临矿集团里彦煤矿 山东邹城 273517
摘要：近年来，基于三维激光扫描技术的煤矿井架变形分析问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了其数据的采集及处理，并结合相关实践经验，分别从井架横梁变形分析等多个角度与方面就其实例的应用展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：三维激光扫描；煤矿；井架；变形分析
1前言
作为煤矿井架变形分析中的一项重要方面，对三维激光扫描技术的应用极为关键。该项课题的研究，将会更好地提升对三维激光扫描技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化煤矿井架变形分析工作的最终整体效果。
2概述
煤矿井架作为煤矿重要生产设施，承担着煤矿人员和物质的运输任务，井架的安全状况直接关系到煤矿生产和人员安全。井架长期负重并且遭受各种自然因素的侵蚀，会产生变形。利用三维激光扫描技术对井架进行精细扫描，获得的点云数据包含井架的全部信息，利用这些信息可以分析井架变形量，建立其三维模型用于成果展示及以后改建做准备。
3数据采集及处理
3. 1 外业数据采集
对井架的各个主要部位如井架四个支柱的墩位及井架顶部的滑轮和转角点等进行高精度扫描，保证获得井架最全面的信息。数据采集时需要注意，必须保证两站之间有三个以上的共同标靶，确保后期扫描点云的顺利拼接。其次，在进行标靶扫描时，必须尽可能地瞄准标靶的中心，防止扫描仪与标靶之间的物体的干扰，影响后期的配准。最后，对采集到的数据必须进行现场分析，实时检验采集到的数据是否满足要求。
3.2 内业数据处理
3． 2． 1 点云预处理
首先，下载并导入扫描数据，生成激光点云。然后，内业点云数据检查和分析，及时发现错误并修正，为各站数据成功拼接做准备。其次，创建Ｒegistration，拼接点云数据，计算拼接精度，并生成点云模型空间。最后，对数据进行滤波去噪、分割和压缩，统一化点云，模型质量分析，建立三维模型。
3. 2． 2 数据的提取与分析
首先，进行平面拟合和提取特征点、特征线，并对其坐标值和方向向量进行变化分析，进行特征点提取时，由于井架钢结构较多，特征点主要选择在承重结构上，如井架的四个支架上，利用高精度扫描得到的点云数据量相对较大，直接提取精度不高，可以利用点云拟合功能拟合出支架平面，利用平面相交来提取特征线和特征点。然后，利用提取的特征点和特征线，分析沉降与变形的情况和原因，总结出井架各结构部分沉降与变形的一般规律，初步预测井架未来的变化趋势。
4 实例应用与分析
为了更加清晰的表达三维扫描技术在煤矿井架变形上的应用，本文选取了某矿矿区井架作为试验对象，利用三维激光扫描仪进行数据采集，并对采集的数据进行了处理分析。
4. 1 井架横梁变形分析
以某矿为例: 试验中将井架的各主要横梁进行编号。如图1 所示: 由下往上，由南到北，从东到西，对11 个横梁结构进行了编号，各横梁的四个角点又依照东南－ 西南－ 东北－ 西北的顺序编号为abcd，B代表是特征点，故B1a 即为底部南侧横梁的东南角点。总共提取横梁角点34 个。将两期的三维坐标进行对比，求得两期的变化值。同时，将所有角点与同一点的距离进行对比，分析两期数据的变化量。由于数据量较大，选取具有代表性的三根横梁进行分析，两期数据的变化情况如表1 所示。
从以上数据可以看出，两期架腿倾角的变化值中，最大误差为52″，最小误差为2″，2 号架腿上部第二期由于物体遮挡，采集的数据量不足，因此不予考虑。井架4 个架腿上表面与地面的夹角较架腿下表面与地面夹角大2． 5°左右，原因是井架上部结构与下部结构不同。3 号架腿下部和上部的四条边线斜率有显著差异。
根据以上分析可以得出，井架1 号、2 号架腿变形较小，井架3 号、4 号架腿变形情况较严重，井架整体有向南偏移的趋势。
4.3 生成井架模型
利用cyclone 软件中各种钢结构模型对点云进行拟合，精确地建立井架的钢结构模型。然后将拟合好的钢结构模型导入到sketchup 中，利用其划线，推拉等功能，对井架剩余部分及其周围环境进行建模，建立完模型之后利用采集到的照片制作成纹理，附到模型上，然后通过渲染就能得到与真实效果相近的井架模型。利用得到的模型，可以将其与GIS相结合，建立WebGIS 就能够在网络上对齐进行浏览，量测等操作。本文主要结合实际，讲解了运用三维扫描技术进行矿区井架变形分析的方法，详细研究了井架特征点以及特征线的提取与分析问题。该方法中仍存在一些问题，由于井架的高度问题以及障碍物的阻挡，造成井架的所有结构无法完整的呈现出来。此外，工作中的井架受到力的作用，影响了采集数据的精确度。在以后的工作中，需要进行进一步的研究。
5结束语
综上所述，加强对基于三维激光扫描技术的煤矿井架变形分析问题的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的煤矿井架变形分析过程中，应该加强对三维激光扫描技术关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献：
［1］ 刘云广． 基于地面三维激光扫描技术的变形监测数据处理［D］． 北京建筑大学. 2017（11）：60-62.
［2］ 李仁忠，刘洁． 三维激光扫描技术在高层建筑变形监测中的应用［J］． 重庆建筑. 2017（01）：115-116.
［3］ 党晓斌． 三维激光扫描技术在建筑物形变监测中的应用研究［D］． 西安: 长安大学. 2016（21）：88-89.
论文作者:徐正喜
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/6
标签：井架论文; 数据论文; 煤矿论文; 激光论文; 模型论文; 横梁论文; 特征论文; 《防护工程》2017年第28期论文;