The Survey of Sub-Level Caving in Underground Mines Using Geodetic Surveying Methods

在远离阳光、空气可能弥漫着尘埃或危险气体的地表之下，矿工们面临着一个持续的挑战：必须准确了解周围的地形情况。为了安全且高效地挖掘，他们必须绘制出隧道、岩石被移除后的开放腔室以及可能发生坍塌的不稳定墙壁的地图。几十年来，这种绘图工作依赖于测量员携带仪器走进这些黑暗、危险的空间，一次测量一个点。虽然这种方法行之有效，但速度缓慢，会在图像中留下巨大的空白，并迫使人类工人站在可能发生坍塌或落石的致命区域。近年来，技术提供了一种新的途径，取代了缓慢的点对点方法，转而使用能在数秒内捕捉数百万个点的工具，从而在无需人类站在危险边缘的情况下，创建出地下世界的完整三维图像。

土耳其菲拉特大学（Fırat University）的一个研究小组致力于测试这些现代工具在真实活跃矿井中的表现。他们专注于一种被称为“分层开采”（sublevel caving）的特定采矿方式，在这种方法中，岩石被允许破碎并掉落到一个巨大的、下方的空腔中。这一过程创造了一个混乱、不断变化的景观，使用传统工具进行测量极其困难。该研究是在埃拉齐格（Elazığ）附近的一座地下铬矿进行的，该矿的运营商已经开发了多个层级的隧道。研究人员希望测试能否利用三种不同的方法来绘制一个危险的、正在坍塌的矿区地图：传统的全站仪法、人手持的激光扫描仪，以及在隧道内飞行的微型无人机。他们的目标不仅是观察这些新机器是否有效，还要将它们进行横向对比，以了解哪种方法能提供最佳数据，更重要的是，哪种方法能保障工人最安全。

团队首先建立了一个参考点网络，本质上是创建了一个固定的坐标网格，以便将测量结果转化为标准地图。他们使用了一种名为全站仪的常规设备（一种看起来像高科技经纬仪、利用激光测量距离和角度的装置）来绘制隧道壁。这个过程需要测量员站在隧道内，架设仪器，并测量岩壁上的特定点。由于隧道很高且地面不平，他们必须将测量点设置在侧壁上，并使用一种称为“重定位”（recession）的数学技术来确定仪器的精确位置。这种方法虽然可靠，但耗时较长，且要求测量员必须亲身出现在被测区域内。

接下来，研究人员引入了一台手持式激光扫描仪，这是一种看起来像顶端带有传感器的小型背包的设备。一名测量员背着这台装置走过隧道，它每秒发射数千道激光束，以构建周围环境的详细3D模型。为了获得更好的视角来观察部分被隧道地面遮挡的开采区域，操作员在扫描仪上安装了一根延长杆，将其推向危险区域。这使得他们能够比使用全站仪时保持更安全的距离，但他们仍需走到不稳定地面的边缘。该设备大约花费四分钟扫描该区域，捕捉到了可以转化为数字地图的密集点云。

第三种截然不同的方法涉及一架地下无人机。这并非玩具，而是一款专门设计的、坚固耐用的飞行器，旨在适应矿井中狭窄、黑暗且往往缺氧的环境。无人机配备了自带的激光扫描仪和碰撞传感器，以防止撞击墙壁。操作员站在远离开采区的安全位置，通过无线电链路控制无人机，同时在屏幕上观看实时视频画面。一旦无人机进入开采区域，直接视觉接触就会中断；然而，操作员可以通过显示屏实时监控无人机的位置，从而保持完全控制。无人机飞入不稳定区域——一个人类永远不敢进入的地方——并采集了约七分钟的数据。由于无人机可以在三维空间内自由飞行，它不需要延长杆，并且可以绕过转角并深入到手持扫描仪无法触及的深邃缝隙中。

当研究人员对比结果时，差异变得清晰可见。手持扫描仪使用快速简便，但在数据方面留下了显著的空白。由于操作员必须站在地面并向上或向外观察，开采区域的大部分区域处于阴影之中，对激光束而言是不可见的。然而，无人机捕捉到了完整的图像。它收集了超过三百万个数据点，覆盖了几乎整个坍塌岩石的体积，而手持扫描仪即使使用了延长杆，也只能看到大约百分之七十的区域。无人机飞入空腔的能力意味着它可以重建开采区域真实的形状，其细节程度是其他方法无法比拟的。

当然，其中也存在权衡。无人机系统设置更为复杂，且需要熟练的驾驶员。此外还存在无人机坠毁导致昂贵设备损失的风险。手持扫描仪更简单，且其产生的数据相对于矿井地图的定位精度略高，但它无法看清一切。传统的全站仪虽然在坐标转换方面最为精确，但速度最慢，且对人类操作员来说是最危险的，因为它要求操作员站在离危险源最近的地方。

研究结论指出，虽然这三种方法各有用途，但选择取决于矿工的需求。如果目标是快速获取空间的粗略概念，手持扫描仪是一个不错的工具。但如果首要任务是理解危险坍塌区域完整且复杂的几何结构，以便规划安全的采矿作业，那么无人机则更为优越。通过在危险区域飞行，同时让操作员保持在安全距离之外，无人机消除了人类站在那里的必要性，在安全性方面实现了巨大的提升。研究人员发现，无人机收集的数据使他们能够计算出空腔的确切体积，这对于确定需要填回多少材料至关重要。这种精确的信息有助于工程师设计更好的钻孔计划，并防止矿石流失或矿井变得不稳定。最终，这项研究表明，这些新技术不仅仅是更快，它们正在通过将工人安全放在首位，同时提供更清晰、更完整的地下世界图像，从而改变矿井的管理方式。