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竖井现状检测 — 应用产品TX8、TRW

项目背景


东北某市煤矿众多,采空区分布较密集,导致工业广场区域岩层发生滑移,形成了较为严重的潜在地质灾害,为生产安全带来隐患。其中兴安煤矿的人货两用竖井,就因为井壁变形而停产。矿务局与煤科院合作,计划对本地区地下岩层的滑移情况做出科学的评价,设计出合理的采空区回填方案,同时修复竖井使其恢复生产。

现引进三维激光扫描仪,对停工竖井进行扫描,获取竖井墙壁最真实的现状点云并计算出竖井中心点在竖直方向上的变化规律。通过对三维点云数据分析处理,可以得到丰富的数据成果,为竖井加固以及治理潜在地质灾害提供参考依据。

测量难度


  1. 竖井内部从地表到地下,温差变化大,且湿度很大。对设备的防水防尘性能要求非常高。
  2. 竖井雾气严重,能见度低。激光扫描仪的测距会大打折扣。
  3. 在扫描时,只能将仪器架在载人电梯的顶部,不太稳定。会影响静态扫描仪的精度。

TX8技术优势


速度快:  普通外业数据采集3分钟便可完成一站数据采集。
精度高:  120米范围内,最高可达1mm精度。
距离远:  对于宽广的区域,TX8扫描范围可达340米扫描测程。
自动化:  本单位专业的内业处理软件可以实现软件自动配准处理。
高兼容:  所应用的不但可以识别多种数据格式,同时还可导出Dwg、Dxf等数据格式,能够在CAD或其他软件中加载并处理。
无标靶作业:  本方案打破了传统的扫描仪作业过程使用标靶的局限,使作业更简单。

软件简介


Trimble Realworks是专为当今各种扫描专业应用来设计的、功能强大的办公软件,可从各种三维激光扫描仪导入丰富的数据并将其转换为引人注目的三维成果。

  • 配准、可视化、浏览、管理任何扫描仪点云数据
  • 管理、处理和分析大数据集
  • 无标靶自动配准,生成报告
  • 集成来自Trimble GNSS、全站仪和3D数据
  • 导出CAD设计包
  • 发布项目数据包供单独浏览、测量、注解
  • 5个版本适应不同应用场景

解决方案


应对方案

  • 对于竖井内湿度大温差大的状况,需要选择防水防尘性能比较高的设备TX8,IP54防水防尘级别且无气体交换孔,保证了设备在极端环境下的正常运行。
  • 针对竖井内部雾气严重,能见度低,适度打开风门,驱散雾气。
  • 针对电梯不稳定,为电梯安装可拆卸固定设备。

前期准备

1)定制升高脚架

我司为客户专门定制了可固定在电梯顶部的升高脚架,保证扫描仪在工作时能够有足够开阔的视野,减少电梯本身对下方竖井的遮挡。

2)电梯固定装置

对于静态扫描仪来说,一切数据的起算点是仪器的激光发射器中心,所以在扫描时需要尽最大可能保证仪器与被测场景的相对稳定性。在矿务局安排下,安装了专门的装置,可在电梯停稳后,顶住竖井两侧的井壁,减少整个电梯的晃动。

3)设备防潮装置

建议使用防雨罩,扫描仪不工作时对其进行保护。

4)靶球安放装置

竖井墙壁几何特征太少,为了保证测站的拼接精度,现场作业人员决定使用标靶球来拼接测站。在竖井墙壁每20米随机安装三个由角铁制作的靶球固定装置,并将带有磁铁的靶球放置上去。

靶球固定位置,和靶球固定装置设计

扫描流程

  1. 从竖井下560米开始扫描,往上每隔20米一站,保证每一站都能扫描到上方3个靶球和下方3个靶球。雾气浓时可以10米一站。
  2. 扫描档位:采用TX8Level1级别,每站2分钟,快速完成扫描,减少单个测站的数据误差。
  3. 环境参数:建议每隔200米高程,测定一次温度并输入仪器,TX8可以自动计算出激光改正参数。
  4. 仪器整平:先在下方将仪器精确整平,然后再缓慢升高脚架,TX8能够将粗略整平的测站自动改正成精确水平测站。

原始点云处理

数据处理使用Trimble RealWorks(以下简称TRW)能够快速完成原始点云数据的拼接、坐标系转换、去噪等预处理。并生成网格模型,断面图等数据成果。最后完成竖井中心偏移量的计算。

1)将原始数据从U盘拷贝出来(42个测站,5GB)。按照空间取样1cm的参数建立测站点云。使用自动提取目标并配准的方式完成测站拼接;

基于目标的测站拼接

2)利用井下560米的三个控制点和地面的三个控制点完成地理坐标系转换。

地理坐标转换残差值

3)点云数据编辑。去噪、抽稀:生成纯净的竖井墙壁点云。

竖井点云

4)将点云转化成高精度三角网模型。

竖井网格模型

5)使用TRW的断面创建工具,批量生成竖井横断面。

竖井断面图

6)依据点云断面拟合出不同标高处的竖井圆柱,并提取出圆柱的中心作为竖井中心点。对竖井中心的偏移进行离散分析。

竖井中心离散分析
竖井中心离散分析

7)使用TRW制作竖井的纵断面图,供治理方案的设计人员参考使用。

优势总结

1.恶劣环境能适应

该竖井内湿气非常重,从上往下的环境依次为浓雾、小雨、大雨。普通水尘防护等级的设备无法在井内正常使用。TX8无气孔的设计保证了设备在这种环境下的正常运行。

2.数据精度有保证

在该项目中,只能使用电梯作为仪器的载体,虽然设计了专业的电梯稳定装置,但微小晃动在所难免。TX8能够在2分钟内快速完成扫描,极大的减小了测量原点晃动这一误差因子造成的精度损耗。

在内业处理阶段,使用TRW的地理坐标系转换工具,可以将地面和井下560处的6个控制点引入,并对所有测站进行网平差,将误差降低到最小。

3.数据处理全搞定

使用TX8和Trimble RealWorks的组合系统,能够快速处理外业采集到的原始测站拼接、去噪、抽稀,生成网格模型、横断面、纵断面等数据成果,还能拟合出竖井任意位置的中心点,计算出竖井中心偏移量,为方案治理的设计单位提供可靠的数据支持。