基于三維激光掃描的采場穩(wěn)定性分析

李彥軍

（山西省長治市屯留區(qū)余澤鎮(zhèn)常村煤礦，山西 長治 046000）

0 引 言

采空區(qū)失穩(wěn)可能引發(fā)頂板冒落、片幫、巖爆、礦震和地表沉陷等工程安全問題和植被破壞、田地?fù)p毀、水土流失、山體滑坡等生態(tài)環(huán)境安全問題[1]；如2015年山東省臨沂市玉榮石膏礦采空區(qū)發(fā)生坍塌，造成1人死亡，13 人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失4 133 萬多元[2]。

鉆探法主要是依靠鉆探設(shè)備、鉆具，通過預(yù)先設(shè)置好的鉆孔進(jìn)行鉆孔探測。優(yōu)點(diǎn)是成像精度高，能夠確定布點(diǎn)處采空區(qū)的頂板位置和高度，可用于對已有資料與其他物探方法所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，但缺點(diǎn)是鉆探耗費(fèi)時間長，工作量較大，因而成本高，大多用于定性探測采空區(qū)是否存在[3]。

物探法主要分為直流電法類（高密度電法、激電剖面法）、電磁法類（瞬變電磁法、高頻大地電磁法）、地震法（淺層反射法、瑞雷面波法）、地質(zhì)雷達(dá)波法等。其中高密度電法適用干富水采空區(qū)，但受到地形影響較大，同時其探測結(jié)果的體積效應(yīng)比較明顯；電磁法對富水采空區(qū)探測效果很好，對低阻反應(yīng)相當(dāng)靈敏，缺點(diǎn)是易受到電磁干擾；激電部面法適用干探測黃鐵礦等伴隨著金礦的硫化物，能夠確定金脈的大致范圍，確定后期需要勘測的區(qū)域；瑞雷面波法探測出的采空區(qū)范圍較為可靠，并且可以連續(xù)測量，但是對地形要求較高，通常需要較為平坦的地形；地質(zhì)雷達(dá)法優(yōu)點(diǎn)是工作效率高且探測分辨率高，缺點(diǎn)是探測深度較淺，同時易受電磁干擾[4]。

隨著日益增大的礦山開采規(guī)模使得采空區(qū)內(nèi)部的精確探測越來越重要，傳統(tǒng)鉆探、物探方法的不足難以適應(yīng)更加多變、復(fù)雜的采空區(qū)探測。三維激光掃描系統(tǒng)作為測繪領(lǐng)域新技術(shù)革命的典型產(chǎn)物，已在諸多大型礦山采空區(qū)探測中得到應(yīng)用[5]，詳見第二部分。

煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性是其安全生產(chǎn)運(yùn)行中的重中之重。常村煤礦2101 采場已開采完畢，但其穩(wěn)定性未知，可能對臨近采場與巷道煤巖穩(wěn)定性的造成安全隱患，甚至造成地表塌陷，影響地面建筑物和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。本文使用便攜式三維激光掃描儀完成采空區(qū)的精準(zhǔn)探測，通過FLAC3D數(shù)值軟件分析其穩(wěn)定性。

1 采空區(qū)概況

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣城東北10 km（直距）處的麟絳鎮(zhèn)東藕宋莊～上村鎮(zhèn)張家莊～漁澤鎮(zhèn)南漁澤～路村鄉(xiāng)姬村～襄垣縣候堡鎮(zhèn)段河一帶，行政區(qū)劃歸屯留縣襄垣縣管轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°54'26″～112°59'29″，北緯36°16'51″～36°26'09″。

為了分析2101 采空區(qū)及其鄰近巷道圍巖的穩(wěn)定性，本文基于三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)資料與前期施工圖，建立2101 采空區(qū)（圖中紅線部分）的精準(zhǔn)三維幾何模型；結(jié)合東北大學(xué)不久前對常村煤礦相應(yīng)位置煤巖體的力學(xué)測試結(jié)果；采用FLAC3D數(shù)值軟件，分析其穩(wěn)定性，并提供安全評價。

圖1 采空區(qū)平面圖

2 基于三維激光掃描建立三維模型

2.1 三維激光掃描技術(shù)

最近幾十年激光作為一門新技術(shù)發(fā)展起來，推進(jìn)了測繪技術(shù)的進(jìn)步。繼無線電、半導(dǎo)體、電子計算機(jī)、原子能、量子物理學(xué)等技術(shù)之后，激光技術(shù)被稱為重大的技術(shù)發(fā)明。經(jīng)過科學(xué)工作者十幾年的科學(xué)研究，激光技術(shù)發(fā)展得到很大提升，首先體現(xiàn)在激光測距經(jīng)歷了一維測距、二維測距、三維測距階段的發(fā)展上。其次體現(xiàn)在激光測量精度上，實現(xiàn)了激光測量高精度，無合作目標(biāo)的測量，并結(jié)合電子計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動和無線傳輸，由此各式各樣的激光設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，激光技術(shù)在多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如三維激光掃描技術(shù)在測繪方向的應(yīng)用，使得測繪領(lǐng)域在測量工具上有了一個全新的測量技術(shù)[6]。

2.1.1 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光技術(shù)利用了激光的特性，計算出激光發(fā)射和接收的時間差，結(jié)合激光的速度可計算出激光發(fā)射點(diǎn)與激光反射點(diǎn)的距離S。通過測角系統(tǒng)可以將激光發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)物之間的水平角、垂直角計算出。通過建立被測物體和激光發(fā)射點(diǎn)距離、角度關(guān)系，確定被測物與激光發(fā)射點(diǎn)的相對位置P（x，y，z）。以激光發(fā)射點(diǎn)作為被測物三維位置P（x，y，z）的坐標(biāo)原點(diǎn)；原點(diǎn)豎向定義為Z 軸，向上為正；在儀器掃描橫向面中，從原點(diǎn)發(fā)出垂直干Z 軸的線定義為X 軸。在儀器橫向面中，從原點(diǎn)出發(fā)同時垂直干X 軸、Z 軸的射線定義為Y 軸。指向被測物體方向，作為X 軸，Y軸的正方向。

由圖2 可知，三維激光掃描系統(tǒng)點(diǎn)云坐標(biāo)計算公式：

圖2 三維坐標(biāo)計算原理圖

式中：S為采樣點(diǎn)P 至測站的空間距離；α為橫線掃描角度觀測值；θ為縱向掃描角度觀測值。

2.1.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)諈^(qū)進(jìn)行全自動、全方位的高精度自動掃描，進(jìn)而獲得完整、全面、連續(xù)且關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”，通過掃描出的“點(diǎn)云”構(gòu)建出采空區(qū)的“外衣”來最大限度的還原其完整形態(tài)并進(jìn)行三維重建[7]。

相比于傳統(tǒng)的采空區(qū)測繪方法，其工作效率高、安全性高，可獲取的空間數(shù)據(jù)精度高，可獲取的空間數(shù)據(jù)精度高，并且掃描儀有豐富的數(shù)據(jù)接口有助于后期各類軟件對坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，具有良好的應(yīng)用前景[8-9]。目前，國內(nèi)應(yīng)用的激光探測儀多為進(jìn)口，國際上主要激光測量系統(tǒng)生產(chǎn)商有英國的MDL 公司、加拿大OPTECH 公司、澳大利亞的I-SITE 公司、美國的CYRA 公司、奧地利的RIEGL公司，德國CALLIDUS公司等[10]。其中國內(nèi)進(jìn)口應(yīng)用較多的為加拿大OPTECH 公司的CMS 系統(tǒng)和英國MDI 公司的C-ALS系統(tǒng)。

在國內(nèi)，三維激光掃描法作為先進(jìn)的測繪技術(shù)已在空區(qū)探測中得到了廣泛的應(yīng)用。原廣武等采用CMS 系統(tǒng)對空區(qū)進(jìn)行探測并獲得精確數(shù)據(jù), 為殘礦資源的有效利用提供了依據(jù)。彭林等采用C-ALS 三維激光掃描系統(tǒng)對礦山采空區(qū)進(jìn)行了精準(zhǔn)探測，建立了空區(qū)可視化模型，并且對其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。馬玉濤等總結(jié)C-ALS 三維激光掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，并且在此基礎(chǔ)上將其應(yīng)用到安慶銅礦采空區(qū)探測，獲取了三維信息，提供了工程參考。黃彬等介紹C-ALS 三維激光掃描系統(tǒng)原理，并將其應(yīng)用于某金礦的探測，利用獲得到的數(shù)據(jù)在surpac 軟件建立模型，計算出空區(qū)體積、表面積及空區(qū)在X、Y、Z 軸上的最大最小值等數(shù)據(jù)。

2.1.3 GeoSlam 三維激光掃描系統(tǒng)

本次使用GeoSlam 系統(tǒng)開展工程掃描，其是由GeoSlam 公司研發(fā)的三維激光掃描系統(tǒng)，包括硬件ZEB-REVO 便攜式三維激光掃描儀和GeoSlam Hub、Geomagic Control、Cloud Compare 等軟件部分組成，儀器如圖3 所示。

圖3 1- 掃描儀；2- 數(shù)據(jù)采集器

圖4 建模流程圖

圖5 現(xiàn)場測試

ZEB-REVO 便攜式三維激光掃描儀可為用戶提供簡單快捷的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取新方法，用戶只需手持該款掃描儀移動穿越需要掃描的區(qū)域，即可完成三維掃描工作。和傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù)相比，使用這套設(shè)備無需進(jìn)行復(fù)雜的初始定位、整平、放置標(biāo)靶等多項準(zhǔn)備工作。ZEB-REVO 工作量程100 m，距離精度30 mm，量角水平方向270，垂直方向360，能夠每秒采集43 200 個點(diǎn)，分辨率可達(dá)0.625°。

使用GeoSlam 系統(tǒng)軟件建模，GeoSlam Hub 是集成了Slam 算法的點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算軟件，可將采集到的數(shù)據(jù)解算為空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Cloud Compare 和Geomagic Control 軟件，可對空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行釋希、降噪、去除孤立點(diǎn)，生成三維實體，支持對點(diǎn)和三維實體的編輯，具體建模流程如下。

2.2 測試過程與結(jié)果

在系統(tǒng)調(diào)試與驗證分析后，東北大學(xué)測試團(tuán)隊于對2101 采空區(qū)開展了探測。實驗前常村煤礦地測科在相應(yīng)區(qū)域打了4 個直徑90 mm 的觀測孔（圖2中紅色虛線），并在孔內(nèi)放置了套管，以防止孔壁坍塌造成鉆孔堵塞。

依據(jù)三維激光掃描的結(jié)果，依次在Cloud Compare 和Geomagic Control 中進(jìn)行處理，獲得了復(fù)雜采空區(qū)的三維模型。巷道長200 m，與采空區(qū)相距20 m；采空區(qū)長200 m，寬290 m，高度在2.8～4.5 m區(qū)間，具體參見圖6。

圖6 采空區(qū)模型圖

圖7 三維幾何模型

3 三維數(shù)值模型仿真分析

3.1 三維模型

以常村煤礦2101 采空區(qū)為研究背景，根據(jù)三維激光掃描結(jié)果，建立了采區(qū)的三維幾何模型，模型尺寸為：500 m×140 m×200 m（長×高×寬，X 為水平方向，Y 方向為豎直方向），節(jié)點(diǎn)共計47 606 個，單元96 830 個。模型內(nèi)包含一個采場空區(qū)與一條巷道，采場與巷道間距為20 m。該模型各邊界為法向約束，模型豎直方向為自重應(yīng)力，側(cè)向壓力系數(shù)為0.8（參考常村煤礦區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律）。

3.2 巖體參數(shù)

此次計算煤層上部和下部砂巖為摩爾- 庫倫本構(gòu)模型，煤層采用RDM 劣化巖體模型，該模型可以考慮巖體在峰后力學(xué)行為，能夠分析大變形問題，參數(shù)取自之前的測試結(jié)果，具體見表1。

表1 模型計算參數(shù)

3.3 三維計算結(jié)果與分析

結(jié)合巷道開挖和采場掘進(jìn)2 個階段，從位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布3 個評價指標(biāo)，對煤巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

3.3.1 位移場分析

巷道掘進(jìn)后：圍巖水平變形0.77～1.1 cm，兩幫中間部位變形較大；頂板豎向變形1.1～1.5 cm，主要集中頂板中部；巷道圍巖總體變形最大值約為1.55 cm。采場開采后：煤體水平變形3.7～4.4 cm，頂板豎向變形5.75～6.5 cm，巷道圍巖總體變形最大值約為6.55 cm；2 個階段的豎直變形均大于水平變形，具體見圖8 和9。

圖8 巷道開挖后圍巖變形

圖10 巷道開采后的主應(yīng)力圖

圖11 采場開采后的主應(yīng)力圖

圖12 塑性區(qū)分布圖

3.3.2 應(yīng)力場分析

應(yīng)力云圖表明：巷道開挖后，頂板的最小主應(yīng)力接近-14 MPa，兩幫最大主應(yīng)力1.5 MPa。應(yīng)力場變化幅度約為8～12%，煤巖層相對穩(wěn)定；采場開采后，采場端部圍巖的最小主應(yīng)力接近-19 MPa，頂板最大主應(yīng)力接近1 MPa，應(yīng)力場變化幅度約為100%，采場圍巖應(yīng)力場變化劇烈。

3.3.3 塑性區(qū)分析

上圖從左到右依次是：巷道開挖后的塑性區(qū)和采場開采后的塑性區(qū)。

塑性區(qū)圖表明：巷道開挖后圍巖基本穩(wěn)定，只是在巷道頂板局部產(chǎn)生塑性區(qū)；采場開采后，巷道圍巖塑性區(qū)沒有變化，表明20 m 間柱很好的隔離了應(yīng)力場變化對于巷道穩(wěn)定性的影響；采場整體穩(wěn)定性良好，僅在端部出現(xiàn)了1～1.5 m 的塑性區(qū)，沒有出現(xiàn)大規(guī)模垮塌。

通過對位移場、應(yīng)力場與塑性區(qū)分析，巷道開挖后對于煤巖體穩(wěn)定性影響有限，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；采場掘進(jìn)后，巷道和采區(qū)煤巖體穩(wěn)定性良好，不會出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

4 結(jié)論與展望

本文基于三維激光掃描技術(shù)，以常村煤礦2101采空區(qū)為背景，建立了采空區(qū)的精準(zhǔn)三維幾何模型，通過數(shù)值模擬的方法對采場穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：三維幾何模型與實際基本吻合；在巷道、采場開挖后頂板沒有出現(xiàn)大規(guī)模的冒落，采場整體穩(wěn)定。

本次在選擇抽稀值簡化復(fù)雜“點(diǎn)云”時以及修剪復(fù)雜空區(qū)邊界時難免帶有一定的主觀性，對于復(fù)雜“點(diǎn)云”以及復(fù)雜邊界的處理有待進(jìn)一步提高。