CN114429516A - 一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，包括以下几个步骤：S1.利用三维激光扫描仪对待建模巷道掘进面进行扫描，获得巷道掘进面和前端巷道的点云数据A，并对点云数据A进行处理，构建基准三维激光模型；S2.爆破采装作业循环；S3.利用三维激光扫描仪对爆破循环采装后的新掘进面及巷道进行扫描，获得巷道新掘进面和前端巷道的点云数据B，并对点云数据B进行处理，构建三维循环激光模型；S4.掘进量进行采装。其有益效果是：采用三维激光扫描获取出渣结束后掘进面的点云数据，建立基准三维激光模型的三维激光循环模型，通过两次模型差值自动计算爆破进尺和掘进方位，且验收结果精准。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法。
背景技术
巷道掘进是地下矿山开采中极其重要的环节。巷道掘进通常采用爆破的方式进行，每一个爆破作业循环分为设计-凿岩-装药-爆破-出渣-支护-验收等工序。其中，爆破掘进的验收不仅关系到当前爆破循环的实际进尺，验收结果精准与否更直接影响下一循环的爆破设计工作。验收工作的包括爆破进尺、掘进面平整度等内容。
当前，爆破掘进的进尺主要使用全站仪，需要至少两人配合使用，且测站操作复杂。而爆破掘进面平整度、顶底板超欠挖等情况只能由人眼观察，自动化程度低，且测量结果精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可减少人为操作，既降低了工人劳动强度，又提高了验收结果的准确性的基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法。为达成上述目的，本发明提供了一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，主要包括以下几个步骤：
S1.将三维激光扫描仪设置在掘进面后端3～5m巷道中央，在三维激光扫描仪与掘进面之间的巷道边帮喷涂三个空间不共线的黑白棋盘格特征标识，利用三维激光扫描仪对待建模巷道掘进面进行扫描，获得巷道掘进面和前端巷道的点云数据A，并对点云数据A进行处理，构建基准三维激光模型；
S2.爆破采装作业循环；
S3.利用三维激光扫描仪对爆破循环采装后的新掘进面及巷道进行扫描，获得巷道新掘进面和前端巷道的点云数据B，并对点云数据B进行处理，构建三维循环激光模型；
S4.掘进量进行采装。
优选地，所述的步骤S1中对点云数据A进行处理包含以下步骤：
S1.1采用三维激光扫描仪扫描；
S1.2对三维激光扫描仪扫描得到的点云数据A进行去噪和抽稀；
S1.3将去噪和抽稀后的点云数据A输出Excel数据表，数据；
内容为点的编号与其空间坐标；
处理后的点云数据A进行所构建的三维激光模型称为基准三维激光模型。
优选地，所述的步骤S3包含以下步骤：
S3.1爆破采装作业循环后使用三维激光扫描仪在原位置对新的掘进面及前端巷道进行再次扫描，获取点云数据B；
S3.2对激光扫描仪扫描得到的点云数据B进行去噪、抽稀；
S3.3将去噪、抽稀后的点云数据B输出Excel数据表，获得数据内容为点的编号与其空间坐标。
优选地，步骤S4掘进量采装包含以下步骤：
S4.1以特征标识为基点，将基准三维激光模型与三维循环激光模型进行对齐；
步骤S4.1模型对齐采用如下方法：在扫描的点云数据A或点云数据B中，坐标原点为扫描仪光心，设其坐标为O，则点O的坐标为(0,0,0)，光心坐标系为O-xyz，扫描点云中某点P的坐标为Po(xo,yo,zo)，三个特征标识中心点在光心坐标系中的坐标分别为M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，M3(x3,y3,z3)，则空间三角形M1M2M3的重心坐标G的坐标可计算为x＝(x1+x2+x2)/3，y＝(y1+y2+y2)/3，z＝(z1+z2+z2)/3，将坐标原点由点O平移向点G，平移向量为
则扫描点云中某点P坐标更新为以点G为坐标原点的坐标为PG(xo+x,yo+y,zo+z),将每次扫描点云坐标均以M1M2M3的重心G为原点进行更新，更新后的点G坐标为(0,0,0)，新坐标系为G-xyz，则完成了不同模型的对齐；
S4.2计算当前爆破循环的进尺，步骤如下：
在第n次爆破作业循环后，将循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0对齐，在Excel数据表中以新坐标系G-xyz将点的坐标进行更新，取平面x＝0切割Modeln与Model0，得到掘进面交线Ln与L0，在Excel数据表中做如下计算：
①分别在对齐后的循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0中寻找x＝0的点的集合{Pn}和{P0}，该集合中包含交线Ln与L0上的点和平面x＝0与巷道顶板底板交线上的点，需要进一步筛选；
②在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标最大的点
和
其z坐标值为zn和z0；
③考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，故在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标值的范围为zn±0.2和z0±0.2，便可过滤掉集合{Pn}和{P0}中平面x＝0与巷道顶底板交线上的点，得到交线Ln与L0上的点
及
m和k分别为交线Ln与L0上交点的数量；
④设基准激光模型中初始掘进深度为d0，则
第n次爆破循环后的掘进深度为dn，则
相应地，该次爆破循环的进尺为D＝dn-dn-1；
S4.3计算当前爆破循环的掘进面平整度，步骤如下：
其计算平整度的过程如下：在第n次爆破循环中，以步骤S4.2计算所得新掘进深度dn作垂直于平面x＝0的平面z＝dn，以平面z＝dn作为当前掘进面的设计掘进面，对点云数据B表中做如下计算：
①考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，因此，在点云数据B表中选取所有z坐标为dn±0.2的点的集合，即为掘进面内所有点的集合{P}；
②将集合{P}中点的z坐标与dn进行如下计算，定义为掘进面平整度：
其中，w为集合{P}内节点数，zi为集合{P}节点的z坐标，δ为掘进面平整度，δ值越小，则平整度越高；
S4.4对照当前爆破循环的进尺、掘进面平整度与爆破设计是否相符，符合设计则返回步骤S2，不符合设计则对爆破参数进行优化。
优选地，所述黑白棋盘格尺寸为10×10cm。
本发明的有益效果是：采用三维激光扫描获取出渣结束后掘进面的点云数据A，建立基准三维激光模型，在下一循环出渣结束后，再获取一次掘进面点云数据B，并建立三维激光循环模型，通过两次模型差值自动计算爆破进尺和掘进方位，减少人为操作，既可以降低矿工劳动强度，又提供精准的采装结果。
附图说明
图1是一种基于三维激光建模的巷道掘进爆破采装方法流程图。
图2是采装方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
参照图1和图2，本发明的一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法包括以下几个步骤：
S1.将三维激光扫描仪设置在掘进面后端3～5m巷道中央，在三维激光扫描仪与掘进面之间的巷道边帮喷涂三个空间不共线的黑白棋盘格特征标识，所述黑白棋盘格尺寸为10×10cm，利用三维激光扫描仪对待建模巷道掘进面进行扫描，获得巷道掘进面和前端巷道的点云数据A，并对点云数据A进行处理，构建基准三维激光模型；
所述的步骤S1中对点云数据A进行处理包含以下步骤：
S1.1采用三维激光扫描仪扫描；
S1.2对三维激光扫描仪扫描得到的点云数据A进行去噪和抽稀；
S1.3将去噪和抽稀后的点云数据A输出Excel数据表，数据；
内容为点的编号与其空间坐标；
处理后的点云数据A进行所构建的三维激光模型称为基准三维激光模型。
S2.爆破采装作业循环；
S3.利用三维激光扫描仪对爆破循环后的新掘进面及巷道进行扫描，获得巷道新掘进面和前端巷道的点云数据B，并对点云数据B进行处理，构建三维循环激光模型；
所述的步骤S3包含以下步骤：
S3.1爆破采装作业循环后使用三维激光扫描仪在原位置对新的掘进面及前端巷道进行再次扫描，获取点云数据B；
S3.2对激光扫描仪扫描得到的点云数据B进行去噪、抽稀；
S3.3将去噪、抽稀后的点云数据B输出Excel数据表，获得数据内容为点的编号与其空间坐标。
根据本发明，每一次进行扫描前均应完全出渣，且扫描范围内无杂物。
根据本发明，依三维激光扫描仪有效量程50m，特征标识在10个爆破采装循环或掘进进尺达到50m时，应在新的掘进面前端巷道重新喷涂，重新喷涂后构建新一轮的基准三维激光模型。
根据本发明，每个爆破采装循环后进行扫描后构建的构建三维激光模型称为三维循环激光模型，扫描仪位置应与三维基准激光型模位置应相对固定。
S4.掘进量进行采装
步骤S4掘进量采装包含以下步骤：
S4.1以特征标识为基点，将基准三维激光模型与三维循环激光模型进行对齐；
步骤S4.1模型对齐采用如下方法：在扫描的点云数据A或点云数据B中，坐标原点为扫描仪光心，设其坐标为O，则点O的坐标为(0,0,0)，光心坐标系为O-xyz，扫描点云中某点P的坐标为Po(xo,yo,zo)，三个特征标识中心点在光心坐标系中的坐标分别为M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，M3(x3,y3,z3)，则空间三角形M1M2M3的重心坐标G的坐标可计算为x＝(x1+x2+x2)/3，y＝(y1+y2+y2)/3，z＝(z1+z2+z2)/3，将坐标原点由点O平移向点G，平移向量为
则扫描点云中某点P坐标更新为以点G为坐标原点的坐标为PG(xo+x,yo+y,zo+z),将每次扫描点云坐标均以M1M2M3的重心G为原点进行更新，更新后的点G坐标为(0,0,0)，新坐标系为G-xyz，则完成了不同模型的对齐；
S4.2计算当前爆破循环的进尺，步骤如下：
在第n次爆破作业循环后，将循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0对齐，在Excel数据表中以新坐标系G-xyz将点的坐标进行更新，取平面x＝0切割Modeln与Model0，得到掘进面交线Ln与L0，在Excel数据表中做如下计算：
①分别在对齐后的循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0中寻找x＝0的点的集合{Pn}和{P0}，该集合中包含交线Ln与L0上的点和平面x＝0与巷道顶板底板交线上的点，需要进一步筛选；
②在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标最大的点
和
其z坐标值为zn和z0；
③考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，故在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标值的范围为zn±0.2和z0±0.2，便可过滤掉集合{Pn}和{P0}中平面x＝0与巷道顶底板交线上的点，得到交线Ln与L0上的点
及
m和k分别为交线Ln与L0上交点的数量；
④设基准激光模型中初始掘进深度为d0，则
第n次爆破循环后的掘进深度为dn，则
相应地，该次爆破循环的进尺为D＝dn-dn-1；
S4.3计算当前爆破循环的掘进面平整度，步骤如下：
其计算平整度的过程如下：在第n次爆破循环中，以步骤S4.2计算所得新掘进深度dn作垂直于平面x＝0的平面z＝dn，以平面z＝dn作为当前掘进面的设计掘进面，对点云数据B表中做如下计算：
①考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，因此，在点云数据B表中选取所有z坐标为dn±0.2的点的集合，即为掘进面内所有点的集合{P}；
②将集合{P}中点的z坐标与dn进行如下计算，定义为掘进面平整度：
其中，w为集合{P}内节点数，zi为集合{P}节点的z坐标，δ为掘进面平整度，δ值越小，则平整度越高；
S4.4对照当前爆破循环的进尺、掘进面平整度与爆破设计是否相符，符合设计则返回步骤S2，不符合设计则对爆破参数进行优化。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，其特征在于，主要包括以下几个步骤：
S1.将三维激光扫描仪设置在掘进面后端3～5m巷道中央，在三维激光扫描仪与掘进面之间的巷道边帮喷涂三个空间不共线的黑白棋盘格特征标识，利用三维激光扫描仪对待建模巷道掘进面进行扫描，获得巷道掘进面和前端巷道的点云数据A，并对点云数据A进行处理，构建基准三维激光模型；
S2.爆破采装作业循环；
S3.利用三维激光扫描仪对爆破循环后的新掘进面及巷道进行扫描，获得巷道新掘进面和前端巷道的点云数据B，并对点云数据B进行处理，构建三维循环激光模型；
S4.掘进量进行采装。
2.根据权利要求1所述的基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，其特征在于：所述的步骤S1包含以下步骤：
S1.1将三维激光扫描仪设置在掘进面后端3～5m巷道中央，在三维激光扫描仪与掘进面之间的巷道边帮喷涂三个空间不共线的黑白棋盘格特征标识，对待建模巷道掘进面进行扫描，获取该巷道掘进面及前端巷道的点云数据A；
S1.2对三维激光扫描仪扫描得到的点云数据A进行去噪和抽稀；
S1.3将去噪和抽稀后的点云数据A输出Excel数据表，数据内容为点的编号与其空间坐标；
第一次扫描所构建的三维激光模型称为基准三维激光模型。
3.根据权利要求1所述的基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，其特征在于：所述的步骤S3包含以下步骤：
S3.1爆破作业循环后使用三维激光扫描仪在原位置对新的掘进面及前端巷道进行扫描，获取点云数据B；
S3.2对激光扫描仪扫描得到的点云数据B进行去噪、抽稀；
S3.3将去噪、抽稀后的点云数据B输出Excel数据表，获得数据内容为点的编号与其空间坐标。
4.根据权利要求1所述的基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，其特征在于：步骤S4掘进量采装包含以下步骤：
S4.1以特征标识为基点，将基准三维激光模型与三维循环激光模型进行对齐；
步骤S4.1模型对齐采用如下方法：在扫描的点云数据A或点云数据B中，坐标原点为扫描仪光心，设其坐标为O，则点O的坐标为(0,0,0)，光心坐标系为O-xyz，扫描点云中某点P的坐标为Po(xo,yo,zo)，三个特征标识中心点在光心坐标系中的坐标分别为M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，M3(x3,y3,z3)，则空间三角形M1M2M3的重心坐标G的坐标可计算为x＝(x1+x2+x2)/3，y＝(y1+y2+y2)/3，z＝(z1+z2+z2)/3，将坐标原点由点O平移向点G，平移向量为
则扫描点云中某点P坐标更新为以点G为坐标原点的坐标为PG(xo+x,yo+y,zo+z)。将每次扫描点云坐标均以M1M2M3的重心G为原点进行更新，更新后的点G坐标为(0,0,0)，新坐标系为G-xyz，则完成了不同模型的对齐。
S4.2计算当前爆破循环的进尺，步骤如下：
在第n次爆破作业循环后，将循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0对齐，在Excel数据表中以新坐标系G-xyz将点的坐标进行更新。取平面x＝0切割Modeln与Model0，得到掘进面交线Ln与L0，在Excel数据表中做如下计算：
①分别在对齐后的循环激光模型Modeln与基准激光模型Model0中寻找x＝0的点的集合{Pn}和{P0}，该集合中包含交线Ln与L0上的点和平面x＝0与巷道顶板底板交线上的点，需要进一步筛选；
②在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标最大的点
和
其z坐标值为zn和z0；
③考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，故在{Pn}和{P0}中分别选取z坐标值的范围为zn±0.2和z0±0.2，便可过滤掉集合{Pn}和{P0}中平面x＝0与巷道顶底板交线上的点，得到交线Ln与L0上的点P1 n,
及P1 0,
m和k分别为交线Ln与L0上交点的数量；
④设基准激光模型中初始掘进深度为d0，则
第n次爆破循环后的掘进深度为dn，则
相应地，该次爆破循环的进尺为D＝dn-dn-1。
S4.3计算当前爆破循环的掘进面平整度，步骤如下：
其计算平整度的过程如下：在第n次爆破循环中，以步骤S4.2计算所得新掘进深度dn作垂直于平面x＝0的平面z＝dn，以平面z＝dn作为当前掘进面的设计掘进面，对点云数据B做如下计算：
①考虑到掘进爆破中常采用浅孔爆破，其超欠挖深度一般不超过0.2m，因此，在点云数据B中选取所有z坐标为dn±0.2的点的集合，即为掘进面内所有点的集合{P}；
②将集合{P}中点的z坐标与dn进行如下计算，定义为掘进面平整度：
其中，w为集合{P}内节点数，zi为集合{P}节点的z坐标，δ为掘进面平整度，δ值越小，则平整度越高。
S4.4对照当前爆破循环的进尺、掘进面平整度与爆破设计是否相符，符合设计则返回步骤S2，不符合设计则对爆破参数进行优化。
5.根据权利要求2所述的基于三维激光建模的巷道掘进面爆破采装方法，其特征在于：所述黑白棋盘格尺寸为10×10cm。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114998338A (zh) * | 2022-08-03 | 2022-09-02 | 山西阳光三极科技股份有限公司 | 一种基于激光雷达点云的矿山开采量计算方法 |
| CN117288115A (zh) * | 2023-11-23 | 2023-12-26 | 中信重工开诚智能装备有限公司 | 一种基于激光点云的巡检机器人巷道形变检测方法 |
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2022
- 2022-03-29 CN CN202111599730.4A patent/CN114429516A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114998338A (zh) * | 2022-08-03 | 2022-09-02 | 山西阳光三极科技股份有限公司 | 一种基于激光雷达点云的矿山开采量计算方法 |
| CN117288115A (zh) * | 2023-11-23 | 2023-12-26 | 中信重工开诚智能装备有限公司 | 一种基于激光点云的巡检机器人巷道形变检测方法 |
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