復(fù)雜采空區(qū)群精密探測(cè)及多軟件耦合建模

樊忠華 許振華，2 王 進(jìn)

(1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;3.江西稀有稀土金屬鎢業(yè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330046)

復(fù)雜采空區(qū)群精密探測(cè)及多軟件耦合建模

樊忠華1許振華1，2王 進(jìn)3

(1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;3.江西稀有稀土金屬鎢業(yè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330046)

常規(guī)采空區(qū)物理探測(cè)方法受空區(qū)形態(tài)及地質(zhì)情況影響而降低精確度，不能準(zhǔn)確地輸出空區(qū)三維形態(tài)信息，且后期分析困難。激光探測(cè)技術(shù)能很好地解決這一問(wèn)題，但是針對(duì)遺留大量繁雜凌亂點(diǎn)柱的空區(qū)群，無(wú)論前期探測(cè)，還是后期建模難度都變大。以江西某鎢礦空區(qū)群為背景，利用三維激光掃描系統(tǒng)FARO進(jìn)行了精密探測(cè)，采用Geomagic-studio軟件對(duì)探測(cè)產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，并進(jìn)一步地探索了基于Minesight軟件和3Dmine軟件構(gòu)建的三維空間模型與FLAC3D數(shù)值模型耦合問(wèn)題。實(shí)踐證明，應(yīng)用FARO系統(tǒng)建立的三維空間模型，能較方便地對(duì)采空區(qū)的殘礦量、采空區(qū)規(guī)模進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，基于實(shí)測(cè)三維空間模型構(gòu)建的FLAC3D數(shù)值模型，可對(duì)空區(qū)群的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

精密探測(cè) 空區(qū)群 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 三維建模 點(diǎn)柱

20世紀(jì)70年代至90年代初，礦山普遍采用留礦采礦法、空?qǐng)霾傻V法對(duì)地下資源進(jìn)行開(kāi)采，遺留下大量的地下采空區(qū)?？諈^(qū)群的出現(xiàn)，給礦山帶來(lái)了極大的安全隱患，同時(shí)，由于無(wú)序開(kāi)采，積壓了大量的殘礦沒(méi)有回收，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為解決空區(qū)群條件下礦山盲目開(kāi)采問(wèn)題，在保障安全的前提下，合理留設(shè)礦柱，開(kāi)展探明采空區(qū)工作顯得尤為重要。目前常用的地下采空區(qū)物理探測(cè)技術(shù)有高密度電阻率法、地震映像法、探測(cè)雷達(dá)法和激光3D法等[1-5]。

1 工程實(shí)例

2007年，江西某鎢礦已經(jīng)形成560、580、603、610、620 m等5個(gè)中段和5個(gè)坑口，其中2個(gè)無(wú)軌運(yùn)輸坑口，3個(gè)有軌運(yùn)輸坑口，總生產(chǎn)能力約2 000 t/d。經(jīng)過(guò)多年的回采，已經(jīng)形成相當(dāng)規(guī)模的采空區(qū)(2007年底約為150萬(wàn)m3)，并且以每年近20萬(wàn)m3的速度遞增。目前正在開(kāi)采的礦體為1W礦體。采用地下方式開(kāi)采，所用的采礦方法基本上為留點(diǎn)柱、條柱的全面法，也類似于房柱法。采場(chǎng)靜空跨度10～20 m；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2012年，點(diǎn)柱數(shù)量達(dá)400多個(gè)。

該礦開(kāi)發(fā)存在點(diǎn)多面廣，作業(yè)人員設(shè)備多，運(yùn)輸線路復(fù)雜等特點(diǎn)；同時(shí)，采空區(qū)的大量存在，對(duì)礦山生產(chǎn)及周邊都是一個(gè)很大的安全隱患。因此，探測(cè)采空區(qū)對(duì)今后合理地回收剩余礦產(chǎn)資源，解決井下生產(chǎn)過(guò)程中冒頂、片幫，地表塌陷破壞等潛在的安全隱患具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

2 基于FARO的采空區(qū)群的探測(cè)

2.1 FARO精密探測(cè)系統(tǒng)

FARO三維激光掃描儀的掃描原理如圖1所示。FARO發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β。三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P的坐標(biāo)[6-9]，即

(1)

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理Fig.1 Compute principle of scan point coordinate

2.2 采空區(qū)群探測(cè)

(1)探測(cè)位置確定。本次試驗(yàn)選取的現(xiàn)場(chǎng)位于二坑口8線和10線之間，采場(chǎng)采空區(qū)具有一定的代表性，且采空區(qū)相對(duì)較安全，有利于人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。選取空區(qū)范圍約100 m×80 m進(jìn)行了探測(cè)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)參考球Fig.2 The reference ball in the stope

(2)設(shè)備調(diào)試及探測(cè)。井下工作環(huán)境較地面差，存在不小的灰塵，而且空氣中的濕度也較大。為了保證掃描的精度，測(cè)站的距離選擇在20 m之內(nèi)，掃描精度選擇1/5和1/8，掃描質(zhì)量選擇4×，設(shè)備參數(shù)調(diào)試整個(gè)過(guò)程都在掃描儀的液晶數(shù)字顯示屏上進(jìn)行，全中文界面，易操作。儀器參數(shù)調(diào)試完后，在離掃描儀20 m左右界限處，擺放參考球，如圖2，通過(guò)預(yù)先放置的參考球，在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可以將各站數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)整體[10]。

每站的掃描時(shí)間2～5 min，F(xiàn)ARO掃描儀通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以建立三維矢量圖，通過(guò)FARO自帶的軟件SENCE可以非常形象地還原現(xiàn)場(chǎng)原貌，如圖3所示。同時(shí)，F(xiàn)ARO掃描儀兼有彩色拍照功能，由于現(xiàn)場(chǎng)的光線條件不好，拍攝效果較差，且彩色照片對(duì)于工程意義相對(duì)不大，所以選擇關(guān)閉彩色照相功能。

圖3 三維矢量現(xiàn)場(chǎng)云圖Fig.3 The trivector point cloud of the stope

2.3 三維空間模型構(gòu)建

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括3個(gè)步驟：首先各站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接；其次無(wú)關(guān)噪點(diǎn)的刪除；最后點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀。FARO掃描儀現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)不能直接建立空區(qū)三維實(shí)體模型，得到的是由海量三維數(shù)據(jù)點(diǎn)形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)，由于空區(qū)群復(fù)雜，且范圍廣，掃描探測(cè)設(shè)備通常不能一次性的探測(cè)完整個(gè)空區(qū)群，而需要進(jìn)行多次不同點(diǎn)探測(cè)掃描，掃描完畢后再對(duì)各站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后，需對(duì)無(wú)關(guān)噪點(diǎn)進(jìn)行刪除。噪點(diǎn)主要是由探測(cè)掃描過(guò)程中激光碰觸了空氣中的塵埃及地面的積水而形成的。噪點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境有關(guān)，因此保持良好的工作環(huán)境，噪點(diǎn)將大量減小，后期數(shù)據(jù)整理工作量也將相應(yīng)減小，噪點(diǎn)如不進(jìn)行必要的處理，易造成空區(qū)三維空間模型與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)空間模型相偏離，影響后期空區(qū)穩(wěn)定性分析。同時(shí)，F(xiàn)ARO掃描儀探測(cè)得到的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，信息量大，計(jì)算機(jī)需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大，為避免建模及后期分析計(jì)算機(jī)運(yùn)行困難，在保持足夠精度的情況下，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄　?/p>

上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)的3個(gè)步驟可采用FARO掃描儀自帶軟件Sence完成，但與逆向工程軟件Geomagic Studio對(duì)比，Geomagic Studio軟件在站點(diǎn)間數(shù)據(jù)拼接，點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀，噪點(diǎn)刪除方面相對(duì)更加方便，所以本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作采用的是Geomagic Studio軟件。如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)3D視圖Fig.4 3D view of the point cloud data

2.3.2 三維空間模型構(gòu)建與空區(qū)模型要素統(tǒng)計(jì)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完畢后，下一步驟即為通過(guò)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間模型構(gòu)建，但是通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的三維空間模型，端口未進(jìn)行封閉，需要對(duì)端口進(jìn)行封裝，以形成封閉的三維實(shí)體模型，如圖5所示。經(jīng)過(guò)Geomagic Studio軟件與礦業(yè)軟件Minesight 4.0研究后發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)接口文件將Geomagic Studio軟件中的模型導(dǎo)入到礦業(yè)軟件Minesight中，如圖5所示。三維空間模型導(dǎo)入Minesight后，不僅可在軟件中進(jìn)行任意剖分，渲染使三維空間模型更形象化，而且可較方便地在Minesight軟件系統(tǒng)中對(duì)整個(gè)模型的體積、采空區(qū)體積、采場(chǎng)暴露總面積、礦柱的體積進(jìn)行查詢。整個(gè)測(cè)量區(qū)域采空區(qū)的體積為54 729 m3，各礦柱的體積及采場(chǎng)暴露面積等見(jiàn)表1所示，采場(chǎng)靜空跨度10～25 m，采空區(qū)高度5～20 m，礦柱半徑2～7 m。

圖5 3D建模效果Fig.5 The effect of 3D model表1 采空區(qū)試驗(yàn)獲取各項(xiàng)參數(shù)Table 1 The parameters obtained by cavity test

礦柱體積/m31#2#3#4#5#礦柱總體積/m3空區(qū)大小/m3采場(chǎng)暴露面積/m2460184293577791449285472913606

2.3 多軟件耦合建模

空區(qū)群的三維空間模型建立后，一方面可對(duì)空區(qū)群的基本要素進(jìn)行精確的把握，另一方面為對(duì)實(shí)測(cè)空區(qū)群進(jìn)行力學(xué)穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)。通過(guò)掃描得到三維空間模型，其實(shí)是建立了一個(gè)包絡(luò)空區(qū)的殼，殼內(nèi)為空值，殼外也為空值，如圖6所示。但實(shí)際上，空區(qū)是與圍巖或殘礦直接連接的，故需建立空區(qū)附近圍巖與地表的實(shí)體模型，然后與采空區(qū)三維實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到與實(shí)際情況相一致的三維空間模型，如圖7所示。FLAC3D雖計(jì)算功能強(qiáng)大，但前處理能力不足；然而，3Dmine具有強(qiáng)大的建模功能，可讓數(shù)值模擬直接利用和繼承三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)，不僅可以大大降低數(shù)值模擬前處理的難度，而且可以提高模擬結(jié)果的可靠性。因此，將3Dmine 和FLAC3D進(jìn)行耦合，開(kāi)展基于實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。同時(shí)，由于采空區(qū)的三維空間模型存于Minesight軟件中，需轉(zhuǎn)化至3Dmine軟件中，通常的礦業(yè)軟件中的實(shí)體模型基本均可以DXF格式輸出和導(dǎo)入。采空區(qū)實(shí)體模型導(dǎo)入至3Dmine后，通過(guò)創(chuàng)建塊體屬性，賦值等操作，就可直接另存為FLAC3D易于識(shí)別的TXT格式命令流，另外還可根據(jù)需要對(duì)部分命令進(jìn)行適當(dāng)修改。建立的基于實(shí)測(cè)的FLAC3D三維數(shù)值模型如圖8，圖9所示。

圖6 空區(qū)模型剖視渲染Fig.6 The section renderrings of the goaf model

圖7 空區(qū)+地表的三維實(shí)體模型Fig.7 3D solid model of goaf and surface

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該礦共有400個(gè)點(diǎn)柱，本次探測(cè)涉及到的點(diǎn)柱不足10個(gè)，即本次探測(cè)的空區(qū)周圍也還是空區(qū)。因此，針對(duì)探測(cè)范圍小且不獨(dú)立的空區(qū)，力學(xué)穩(wěn)定性分析條件不足，本次也就沒(méi)有進(jìn)一步進(jìn)行空區(qū)群的力學(xué)分析。待今后空區(qū)群探測(cè)范圍增大后，就可采用以上方法和步驟進(jìn)行點(diǎn)柱群空區(qū)穩(wěn)定性分析。

圖8 三維數(shù)值模型Fig.8 3D numerical model

圖9 三維數(shù)值模型剖面Fig.9 The cross-section view of 3D numerical model

3 結(jié) 論

(1)地下空間和采空區(qū)三維激光掃系統(tǒng)FARO具有全自動(dòng)掃描、操作方便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，Geomagic Studio軟件可較方便地對(duì)點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并可通過(guò)接口文件導(dǎo)入至礦業(yè)軟件Minesight中，以對(duì)空區(qū)群的各要素進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)和查詢。

(2)FARO三維激光探測(cè)掃描儀產(chǎn)生的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，也包含了一定的噪點(diǎn)，建模前需對(duì)噪點(diǎn)予以刪除，以免影響后期建模和進(jìn)一步的穩(wěn)定性分析。改善三維探測(cè)掃描儀工作環(huán)境，將大大減小噪點(diǎn)數(shù)量，點(diǎn)云數(shù)據(jù)整理也更簡(jiǎn)單。

(3)三維激光掃系統(tǒng)FARO三維激光探測(cè)設(shè)備可對(duì)擁有大量點(diǎn)柱的復(fù)雜空區(qū)群進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合各礦業(yè)軟件建模的優(yōu)勢(shì)，基于礦業(yè)軟件與巖土力學(xué)分析軟件之間的耦合建立的數(shù)值模型，能較方便地對(duì)基于實(shí)測(cè)采空區(qū)的模型進(jìn)行計(jì)算分析(本次研究因研究區(qū)間所限沒(méi)有進(jìn)行穩(wěn)定性分析)。

[1] 過(guò) 江，古德生，羅周全．金屬礦山采空區(qū)3D 激光探測(cè)新技術(shù)[J].礦冶工程.2006，26(5)：16-19.

Guo Jiang，Gu Desheng，Luo Zhouquan.A new technique of 3D laser survey of finished stopes in metal mines[J].Mining and Metallurgical Engineering，2006，26(5)：16-19.

[2] 劉希靈,李夕兵,劉科偉,等.地下空區(qū)激光三維探測(cè)應(yīng)用研究[J].金屬礦山，2008(11)：63-65. Liu Xiling，Li Xibing，Liu Kewei,et al.Application research of underground cavity 3D detection[J].Metal Mine，2008(11)：63-65.

[3] 馬海濤,劉勇鋒,胡家國(guó).基于CALS采空區(qū)探測(cè)及三維模型可視化研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)報(bào),2008，6(3)：38-41. Ma Haitao，Liu Yongfeng，Hu Jiaguo.Study on goaf detection and visualization of three dimensional model based on CALS[J].Journal of Safety Science and Technology，2008，6(3)：38-41.

[4] 宋衛(wèi)東，付建新，杜建華.基于精密探測(cè)的金屬礦山采空區(qū)群穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2012,33(12)：3781-3784. Song Weidong，F(xiàn)u Jianxin，Du Jianhua.Analysis of stability of goaf group in metal mines based on precision detection[J].Rock and Soil Mechanics 2012,33(12)：3781-3784.

[5] 趙國(guó)彥．金屬礦隱伏采空區(qū)探測(cè)及其穩(wěn)定性預(yù)測(cè)理論[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010. Zhao Guoyan.Metal Mine Concealed Goaf Detection and Its Prediction of Stability Theory[D].Changsha:Central Southern University,2010.

[6] 羅周全，劉曉明，吳亞斌，等.基于Surpac 和Phase-2耦合的采空區(qū)穩(wěn)定性模擬分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，27(4)：485-488. Luo Zhouquan，Liu Xiaoming，Wu Yabin,et al.Study on cavity stability numerical simulation based on coupling of Surpac and Phase-2[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science Edition，2008，27(4)：485-488.

[7] 劉科偉，李夕兵，宮鳳強(qiáng)，等．基于CALS及Surpac-FLAC3D耦合技術(shù)的復(fù)雜空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)研究與工程學(xué)報(bào)，2008，27(9)：1924-1931. Liu Kewei，Li Xibing，Gong Fengqiang，et al.Stability analysis of complicated cavity based on cals and coupled Surpac-FLAC3Dtechnology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(9)：1924-1931.

[8] 寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于CMS及Dimine-FLAC3D耦合技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[J].礦業(yè)工程研究，2010，25(1)：31-35. Kou Xiangyu，Jia Mingtao，Wang Liguan，et al.Evaluation and analysis of stability of mined-out area based on the CMS and Dimine-FLAC3Dcoupling technique[J].Mineral Engineering Research，2010，25(1)：31-35.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Precision Detection in Complex Goaf Group and Couple Modeling with Multiple Softwares

Fan Zhonghua1Xu Zhenhua1,2Wang Jin3

(1.ChinaNerinEngineeringCo.,Ltd.，Nanchang330031，China;2.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；3.JiangxiRareEarthandRareMetalsTungstenGroupCo.,Ltd.，Nanchang330046，China)

Due to the influence of the goaf pattern and geological condition，the conventional physical survey for mined-out area lowered the accuracy.It can not accurately output the three-dimensional space information and make post analysis difficult.Laser detection technology solved this problem well.But for the goaf group with a lot of complicated and messy point pillars，a bigger difficulty exists in both pre-detection and post-modeling.With the goaf group in Jiangxi Tungsten Mine as background，the three-dimensional laser scanning system FARO was adopted to make precise detection，and the point cloud data generated from the survey were disposed with Geomagic-studio software.Then，the coupling of three-dimensional space model and FLAC3Dnumerical model based on Minesight software and 3Dmine software was further explored.The practice has proved that the three-dimensional spatial model based on FARO system can more accurately statistic the amount of residual ores in mined-out area and its size.On this basis，F(xiàn)LAC3Dnumerical model based on three-dimensional measured space model can be used to analyze the stability of the goaf group.

Precision detection，Goaf group，Point cloud data，3D modeling，Point pillar

2014-03-07

江西省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：20111BBE0031)。

樊忠華(1984—)，男，碩士，工程師。

TD76

A

1001-1250(2014)-05-138-04