一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统及方法与流程

本发明涉及地下工程巷道爆破施工，特别涉及一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统及方法。

背景技术：

1、巷道钻爆法施工是矿山开采及地下交通隧道掘进的核心作业方式，其爆破方案的合理性及炮孔施工精度直接决定了巷道成型质量、围岩稳定性与施工安全。现阶段，行业内普遍采用“事前静态设计、事中人工管控、事后被动整改”的传统作业模式：即依据前期大范围地质勘探报告制定初始爆破方案，施工人员借助卷尺、坡度规等简易工具在掌子面人工放样炮孔位置与倾角，爆破完成后通过肉眼观察或二维测量手段评估超欠挖情况，并将修正意见反馈至下一循环。该模式长期作为行业通用做法被沿用，但其固有的粗放性和滞后性已成为制约巷道掘进智能化发展的技术瓶颈。

2、然而，随着地下工程向深部及复杂地质区域延伸，上述传统模式存在人工卷尺量角放线方式劳动强度极大、人为误差显著，且无法在钻孔过程中进行实时校验，钻孔偏差往往在爆破后暴露，造成不可逆的成型缺陷。同时，现有修正机制属于“爆后补救”模式，必须在爆破结束并出渣后方可进行下一轮调整，导致施工连续性中断，安全风险居高不下。并且，目前已有三维激光扫描仪用于爆后断面检测、激光指向仪用于简单点位放样，但二者相互孤立运行，未能在数据层面深度融合，难以满足复杂恶劣工况下巷道安全、高效、精准爆破的施工需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统及方法，可以解决现有技术中存在人工卷尺量角放线方式劳动强度极大、人为误差显著，且难以满足复杂恶劣工况下巷道安全、高效、精准爆破的施工需求问题。

2、一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，包括多孔激光定位单元、三维扫描模块和主机控制单元，三维扫描模块安装在多孔激光定位单元一侧，主机控制单元分别与多孔激光定位单元和三维扫描模块电性连接；多孔激光定位单元上设置有阵列圆孔、边角固定孔和底部接口，三维扫描模块发出的扫描光束和多孔激光定位单元投射的定位光束均穿过同一阵列圆孔出射，以形成共用光学基准面的光路结构。

3、本发明提供的一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

4、该多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统通过将三维扫描模块安装在多孔激光定位单元一侧，并使二者发出的扫描光束与定位光束均穿过同一阵列圆孔出射，以形成共用光学基准面的光路结构，从而在物理层面消除了传统分体式设备因扫描坐标系与投影坐标系分离而引入的系统配准误差，使炮孔定位精度获得根本性提升；同时，主机控制单元分别与多孔激光定位单元和三维扫描模块电性连接，经底部接口完成扫描数据的实时回传与定位指令的即时下发，构建起“地质感知→方案修正→激光引导”的硬件闭环，彻底摆脱了依赖人工卷尺量角放线的落后作业方式。

5、进一步地，阵列圆孔呈矩阵式均匀排布在多孔激光定位单元的正面板面，边角固定孔对称开设在多孔激光定位单元的四个边角位置，用于实现多孔激光定位单元与设备机架的可拆卸固定装配与位置校准，底部接口开设在多孔激光定位单元的底端中部，用于实现多孔激光定位单元与主机控制单元的供电导通及信号传输对接。

6、进一步地，三维扫描模块内部设置有激光发射器、mems振镜、接收窗口、光电探测器、控制电路板、电机、主控芯片、外部接口及散热片，激光发射器固定装配于三维扫描模块内部一侧，用于发射检测激光光束，该检测激光光束对应穿过阵列圆孔投射至待测掌子面表面。

7、进一步地，mems振镜对应设置在激光发射器的出光路径上，用于高速偏转调节激光光束的投射角度与扫描覆盖范围，电机与mems振镜传动配合，用于为mems振镜的角度偏转提供驱动动力。

8、进一步地，接收窗口开设在三维扫描模块正面壳体的光路回收位置，用于透过掌子面反射的激光信号，光电探测器固定在接收窗口的内侧并与接收窗口光路对齐，用于接收反射激光信号并将光信号转化为可识别的电信号。

9、进一步地，控制电路板分别与激光发射器、mems振镜、光电探测器、电机和主控芯片电性连接，用于实现各电气部件的信号中转与电路调控，主控芯片集成设置在控制电路板上，用于接收主机控制单元下发的控制指令。

10、进一步地，外部接口嵌设在三维扫描模块的外侧壳体，散热片贴合固定在主控芯片和控制电路板的发热区域，用于快速导出工作热量。

11、进一步地，主机控制单元通过线路经底部接口和外部接口分别与多孔激光定位单元和三维扫描模块电性连接。

12、进一步地，主机控制单元内部装载有后台运行系统，后台运行系统包括：

13、数据采集模块，用于驱动三维扫描模块获取掌子面高密度点云数据及围岩形态特征；

14、数据处理与建模模块，用于自动拼接、滤波降噪处理点云数据，生成当前断面的三维点云模型，并与原爆破设计模型进行空间配准对齐；

15、爆破方案动态修正模块，用于对比点云模型与原设计模型以识别超欠挖及围岩变化区域，并调用内置爆破专家规则库自动修正炮孔数量、位置、角度、深度及各孔装药参数；

16、执行指令生成模块，用于将修正后的方案转换为包含孔位坐标图的定位指令及包含角度、深度参数的钻孔指令，并分别下发至多孔激光定位单元与凿岩执行设备；

17、效果评估与闭环优化模块，用于爆破排险后驱动系统再次扫描，计算超欠挖体积与半孔率以评估修正效果，并将评估结果存入数据库以更新专家规则库的权重参数。

18、一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正方法，基于上述的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，包括以下步骤：s1：通过主机控制单元启动三维扫描模块，激光发射器发出的检测光束穿过阵列圆孔，对当前掌子面进行全域扫描，获取包含超欠挖边界及围岩节理裂隙形态的高密度原始点云数据；s2：通过主机控制单元对原始点云数据进行拼接、滤波降噪及三角网构建，生成当前断面的高精度三维点云模型，并将该模型与原爆破设计模型进行特征点云配准对齐；s3：通过主机控制单元对比配准后的两个模型，识别超挖区、欠挖区及围岩结构面产状，依据识别结果调用内置的爆破专家规则库，自动修正炮孔的空间分布坐标、倾角、孔深参数，并调整各孔的装药结构与单耗值；s4：通过主机控制单元将修正后的炮孔参数生成定位指令和钻孔指令，将定位指令下发至多孔激光定位单元，将钻孔指令下发至凿岩台车或手持终端；s5：多孔激光定位单元接收定位指令后，通过阵列圆孔将修正后的炮孔布设图直接投影至掌子面，现场钻孔人员或自动凿岩台车依据投影标识执行精准钻孔作业；s6：爆破、排险与出渣完成后，重复执行步骤s1以获取爆破后断面点云，效果评估与闭环优化模块自动计算超欠挖量、最大线性超挖值及半孔率指标，定量评估本次修正方案的实施效果，并将评估数据回传至数据库以优化后续爆破参数并迭代更新专家规则库。

1.一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，包括多孔激光定位单元（1）、三维扫描模块（2）和主机控制单元（3），三维扫描模块（2）安装在多孔激光定位单元（1）一侧，主机控制单元（3）分别与多孔激光定位单元（1）和三维扫描模块（2）电性连接；

2.如权利要求1的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，阵列圆孔（101）呈矩阵式均匀排布在多孔激光定位单元（1）的正面板面，边角固定孔（102）对称开设在多孔激光定位单元（1）的四个边角位置，用于实现多孔激光定位单元（1）与设备机架的可拆卸固定装配与位置校准，底部接口（103）开设在多孔激光定位单元（1）的底端中部，用于实现多孔激光定位单元（1）与主机控制单元（3）的供电导通及信号传输对接。

3.如权利要求1的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，三维扫描模块（2）内部设置有激光发射器（201）、mems振镜（202）、接收窗口（203）、光电探测器（204）、控制电路板（205）、电机（206）、主控芯片（207）、外部接口（208）及散热片（209），激光发射器（201）固定装配于三维扫描模块（2）内部一侧，用于发射检测激光光束，该检测激光光束对应穿过阵列圆孔（101）投射至待测掌子面表面。

4.如权利要求3的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，mems振镜（202）对应设置在激光发射器（201）的出光路径上，用于高速偏转调节激光光束的投射角度与扫描覆盖范围，电机（206）与mems振镜（202）传动配合，用于为mems振镜（202）的角度偏转提供驱动动力。

5.如权利要求3的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，接收窗口（203）开设在三维扫描模块（2）正面壳体的光路回收位置，用于透过掌子面反射的激光信号，光电探测器（204）固定在接收窗口（203）的内侧并与接收窗口（203）光路对齐，用于接收反射激光信号并将光信号转化为可识别的电信号。

6.如权利要求3的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，控制电路板（205）分别与激光发射器（201）、mems振镜（202）、光电探测器（204）、电机（206）和主控芯片（207）电性连接，用于实现各电气部件的信号中转与电路调控，主控芯片（207）集成设置在控制电路板（205）上，用于接收主机控制单元（3）下发的控制指令。

7.如权利要求3的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，外部接口（208）嵌设在三维扫描模块（2）的外侧壳体，散热片（209）贴合固定在主控芯片（207）和控制电路板（205）的发热区域，用于快速导出工作热量。

8.如权利要求3的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，主机控制单元（3）通过线路经底部接口（103）和外部接口（208）分别与多孔激光定位单元（1）和三维扫描模块（2）电性连接。

9.如权利要求1的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，其特征在于，主机控制单元（3）内部装载有后台运行系统，后台运行系统包括：

10.一种多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项的多孔激光三维扫描融合的巷道爆破修正系统，包括以下步骤：