作，而采場(chǎng)存在浮石掉落傷人的可能；

3)傳統(tǒng)測(cè)量手段獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)離散、數(shù)據(jù)量少，典型性不足、處理時(shí)間長等問題；

4)傳統(tǒng)測(cè)量手段計(jì)算的采掘(剝)量時(shí)間長、效率低、數(shù)據(jù)匯總滯后，影響后續(xù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析和上級(jí)部分決策。

為解決傳統(tǒng)測(cè)量手段在采掘(剝)量驗(yàn)收方面存在的問題，需革新傳統(tǒng)的測(cè)量手段[3-7]。而通過高新技術(shù)的測(cè)量手段獲取空間三維形態(tài)并完成礦山采掘(剝)量驗(yàn)收是目前主流的方式，具體測(cè)量手段主要包括無人機(jī)測(cè)量、架站式三維激光掃描儀、手持式三維激光掃描儀等。由于礦山要進(jìn)行采掘(剝)量驗(yàn)收的具體場(chǎng)景不一樣，需使用的具體測(cè)量設(shè)備也不一樣。1)對(duì)于露天礦山，由于其礦區(qū)范圍較大，通常面積都超過一平方公里，而且露天礦內(nèi)部存在起伏，為了有效獲取其地形地貌數(shù)據(jù)，最好的方式是使用無人機(jī)進(jìn)行三維形態(tài)獲取并計(jì)算采掘量；2)對(duì)于地下采場(chǎng)，由于地下采場(chǎng)大部分都屬于危險(xiǎn)區(qū)域，人員不能進(jìn)入，因此需要把設(shè)備伸入到采場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行掃描獲取三維形態(tài)，固定式三維激光掃描儀可通過延長桿伸入到采場(chǎng)，快速獲取采場(chǎng)三維形態(tài)并計(jì)算采場(chǎng)出礦量；3)對(duì)于地下巷道，由于地下巷道存在拐彎和分叉等情況，如果使用固定式三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，需要頻繁架站并拼接掃描數(shù)據(jù)，在這種場(chǎng)景下，需使用手持式三維激光掃描儀，使用人員可邊走邊掃描獲取巷道三維形態(tài)并計(jì)算巷道掘進(jìn)量。

2 露天礦掃描及采剝量計(jì)算

露天礦山是充分發(fā)揮無人機(jī)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要應(yīng)用。本文依據(jù)無人機(jī)遙感具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、獲取數(shù)據(jù)快速和可以低空飛行的特點(diǎn)，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出露天礦區(qū)采掘方量，大大提高了工作效率。露天礦現(xiàn)場(chǎng)掃描及采剝量計(jì)算過程如下：

1)制定無人機(jī)飛行計(jì)劃

本文選擇德國天狼星無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)飛行，無人機(jī)配套的MAVinci Desktop軟件內(nèi)嵌面向全球的影像服務(wù)，瀏覽目標(biāo)測(cè)區(qū)時(shí)，軟件將自動(dòng)下載測(cè)區(qū)影像。用戶在影像上點(diǎn)擊任意添加角點(diǎn)，即可定義飛行范圍。輸入地面采樣距離GSD一項(xiàng)參數(shù)，其它由MAVinci Desktop完成。而針對(duì)露天礦高差可能達(dá)幾百米的環(huán)境，傳統(tǒng)的固定航高飛行計(jì)劃存在諸多問題。在地形起伏區(qū)域，預(yù)先設(shè)計(jì)的地面采樣距離和重疊度將發(fā)生變化，這將對(duì)成果精度造成嚴(yán)重影響，甚至影響到正射影像能否完成鑲嵌。為了獲取2～5 cm更高分辨率的成果，對(duì)應(yīng)的飛行的高度只有100～200 m，無人機(jī)的飛行安全也難以保障(圖1)。

圖1 自動(dòng)適應(yīng)地形起伏

MAVinci Desktop軟件將自動(dòng)考慮地形變化，生成的飛行計(jì)劃根據(jù)地形變化自動(dòng)調(diào)整航高，確保設(shè)計(jì)的地面采樣距離GSD和重疊度保持不變，同時(shí)也保障了飛行安全。

2)手拋式的起飛

現(xiàn)場(chǎng)飛行采用全自動(dòng)的手拋起飛模式，不需要使用發(fā)射架、彈力繩、人員助跑等任何其他輔助措施即可完成起飛。手持天狼星，開啟引擎后，無人機(jī)即可起飛升空。起飛后提供全自動(dòng)、全手動(dòng)和自動(dòng)駕駛輔助3種著陸控制模式。全自動(dòng)模式下不需要任何的人工干預(yù)，無人機(jī)將按照指定的位置和著陸方向完成著陸。全手動(dòng)模式下操控手擁有對(duì)無人機(jī)完整的控制，基于操控手的經(jīng)驗(yàn)和判斷，可以充分抵御自然環(huán)境以及障礙物的影響，在復(fù)雜環(huán)境下完成著陸。而自動(dòng)駕駛輔助模式則是介于全自動(dòng)和全手動(dòng)之間的狀態(tài)，這種模式下，無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定交由自動(dòng)駕駛模塊控制，操控手只需要通過上下左右4個(gè)方向來控制無人機(jī)飛行，這樣既實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)的完整控制，又降低了對(duì)操控手的要求(圖2)。

圖2 手拋式起飛

3)露天礦采剝量計(jì)算結(jié)果

使用天狼星無人機(jī)對(duì)露天礦山1 km2地形進(jìn)行掃描，耗時(shí)30 min，為了計(jì)算露天礦山的開挖方量，本文選擇無人機(jī)配套軟件對(duì)航拍航影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并生成三維地表模型，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以高程為0值的地表為參考面，計(jì)算第一次飛行數(shù)據(jù)和第二次飛行數(shù)據(jù)的體積總量，兩次飛行數(shù)據(jù)相減計(jì)算開挖量，挖方為：93915.33 m3，填方為153.26 m3，如圖3所示。

圖3 計(jì)算開挖方量

3 采場(chǎng)掃描及出礦量計(jì)算

1)現(xiàn)場(chǎng)掃描

本文選擇某礦山4650中段1#空區(qū)、2#空區(qū)、3#空區(qū)、4#空區(qū)、5#空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描。選擇好掃描地點(diǎn)后，對(duì)BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的掃描主機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，利用鈦合金延長桿輸送掃描主機(jī)探入到空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描。圖4為現(xiàn)場(chǎng)組裝的情況。

2)空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)三維激光掃描

完成設(shè)備組裝后，通過BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)配套掃描軟件配置掃描參數(shù)，包括掃描方式、掃描分辨率等信息，設(shè)置完掃描參數(shù)后，掃描軟件將自動(dòng)連接掃描主機(jī)并對(duì)空區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，直到完成空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作，空區(qū)具體掃描結(jié)果如圖5所示。

3)空區(qū)出礦量計(jì)算

通過對(duì)4650中段各空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，可以利用三維激光掃描儀配套軟件對(duì)各個(gè)空區(qū)參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，空區(qū)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 安裝固定式三維激光掃描儀

圖5 空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

表1 4650中段空區(qū)參數(shù)表

4 井巷工程掃描及掘進(jìn)量計(jì)算

手持式三維激光掃描儀是一套獨(dú)立的、輕重量的和低成本的實(shí)時(shí)定位與3D場(chǎng)景重構(gòu)設(shè)備，其集成了先進(jìn)的3D激光雷達(dá)和高精度的IMU(慣性測(cè)量單元)，并配合實(shí)時(shí)三維激光SLAM算法，無需GPS等外界輔助定位，即可實(shí)時(shí)輸出周圍空間三維點(diǎn)云及設(shè)備位置姿態(tài)等數(shù)據(jù)。手持式三維激光掃描儀輕巧、便攜的特點(diǎn)使其在使用方式上具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1)現(xiàn)場(chǎng)掃描

由于手持式三維激光掃描儀組裝方便、邊走邊掃描的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)直接攜帶設(shè)備前往某礦山地下巷道進(jìn)行掃描，耗時(shí)10 min完成了長約400 m的巷道掃描，掃描過程可實(shí)時(shí)獲取掃描的數(shù)據(jù)(圖6)。

2)掃描結(jié)果

使用手持式三維激光掃描儀快速獲取巷道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常真實(shí)地反應(yīng)了巷道的真實(shí)形態(tài)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上三維重建快速獲取巷道三維實(shí)體模型，在三維模型實(shí)體基礎(chǔ)上可整體計(jì)算巷道體積，同時(shí)可分段計(jì)算巷道體積用于巷道快速掘進(jìn)驗(yàn)收(圖7、圖8)。

圖6 手持式三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)掃描

圖7 巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖8 部分巷道模型體積

5 結(jié)論

礦山采掘(剝)量驗(yàn)收是用來衡量采掘(剝)作業(yè)效果的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。本文采用了目前主流的測(cè)繪產(chǎn)品，包括無人機(jī)、固定式三維激光掃描儀、手持式三維激光掃描儀對(duì)礦山進(jìn)行全面的掃描和采掘量驗(yàn)收，測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量精度高，設(shè)備操作簡(jiǎn)單、降低了測(cè)繪人員現(xiàn)場(chǎng)工作難度，因此采用無人機(jī)、固定三維激光式掃描儀、手持式三維激光掃描儀的綜合驗(yàn)收方法值得向礦山進(jìn)一步推廣。