矿山地质测绘中三维激光扫描技术的采空区形态建模及稳定性评价技术分析

一、引言

采空区是矿山开采过程中形成的地下空间，其形态复杂且易发生垮塌、沉降等地质灾害，严重威胁矿山生产安全与周边环境稳定。准确获取采空区的空间形态参数，科学评价其稳定性，是矿山灾害预警、资源回收及工程决策的关键前提。传统采空区测绘依赖全站仪、水准仪等设备，存在作业效率低、数据覆盖面有限、人员安全风险高等问题，尤其在深井、复杂形态采空区中应用受限。三维激光扫描技术作为一种新型测绘手段，凭借非接触式测量、高精度、高效率等特点，逐渐成为矿山采空区勘查的核心技术，为采空区形态建模与稳定性评价提供了全新解决方案。

二、三维激光扫描技术原理与技术优势

2.1 基本原理

三维激光扫描技术又称 “ 实景复制技术” ，其核心原理是通过激光发射器向目标物体发射激光束，利用接收器捕捉反射光束的时间、角度及相位变化，结合激光测距原理计算出扫描点与扫描仪的空间距离，再通过多站扫描拼接，构建目标物体的三维点云模型。该技术可快速获取目标表面的海量三维坐标数据，实现对复杂结构的高精度数字化重构。在矿山采空区测绘中，常用地面固定式、手持便携式及车载式三种扫描设备，分别适用于不同规模与环境的采空区勘查。

2.2 技术优势

相较于传统测绘技术，三维激光扫描技术具有显著优势：一是非接触式测量，无需人员进入危险采空区内部，大幅降低作业安全风险；二是高精度与高密度，扫描精度可达毫米级，单点云密度最高可达每秒百万点，能精准捕捉采空区的裂隙、垮塌等细节特征；三是高效率与全覆盖，单站扫描时间通常仅需几分钟至几十分钟，可实现采空区全域数据采集，避免传统测绘的漏测问题；四是数字化呈现，生成的三维点云模型可直接用于后续分析，为稳定性评价、工程设计等提供直观数据支撑。

三、基于三维激光扫描技术的采空区形态建模流程

3.1 前期准备与数据采集

建模前期需明确采空区范围、地质条件及扫描需求，制定合理的扫描方案，包括扫描站点布设、设备参数设置及控制点布置。数据采集阶段，根据采空区大小与复杂程度，在入口、通道等安全区域布设扫描站点，确保各站点扫描范围相互重叠（重叠率不低于 20% ），以保证数据拼接精度。扫描过程中需实时监测点云质量，避免因粉尘、光照等因素导致的数据缺失，同时记录采空区的地质构造、裂隙发育等现场情况。

3.2 点云数据预处理

原始点云数据包含大量噪声点（如粉尘反射点、设备干扰点）及冗余数据，需通过预处理提升数据质量。预处理流程主要包括：一是去噪处理，采用统计滤波、半径滤波等算法剔除噪声点；二是数据精简，在保证模型精度的前提下，通过均匀采样、体素滤波等方法减少数据量，提高后续处理效率；三是点云拼接，利用控制点坐标或迭代最近点（ICP）算法，将多站点云数据融合为统一坐标系下的完整点云模型；四是坐标转换，将点云模型转换为矿山统一的工程坐标系，便于与其他地质资料对接。

3.3 三维模型构建与优化

基于预处理后的点云数据，可通过两种方式构建采空区三维模型：一是表面模型，采用三角剖分（如 Delaunay 三角剖分）算法生成采空区的表面网格模型，直观反映其外部形态；二是实体模型，结合地质边界条件与点云数据，通过布尔运算、边界建模等方法构建实体模型，可用于内部体积计算、应力分析等。模型构建后需进行优化调整，通过检查模型的完整性与光滑度，对缺失区域进行补全，对冗余网格进行简化，最终生成高精度、高可信度的采空区三维形态模型。

四、基于三维模型的采空区稳定性评价技术

4.1 形态参数提取与分析

采空区稳定性与其形态特征密切相关，基于三维模型可快速提取关键参数，包括采空区的体积、面积、跨度、高度、空顶距等几何参数，以及裂隙分布密度、垮塌区范围等结构参数。通过分析这些参数，可判断采空区的结构完整性：如高宽比大于 1.5 的采空区易发生顶板垮塌，裂隙密度超过 0.5 条 / 米的区域需重点关注。同时，通过对比不同时期的三维模型，可监测采空区的变形趋势，为动态预警提供依据。

4.2 数值模拟与力学分析

将三维模型导入 FLAC3D、ANSYS 等数值模拟软件，结合岩石力学参数（如抗压强度、弹性模量），构建采空区力学分析模型，模拟不同工况下的应力分布、位移变化及塑性区发育情况。例如，通过模拟采空区顶板的应力集中区域，预测可能发生垮塌的位置；通过分析采空区周边岩体的位移速率，判断其稳定性状态。数值模拟结果可与现场监测数据结合，提高稳定性评价的准确性。

4.3 稳定性评价指标与等级划分

综合形态参数分析与力学模拟结果，建立采空区稳定性评价指标体系，包括地质条件（岩性、构造）、形态特征（跨度、高度）、力学参数（应力集中系数、位移量）及变形速率等指标。采用层次分析法（AHP）确定各指标权重，通过综合评分将采空区稳定性划分为稳定、较稳定、欠稳定、不稳定四个等级，并针对不同等级提出相应的治理建议，如不稳定区域需及时采取充填、支护等工程措施。

五、应用挑战与发展展望

当前三维激光扫描技术在采空区应用中仍面临一些挑战：一是深井、高粉尘采空区的扫描精度易受环境干扰；二是点云数据处理与建模对软件与人员技术要求较高；三是三维模型与数值模拟软件的协同性有待提升。未来发展方向包括：研发适用于极端环境的防爆、防尘扫描设备；开发智能化数据处理软件，实现点云去噪、建模的自动化；推动三维模型与 BIM、GIS 技术的融合，构建矿山一体化安全管理平台，进一步提升采空区勘查与评价的智能化水平。

六、结论

三维激光扫描技术为矿山采空区形态建模与稳定性评价提供了高效、精准的技术手段。通过科学的 data 采集、预处理与建模流程，可实现采空区空间形态的数字化重构；基于三维模型的参数提取、数值模拟及综合评价，能够全面掌握采空区稳定性状态，为矿山灾害防治与安全决策提供可靠支撑。随着技术的不断创新与完善，三维激光扫描技术将在矿山地质测绘领域发挥更加重要的作用，助力矿山实现安全、高效、绿色开采。

参考文献

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