Bài viết trình bày quy trình thành lập mô hình 3D giếng đứng chính tại mỏ than Núi Béo có độ sâu 400 m bằng thiết bị và phần mềm của hãng Topcon với sai số tích lũy của các trạm ghép liền kề không quá 4 mm, đồng thời xác được độ lệch vị trí trung bình của thanh dẫn so với phương thẳng đứng là 8,3 mm.
128 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue 5a (2021) 128 - 134 Building 3D model for the deep vertical shaft in Nui Beo coal mine using Terrestrial laser scanning technology Hanh Hong Tran 1,*, Nhan Thi Pham Faculty of Geomatics and Land Administration, Hanoi Faculty of Civil University of Mining and Geology, Vietnam Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 15th June 2021 Accepted 25th Oct 2021 Available online 01st Dec 2021 Nowadays, deep vertical shafts have been built normally in Vietnam’s underground coal mines During the operation of the underground coal mines, the deep vertical shafts must check periodically With the advantages of fast measurement, high accuracy, point cloud data, the ability to process data by other specialized software, etc Terrestrial laser scanning technology has allowed building 3D models for deep vertical shafts and used for other different purposes In this present, by using Topcon's equipment and software, the process of establishing a 3D model for the main vertical shaft of the Nui Beo coal mine at a depth of 400 m was indicated The simulation results have the cumulative error of sampling interval of stations not more than mm, and the average position deviation of the aim direction relative to the vertical is 8.3 mm Keywords: 3D model, Depth vertical shaft, Magnet Collage, Nui Beo coal mine, TLS Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: tranhonghanh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES 2021.62(5a).16 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 5a (2021) 128 - 134 129 Xây dựng mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo công nghệ quét laser mặt đất Trần Hồng Hạnh 1,*, Phạm Thị Nhàn Khoa Trắc địa Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 15/6/2021 Chấp nhận 25/10/2021 Đăng online 01/12/2021 Thời gian gần Việt Nam, giếng đứng có độ sâu lớn xây dựng mỏ khai thác than hầm lị, q trình vận hành mỏ, giếng cần thiết phải kiểm tra định kỳ Với ưu điểm khả đo nhanh, độ xác cao, liệu đám mây điểm, khả xử lý nhiều phần mềm chuyên dụng,… Công nghệ quét laser mặt đất không cho phép xây dựng mơ hình 3D cho giếng đứng có độ sâu lớn mà cịn sử dụng cho nhiều mục đích khác Bài báo trình bày quy trình thành lập mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo có độ sâu 400 m thiết bị phần mềm hãng Topcon với sai số tích lũy trạm ghép liền kề không mm, đồng thời xác độ lệch vị trí trung bình dẫn so với phương thẳng đứng 8,3 mm Từ khóa: Giếng đứng độ sâu lớn, Magnet Collage, Mơ hình 3D, Mỏ Núi Béo, TLS © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Giới thiệu Các mỏ than hầm lò Việt Nam dần chuyển sang mở vỉa giếng đứng với độ sâu lớn (400÷700 m) điển mỏ than Mạo Khê, Hà Lầm, Núi Béo, Hạ Long Theo thời gian vận hành mỏ, thiết bị giếng đứng cần kiểm tra mức độ hao mòn, biến dạng, nhằm kịp thời bảo dưỡng, chỉnh sửa, thay thế,… đảm bảo an tồn q trình vận hành giếng đứng Giếng đứng chủ yếu dùng để vận chuyển sản phẩm khai thác, người lao động, trang thiết bị _ *Tác giả liên hệ E - mail: tranhonghanh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(5a).16 phục vụ khai thác,… mức lò có độ sâu khác Trong lịng giếng đứng đối tượng thường xuyên cần kiểm tra dẫn hướng, xà dầm ngang,… ra, bề mặt thành giếng, ăn mòn vật liệu khác giếng đối tượng cần quan tâm kiểm tra định kỳ Hiện nay, để kiểm tra đối tượng lòng giếng đứng Việt Nam thường sử dụng phương pháp dây dọi truyền thống quan sát mắt thường Tuy nhiên, sử dụng phương pháp dây dọi làm chuẩn thước thép thi cơng điều kiện khó khăn như: tắt thơng gió, ẩm ướt, thiếu ánh sáng có nhiều góc khuất vướng thiết bị khác giếng,… kết đo đạc thường đạt với độ xác khơng cao, sử dụng nhiều nhân cơng, cần nhiều thời gian tạm dừng hoạt động vận tải giếng để 130 Trần Hồng Hạnh nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62 (5a), 128 - 134 phục vụ đo đạc, khó khăn việc quan sát trạng thiết bị ăn mòn, nguy hiểm đo đạc,… Do vậy, đòi hỏi cần phải áp dụng công nghệ nhằm tăng suất, mức độ chi tiết, độ xác, đồng thời sử dụng cho nhiều mục đích,… Quét laser mặt đất (TLS - Terrestrial Laser Scanner) xu hướng công nghệ ứng dụng nay, với khả cho phép thu thập liệu địa không gian đám mây điểm “point cloud” nhanh chóng (vài phút đến vài giờ) liệu có độ xác cao độ phân giải không gian mức milimet (Thomas nnk., 2009; Nguyễn Viết Nghĩa, 2017), cho phép đo quét đám mây điểm chi tiết đối tượng thu khoảng không gian đo quét, đo trực tiếp đến đối tượng (Võ Chí Mỹ, 2016; Pfiefer Briese, 2007) Trong lĩnh vực khai thác mỏ, công nghệ TLS thể khả xử lý liệu, sử dụng cho nhiều mục đích lúc (Bock nnk., 2009; Kukutsch, Kajzar, Waclawik, & Nemcik, 2016; Nguyen Quoc Long nnk., 2018; Nguyen Viet Nghia nnk., 2016; 2019) Dữ liệu đám mây điểm đo quét công nghệ quét laser cho phép mang đến hội cải thiện hiệu nhiều mục đích so với phương pháp đo đạc truyền thống công tác kiểm tra giếng đứng (Lipecki Huong, 2020) Tại Ba Lan, Lipecki Huong (2020) ứng dụng thiết bị qt laser di động để xây dựng mơ hình 3D giếng đứng với độ xác đạt 1÷3 mm (mặt cắt ngang), nghiên cứu Nguyễn Viết Nghĩa (2020) bước đầu thử nghiệm ứng dụng TLS để kiểm tra dẫn hướng cho giếng đứng có độ sâu 200 m giếng đứng phụ mỏ than núi Béo với độ xác đạt 4,64 mm Tuy nhiên, mỏ hầm lò Việt Nam, việc thành lập quy trình quy trình xử lý liệu qt laser mặt đất để xây mơ hình 3D phục vụ cơng tác kiểm tra trạng giếng đứng có độ sâu lớn chưa đề cập Bài báo trình bày quy trình ghép trạm đo quét, xử lý liệu TLS phần mềm chuyên dụng Magnet Collage hãng Topcon, nhằm xây dựng mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo với độ sâu 400 m gắn cố định vào dầm xà gắn cố định vào thành giếng, khoảng chênh cao dầm xà 4,5 m Thanh dẫn hướng coi lý tưởng lắp đặt theo phương thẳng đứng mặt tiếp xúc với bánh tì đồng phẳng (Hình 1) Đến sau năm vận hành liên tục 24 h/ngày phục vụ sản xuất năm xây dựng mỏ hầm lò, với yếu tố vận động lớp địa tầng đất đá đến thiết bị lịng giếng cần thiết kiểm tra trạng để kịp thời có phương án xử lý thích hợp Tuy nhiên, với độ sâu giếng lớn số lượng trang thiết bị giếng nhiều, đòi hỏi cần thiết phải ứng dụng phương pháp để giảm thời gian đo đạc ngoại nghiệp nâng cao an toàn trình đo đạc cho phép sử dụng cho nhiều mục đích Tại giếng đứng mỏ Núi Béo, việc lắp đặt rịng dọc dây rọi khó khăn vướng nhiều thiết bị, số vị trí ray dẫn hướng đối trọng ray dẫn thùng kiểm tra giếng tiếp cận thực đo đạc trực tiếp Do vậy, thiết bị TLS đặt thùng cũi đo quét từ mặt đất xuống đáy giếng, độ tầng đo quét khoảng 4,5 m Do đó, với chiều sâu giếng đứng mỏ than Núi Béo khoảng 400 m số tầng đo qt tồn giếng 85 tầng Vị trí dừng thang cũi ước lượng 1,5÷1,7 m thấp tầng xà 30÷50 cm Phương pháp, thiết bị kiểm tra giếng đứng Thiết bị TLS sử dụng máy quét laser GLS - 2000S hãng Topcon, máy hoạt động theo nguyên lý đo xung TOF (Time of Flight) với tầm hoạt động tia laser quét 3600 theo phương ngang 2700 theo phương dọc Các thông số kỹ 2.1 Hiện trạng phương pháp nghiên cứu Giếng đứng mỏ Núi Béo có độ sâu 400 m, giếng có kết cấu dẫn hướng Hình Các thiết bị, dẫn giếng đứng mặt công nghiệp mỏ than Núi Béo 2.2 Thiết bị nghiên cứu Trần Hồng Hạnh nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62 (5a), 128 - 134 thuật thiết bị gồm: - Tốc độ thu thập liệu 120.000 điểm/giây; - Thời gian đo quét 01 trạm phút; - Sai số đo khoảng cách: 3,5mm (1÷130 m); - Sai số góc: 6’’; - Khoảng cách đo xa 130 m; - Chế độ đo bề mặt phản xạ thấp 9% khoảng cách ≤ 40 m; - Mức độ chịu bụi, ẩm ướt đạt tiêu chuẩn IP54 2.3 Phần mềm xử lý Magnet Collage Dữ liệu đo quét từ thiết bị GLS - 2000S xử lý phần mềm chuyên dụng Magnet Collage hãng Topcon Phần mềm cho phép xử lý liệu “point cloud” loại máy như: máy quét laser mặt đất, mobile mapping, UAV, Đồng thời, cho phép xử lý tính tốn liệu: tạo TIN, đường đồng mức, tính khối lượng, Phần mềm cho phép xuất liệu nhiều định dạng như: ptx, rcs, e57, csv,… giúp nâng cao khả tương tác với phần mềm xử lý chuyên dụng khác như: ClearEdge3D, Autodesk,… 131 Thực nghiệm đo quét TLS giếng đứng 3.1 Quy trình xử lý liệu TLS giếng đứng Dữ liệu đám mây điểm sau đo quét TLS xử lý phần mềm Magnet Collage theo quy trình Hình Theo đó, liệu sau đưa vào phần mềm Magnet Collage lựa chọn thông số “xử lý thô liệu” theo bước: Pose Scan (cài đặt trạm đo), Colorize Scan From Panoramas (tồn cảnh), Filter Scan (lọc đo qt) (Hình 3) Hình Quy trình xử lý liệu TLS giếng đứng Hình Xử lý thơ liệu đo qt TLS giếng đứng 132 Trần Hồng Hạnh nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62 (5a), 128 - 134 Theo đó, thơng số đặt cho mơ hình ghép sơ “Pose scan” lựa chọn với độ xác mật độ mm; “Stitch Panoramas” có bán kính 20 m; “Filter Scan” chọn mức lọc “thấp” Tiếp theo, tiến hành “ghép nối trạm” trạm TLS gần Quá trình ghép nối trạm đo quét quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tổng thể tồn mơ hình 3D Theo đó, trạm đo quét cần ghép nối (align) theo mặt trục đứng Align trạm theo mặt bằng: Chỉnh thông số dịch chuyển X, Y góc quay khớp sơ vào (Hình 4) Align trạm theo mặt đứng: Đo sơ độ lệch cao độ vị trí tầng xà trạm scan (trạm n n+1) Tiếp theo, điều chỉnh thông số chuyển đổi trục đứng (Transition Z) trạm sau (n+1) theo độ lệch vừa đo (Hình 5) Khi trạm đo quét ghép nối (align) theo mặt trục đứng, cần loại bỏ sai số quay Yaw (quay theo trục đứng) để trạm liền kề tích lũy trạm đo TLS có sai số không mm Kết xử lý ghép trạm TLS cho mơ hình 3D Hình 6, Hình Align trạm theo mặt giếng đứng mỏ Núi Béo Hình Align theo mặt đứng vị trí trạm đo 37 độ sâu 120 m giếng đứng mỏ Núi Béo Hình Phân tích loại bỏ sai số tích lũy (khơng q mm) để tạo mơ hình 3D tổng thể giếng đứng mỏ Núi Béo Trần Hồng Hạnh nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62 (5a), 128 - 134 Với 85 trạm TLS đo quét giếng đứng mỏ Núi Béo, tiến hành ghép trạm theo quy trình Hình 2, kết xây dựng mơ hình 3D tổng thể giếng đứng mỏ Núi Béo (Hình 8a) Trên mơ hình tổng thể này, người sử dụng dễ dàng nhìn nhiều góc cạnh khác tùy Hình Đám mây điểm tổng thể trạm đo quét 84 85 (đáy giếng) 133 theo mục đích, quan sát tường tận thiết bị, bề mặt thành giếng,… chế độ hiển thị: ảnh chụp, cường độ phản xạ, độ cao thay đổi, mật độ điểm quét, mặt phẳng, trạm đo quét,… cho phù hợp với mục tiêu đặt Đồng thời, cho phép lựa chọn hiển thị đối tượng nghiên cứu mơ hình 3D, xuất đối tượng hiển thị sang định dạng khác để xử lý phần mềm chuyên dụng khác, cho phép xác định khoảng cách đối tượng với (Hình 9b) Để kiểm tra độ xác tồn mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo, nhóm nghiên cứu tiến hành xác định độ lệch khoảng cách dẫn hướng đo mơ hình với thiết kế ban đầu (phương thẳng đứng) (Hình 9c) Kết xác định độ lệch vị trí trung bình dẫn so với thiết kế 8,3 mm Kết luận Quy trình xử lý liệu TLS giếng đứng cho phép xử lý nhanh chóng, xác mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo có độ sâu 400 m với sai số tích lũy trạm ghép liền kề không mm, độ lệch vị trí khơng gian trung bình dẫn so với phương thẳng đứng 8,3 mm Các kết cho phép nâng cao độ xác đo đạc Đồng thời cho phép lọc, loại bỏ liệu đo quét thừa, hiển thị đối tượng lựa chọn phân tích xử lý tùy mục tiêu cơng việc đặt ra,… cho thấy cơng nghệ TLS có khả đáp ứng nhiều mục đích khác như: kiểm tra độ lệch thiết bị, đánh giá trạng bất thường, phân tích biến dạng bề mặt thân giếng, cho phép đo đạc gián tiếp mơ hình nhiều góc độ khác nhau, phục nhiều mục đích Các liệu cho phép xử lý phần mềm chuyên dụng khác Ngoài ra, với thời gian đo quét phút/trạm, khả thu thập tồn liệu địa khơng gian đối tượng lòng giếng, giảm đáng kể thời gian dừng vận hành phục vụ công đo đạc ngoại nghiệp nâng cao an tồn q trình đo đạc giếng Hình Mơ hình 3D chi tiết hiển thị giếng đứng mỏ Núi Béo (a - mơ hình 3D giếng đứng với độ sâu 400 m; b - thiết bị bên giếng đứng; c - mặt cắt dọc theo giếng đứng mơ hình; d - thiết bị ống nước giếng; e - vết bê tơng thành giếng có tượng bất thường phát mơ hình 3D) Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn giúp đỡ Công ty than Núi Béo ông Lê Minh Ngọc, Nguyễn Văn Hùng - Văn phòng đại diện TOPCON/SOKKIA Việt Nam hỗ trợ công tác thực nghiệm xử lý liệu 134 Trần Hồng Hạnh nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62 (5a), 128 - 134 (a) (b) (c) Hình Lọc hiển thị dẫn hướng giếng đứng mỏ Núi Béo (a - hiển thị đối tượng dầm xà ngang dẫn mơ hình; b - đo đạc xác định khoảng cách dẫn mơ hình 3D; c - kiểm tra độ lệch dẫn với thiết kế giếng đứng mơ hình) Đóng góp tác giả Trần Hồng Hạnh - tham gia thực địa, xử lý số liệu, xây dựng mơ hình, đưa ý tưởng viết báo; Phạm Thị Nhàn - tham gia phân tích số liệu, thảo luận ý tưởng cho báo Tài liệu tham khảo Bock J., Uhl O., Benecke N., Kuchenbecker R., (2009) Support of High - Performance Operations in Coal Mining by Use of 3D Laser Scanning International Society for Mine surveying, 29 - 30 July 2009 UK Pfeifer, N., & Briese, C (2007) Laser scanningprinciples and applications In GeoSiberia 2007 International Exhibition and Scientific Congress (pp cp - 59) European Association of Geoscientists & Engineers Nghia, Cao Xuan Cuong, (2018) Accuracy assessment of mine walls' surface models derived from terrestrial laser scanning International Journal of Coal Science & Technology, 5, 3, 328 338 Nguyễn Viết Nghĩa, Võ Ngọc Dũng, (2016) Nghiên cứu khả ứng dụng máy quét laser 3D mặt đất quản lý xây dựng - khai thác mỏ hầm lò, Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, 57, 65 - 73 Nguyen Viet Nghia, Nguyen Quoc Long, Nguyen Thi Cuc, Xuan - Nam Bui, (2019) Applied Terrestrial Laser Scanning for coal mine High definition Underground, 71, 4, 237 - 242 Nguyễn Viết Nghĩa, (2020) Khả ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất kiểm tra dẫn giếng đứng mỏ than Núi Béo, Công nghiệp mỏ, 2, 75 78 Lipecki T., Huong K T T., (2020) The development of terrestrial laser scanning technology and its applications in vertical shaft in Poland, Inżynieria Mineralna - Journal of the Polish Mineral Engineering Society, No 2(46), part 1, p 301-310 Thomas P K., Klaus M., Maren L., Harald S., (2009) Methods for geometric accuracy investigations of Terrestrial Laser Scanning systems PFG Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 2009, Heft 4, 301 - 314 Nguyen Quoc Long, Michał M Buczek, La Phu Hien, Sylwia A Szlapiń ska, Bui Xuan Nam, Nguyen Viet Võ Chí Mỹ, (2016) Trắc địa mỏ Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ ... xử lý ghép trạm TLS cho mơ hình 3D Hình 6, Hình Align trạm theo mặt giếng đứng mỏ Núi Béo Hình Align theo mặt đứng vị trí trạm đo 37 độ sâu 120 m giếng đứng mỏ Núi Béo Hình Phân tích loại bỏ sai... thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 5a (2021) 128 - 134 129 Xây dựng mơ hình 3D giếng đứng mỏ than Núi Béo công nghệ quét laser mặt đất Trần Hồng Hạnh 1,*, Phạm Thị Nhàn Khoa Trắc địa Bản đồ Quản lý đất. .. Mơ hình 3D chi tiết hiển thị giếng đứng mỏ Núi Béo (a - mơ hình 3D giếng đứng với độ sâu 400 m; b - thiết bị bên giếng đứng; c - mặt cắt dọc theo giếng đứng mơ hình; d - thiết bị ống nước giếng;