三维激光扫描测量技术在矿山精矿盘点中的应用
时间：2022-12-04 10:00:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
蔡 璋
（江西铜业股份有限公司城门山铜矿，江西 九江 332100）
精矿粉是矿山企业的主要产品之一，其中铜、硫等精矿量库存［1］是企业流动资产的重要组成部分。作为矿山企业生产经营活动的基础工作之一的精矿库存管理、金属平衡管理的重要性不言而喻。提高矿山库存盘点的准确性，是金属平衡精细化管理、生产作业正常运行和经营活动顺利展开的必要条件之一，也是矿山企业越来越高的成本管控需要。
城门山铜矿智能化矿山建设已初具规模。在智能化矿山建设实践中应用了多项国内外领先的技术与装备，其中长测距高精度三维激光扫描测量技术［2］在爆堆扫描与边坡监测应用中已取得较好的成效。通过对该技术的分析研究，认为该技术在精尾工段铜硫精矿库存量盘点测算场景下，具有较高的应用价值。特别是在测区恶劣的作业环境下，仍能保持很高的精矿盘点精度，保障了盘点结果的准确性、测量的高效性以及施测人员操作的安全性。
2.1 传统精矿仓盘点方法简介
矿山企业精矿仓一般设置在压滤机、过滤机等下方的出料口。矿仓一般设置为半敞开式长方体，以避免精矿流失。矿仓尺寸根据压滤、过滤设备的处理规模、外运规模等情况设置。矿仓内物料通过行车进行调配、平整和吊装等操作。
矿山企业精矿盘点传统方法有多种。（1）在精度要求不高的情况下，可采用经验法或目测估算法，通过肉眼观察，估算精矿在库存中大致的空间占有率，快速得出库存结果。（2）根据台班作业量和外运车数大致计算库存量。（3）现场测量法。作业人员下到矿仓边缘，使用皮尺、测距仪等测量精矿尺寸，然后通过计算得出库存量。由于现场施测环境有一定的危险性，安全系数［3］较低，所以该方法对现场测量人员来说存在安全隐患。（4）采用全站仪测量矿仓特征点，测算精矿体积。受制于度量尺度及特征点数量等因素，这些方法的盘点测算精度都不高。
2.2 三维激光扫描精矿盘点方法与流程
三维激光扫描精矿盘点流程如图1所示。先使用三维激光扫描仪对空仓进行扫描测量，得到空仓时的三维模型；
待矿仓库存达到一定量后进行二次测量，得到精矿堆积后的表面三维模型；
最后叠加两期模型，高效获取精矿的精确库存量。
图1 盘点测量流程图
2.3 数据后处理流程
2.3.1 数据导入与数据配准
将三维激光扫描仪测量的原始数据导入点云处理软件，并在新建窗口中显示数据。在数据配准中，根据测站与测量对象之间的距离确定配准范围，并通过智能抽样、过滤提高配准效率，如图2所示。数据配置采用全局匹配方式，该方式是对测量数据进行全局配准，根据全局的叠加，确保点位配准精度。操作中应尽可能选择相对较多的重叠区域，提高全局匹配的精度。
图2 全局配准
2.3.2 数据噪点处理
主要是对矿仓区的粉尘、结构物、人员、车辆及其他设备等影响模型建立的噪点进行过滤，如图3所示。采用的过滤方法包括粉尘过滤、独立点过滤、地形过滤、最小间隔过滤等方法，其中地形过滤较为实用。
图3 噪点过滤
2.3.3 模型建立
通过地形三角网建立地表模型，裁剪边界三角形宜为20m，确保测量区域点均能生成模型，见图4。对模型进行简易处理，特别是模型局部存在峰状时需要消峰处理。
图4 建立模型图
2.3.4 体积计算
在查询界面中选择表面体积［4］板块，导入两期表面模型，设置相应的精矿粉比重，自动生成表面体积和重量，并根据需要导出报表，如图5所示。
图5 体积计算结果图
3.1 存在的难题
（1）扫描仪安装条件［5］差。一是三维激光扫描仪下部支撑构件三脚架的架设条件差。矿仓内可供架设三脚架的区域多为钢板楼梯，不便于稳定支撑脚架，且钢板楼梯区域受作业影响，易发生上下振动变形，影响数据测量精度。二是受矿仓各种结构构件影响，作业区通视条件差。三是扫描仪最大仰角为40°、最大俯角60°，扫描时正下方区域局部存在盲区，而作业位置难以调整。因此，需要多次架站、多次搬运，影响作业效率。
（2）矿仓生产作业时，会出现大量粉尘，影响物料空间形态。粉尘主要来自于压滤机、过滤机下料作业时，大量精矿在下料和碰撞过程中产生的悬浮性粉尘，还来自于行车抓斗吊装过程中的侧漏等。
（3）矿仓除了新建时具备空仓条件外，一旦进入生产运行阶段，难以达到空仓条件。一是矿仓内物料向外倒运时，难以通过抓斗全面抓空，导致矿仓内会一直留存较多物料。二是矿仓尺寸不是严格的长方体形态，为方便压滤机等设备下料，局部外凸，这也是抓斗的盲区，抓斗无法到该区域进行作业，导致物料留存，影响矿仓物料库存盘点精度。
3.2 解决方法
（1）重构矿仓空仓模型。准确的矿仓尺寸是保证测量精确度的前提，在空仓条件难以具备的情况下，通过人工，合理构建相对符合实际的矿仓模型，见图6。
图6 重建矿仓模型
（2）优化扫描仪测量支架构件。通过调整传统的三脚架架设仪器方案，将水平架设测量改为吊装倾斜测量。优化扫描仪支架的吊装角度，规避扫描仪的固有盲区［6］，克服矿仓建筑结构影响。通过倾斜测量实现精矿物料堆积数据一站式高效扫描测量，如图7所示。
图7 倾斜测量支架结构及测量示意图
（3）优化扫描测量流程。通过倾斜测量得到的点云数据为非标准数据，存在一定的倾斜角度，若直接以标准面和尺寸来测算体积，易出现测算结果线性偏大或者偏小的情况。因此，在重构矿仓尺寸并建立新模型时，通过与常规水平架设扫描的测量数据进行配准，纠正其倾斜偏差。根据三维激光扫描测量特点，建立基准模型，通过流程化管理，实现精矿库存量盘点工作自动化。
三维激光扫描测量技术应用于精矿盘点的效果主要有：
（1）盘点效率高。与传统人工丈量的方式相比，三维激光扫描测量速度更快。尤其是在矿仓物料堆积成多种不同形态的情况下，采用人工丈量需要分区、分块多次丈量，且需要多次复核，而采用三维激光扫描可一次性扫描全部物料堆。三维激光扫描法对矿仓进行360°全景扫描仅需4min/次，针对料堆范围扫描只需1min/次，即使加上测量装置的安装、拆卸10min，测量作业时间总计15min。
（2）盘点准确性好。从数据扫描精度来看，扫描测距精度为5mm；
从测量频率来看，以2档为例，100m处测量点间距为厘米级，且在各种堆积形态下均能保证一定的测点密度，能够刻画更细腻的形态特征。相对人工丈量，三维激光扫描的数据代表性更强，建立的模型更精确。
（3）安全操作程度高。人工丈量需人员进入矿仓内部，容易发生摔伤、磕碰等事故，且矿仓内高浓度粉尘也可能危害操作人员身体健康。三维激光扫描技术为非接触式测量，仅需在矿仓上部进行仪器安装、拆卸和测量，操作过程安全程度高。
（4）盘点便捷性好。三维激光扫描点云数据处理软件自动化程度高，体积测算简单高效，测量装置每次架设的位置基本一致，可自动匹配初始位置。数据测算过程中，模型建立后的体积计算能完全自动处理，生成计算结果报表，并可通过软件编程生成固定的作业流程，实现一键式处理。
通过创新三维激光扫描倾斜测量方式、优化精矿盘点扫描测量流程等一系列工作，提升了三维激光扫描测量技术在矿山精矿盘点中的应用效果，实现了精矿盘点作业的精细化、便捷化和流程化，进一步提升了矿山精矿仓储的盘点水平。
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