基于三維激光掃描技術(shù)井下巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用

周竹峰(陜西陜北礦業(yè)公司韓家灣煤炭有限公司,陜西 榆林719315)

1 前言

巷道掘進(jìn)是煤炭開采基礎(chǔ)性工作,確保巷道圍巖穩(wěn)定對(duì)煤炭安全開采具有重要意義[1]。圍巖變形監(jiān)測(cè)是掌握巷道變形的主要手段,現(xiàn)階段礦井常規(guī)的圍巖變形監(jiān)測(cè)方法是在巷道頂?shù)装寮跋飵透鞑贾脺y(cè)點(diǎn),通過(guò)測(cè)量頂?shù)装逡约跋飵烷g距來(lái)掌握巷道圍巖變形[2-4]。當(dāng)巷道部分區(qū)域圍巖變形較大時(shí)需要布置加密測(cè)點(diǎn)并增加測(cè)量頻率,通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)掌握巷道圍巖變形情況。傳統(tǒng)的巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)存在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作量大、采集不全面以及精度偏低等問(wèn)題[5]。近些年來(lái)興起的三維激光掃描技術(shù)憑借非接觸、監(jiān)測(cè)效率高以及速度快等優(yōu)勢(shì),在煤礦測(cè)量中廣泛應(yīng)用[6]。本文以某礦214201 膠運(yùn)巷為工程研究對(duì)象,對(duì)三維激光掃描技術(shù)對(duì)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 工程概況

214021膠運(yùn)巷主要服務(wù)于工作面通風(fēng)、行人以及煤炭運(yùn)輸?shù)?巷道沿著4-2煤層頂板掘進(jìn),斷面為矩形,巷道具體位置關(guān)系如圖1所示。4-2煤層厚度平均1.9 m、傾角平均1° ～3°,為近水平煤層,煤層埋深平均180 m。4-2煤層掘進(jìn)區(qū)域直接頂為灰色粉砂巖,含有大量的植物莖稈化石,厚度約0.4 m;基本頂主要為中粒砂巖,成分以石英、長(zhǎng)石為主,局部含有炭質(zhì)紋層,頂部含有1 ～2 層鈣質(zhì)細(xì)粒砂巖,結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬,平均厚度約32.8 m。底板巖性為灰色粉砂巖,頂部含有植物莖稈化石,厚度約11.5 m。

圖1 巷道位置關(guān)系

巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式,頂板、巷幫錨桿規(guī)格分別為φ18 mm ×2 200 mm 左旋螺紋鋼錨桿、φ18 mm × 1 800 mm 玻璃鋼錨桿,頂板間排距為1 400 mm×1 200 mm,巷幫間排距為950 mm×1 000 mm;錨索規(guī)格為17.8 mm ×7 000 mm,間排距1 400 mm ×2 400 mm,底板噴射有厚度150 mm 混凝土(C20),具體巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示。受到工作面回采影響,巷道圍巖變形較為明顯,為了及時(shí)掌握巷道圍巖變形情況并為后續(xù)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施制定提供參考,采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2 巷道圍巖支護(hù)方式

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 測(cè)量技術(shù)方案

3.1.1 技術(shù)流程

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體技術(shù)流程可細(xì)分為外業(yè)掃描、數(shù)據(jù)處理等,具體三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)流程如圖3所示[7]。

圖3 三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)流程圖

3.1.2 外業(yè)掃描

在進(jìn)行巷道圍巖變形掃描工作前需要掌握監(jiān)測(cè)巷道基本情況,合理確定標(biāo)靶布設(shè)位置以及掃描技術(shù)方案。合理的布置掃描監(jiān)測(cè)儀器行走速度可一定程度上減少冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生量;合理的布置標(biāo)靶可提高掃描儀器標(biāo)靶數(shù)據(jù)識(shí)別效果。

1)掃描技術(shù)方案

井下巷道圍巖變形掃描難點(diǎn)在于環(huán)境復(fù)雜,在掃描過(guò)程中受到外界影響明顯,因此采用手持式掃描儀(Riegl VZ-1000 掃描儀)對(duì)巷道圍巖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[8],具體掃描儀技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 掃描儀技術(shù)參數(shù)

由于巷道狹小、距離長(zhǎng),一次性采集數(shù)據(jù)時(shí)容易出現(xiàn)較多的累積誤差,從而影響監(jiān)測(cè)精度,因此采用的分段掃描法采集巷道圍巖變形數(shù)據(jù),后對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)采用人工方式進(jìn)行拼接,從而最大程度減少監(jiān)測(cè)誤差。

2)控制測(cè)量

由于采用的掃描儀有獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng),為了更好的分析圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果,需要對(duì)坐標(biāo)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用全站儀進(jìn)行控制測(cè)量,在掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)定固定標(biāo)靶,采用全站儀設(shè)備獲取標(biāo)靶具體坐標(biāo),最后將該標(biāo)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)作為掃描數(shù)據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

靶標(biāo)作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)云拼接,對(duì)其布置有較高的要求。布置的標(biāo)靶應(yīng)盡量分布均勻,且間距不宜過(guò)大,標(biāo)靶布置時(shí)應(yīng)便于掃描且可長(zhǎng)時(shí)間保存。

3)掃描實(shí)施

在掃描前應(yīng)確定掃描初始位置,初始掃描位置應(yīng)確保不變動(dòng)。由于采用的掃描儀具備拼接特性,掃描路線應(yīng)為閉合線路,具體巷道內(nèi)確定的掃描線路如圖4所示。

圖4 掃描線路

掃描結(jié)束時(shí)掃描儀應(yīng)回到初始掃描位置,并對(duì)掃描數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)拼接完好性等進(jìn)行檢查,確定拼接數(shù)據(jù)完整、數(shù)據(jù)完好時(shí)則結(jié)束掃描工作。

3.1.3 業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理

業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接影響到后續(xù)模型質(zhì)量,若獲取到的數(shù)據(jù)質(zhì)量差則可能無(wú)法建模。因而在建模之前對(duì)掃描獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理確保數(shù)據(jù)完整。業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程:點(diǎn)云拼接→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)輸出。

3.2 巷道頂?shù)装遄冃伪O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取

對(duì)工作面回采前獲取到的數(shù)據(jù)(4 月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))進(jìn)行建模,工作面回采至140 m 時(shí)對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)(7 月份獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))作為測(cè)試文件,分析巷道頂?shù)装遄冃螖?shù)據(jù),從而得到監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)巷道頂板、底板等高線圖,具體如圖5所示。

圖5 頂、底板等高線圖

從圖中看出,在巷道走向方向上不同斷面位置處頂、底板中部以及兩側(cè)位置變形量均有一定差異。主要是由于在臨近回采工作開采期間巷道圍巖受到的應(yīng)力分布不均衡。為了分析巷道圍巖變形情況,在F2 測(cè)站位置采用常規(guī)測(cè)量方法對(duì)巷道靠近工作面一側(cè)、中軸線以及靠近實(shí)體煤一側(cè)頂?shù)装遄冃螖?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果兩者間數(shù)據(jù)偏差在5%以內(nèi),表明三維激光掃描技術(shù)獲取到的巷道變形結(jié)果具有較高精準(zhǔn)度。

在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)獲取到巷道頂、底板最大變形量為129.6 mm,圍巖變形不會(huì)給巷道正常使用帶來(lái)影響。

4 結(jié)論

(1)采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)214201 膠運(yùn)巷圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),并詳細(xì)對(duì)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方案、監(jiān)測(cè)流程等進(jìn)行闡述。采用的三維激光掃描技術(shù)測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí),且可以滿足井下輔助環(huán)境圍巖變形監(jiān)測(cè)需要。

(2)圍巖變形圍巖受力密切相關(guān),由于214201膠運(yùn)巷圍巖應(yīng)力分布不均衡,監(jiān)測(cè)到巷道頂?shù)装遄冃瘟看嬖诓町?靠近煤柱側(cè)頂?shù)装遄冃瘟肯鄬?duì)于靠近實(shí)體煤層大,但是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異不顯著。

(3)三維激光掃描獲取到的巷道變形與采用常規(guī)技術(shù)方法獲取到的巷道變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果差值在5%以內(nèi),表明三維激光掃描技術(shù)測(cè)量精度較高,監(jiān)測(cè)結(jié)果可滿足巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)需要。