基于三維激光掃描與聲吶探測的賦水采空區(qū)穩(wěn)定性分析

范紅斌

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

0 引言

采空區(qū)積水是礦山的巨大安全隱患,極易發(fā)生透水淹井事故,據(jù)統(tǒng)計,僅5 a時間,全國已有300多個礦井發(fā)生透水、突水事故,共造成1360多人死亡以及600多億元的經(jīng)濟損失[1]。采空區(qū)積水情況不明是發(fā)生礦井透水、突水事故的一個重要原因[2],因此,探明采空區(qū)積水狀況非常重要。

近些年暑期期間,山西地區(qū)大量降雨和地下水轉移導致了煤礦采空區(qū)賦水,2021 年和2022 年汛期時,常村煤礦在采空區(qū)鄰近巷道巖壁上發(fā)現(xiàn)了明顯的滲水現(xiàn)象,表明采空區(qū)內部已經(jīng)存在大量積水,采用鉆探法對該結論進行了驗證。但具體水深以及飽水之后周圍巖體的力學性質變化未知,這使得賦水采空區(qū)成為鄰近采場與巷道煤巖穩(wěn)定性的重大安全隱患,易造成地表塌陷,影響地面建筑物。

傳統(tǒng)地下空間測繪存在作業(yè)難度大、效率低、精度差等問題,隨著礦山開采規(guī)模的日益增大,傳統(tǒng)鉆探、物探方法的不足難以適應更加多變、復雜的采空區(qū)探測[3]。三維激光掃描系統(tǒng)作為測繪領域的新技術,已在諸多大型礦山采空區(qū)探測中得到應用[4],但其無法探測水下部分?，F(xiàn)代聲吶技已廣泛應用于軍事、海洋、水利等多領域的水下探測[5]。國內外鮮有二者結合應用于采空區(qū)探測,同時獲得采空區(qū)水上水下部分信息的例子。

針對煤礦行業(yè)普遍存在的含水采空區(qū)難以精準探測以及老舊采空區(qū)賦水后鄰近采場穩(wěn)定性評價的難題,本文提出一種基于賦水采空區(qū)精準激光點云掃描的煤巖體穩(wěn)定性分析技術,將三維激光掃描與聲吶探測相結合,開展賦水采空區(qū)聯(lián)合探測,并通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件分析采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性。

1 賦水采空區(qū)精準探測方法

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是測繪領域近年來興起的一項激光應用技術,由于激光的高速度及高精度,所收集到的點云數(shù)據(jù)中的每個點都相當于測量場景的真實位置分布,該技術不同于傳統(tǒng)的單點測量方法,通過使用激光進行全方位掃描,快速獲取三維空間的坐標點,其特點就是高精度、高速度、高還原,是國內外測繪領域關注的熱點之一[6]。

三維激光掃描儀的工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射一束紅外線激光束,經(jīng)過旋轉光學鏡的反射到達被測物體的某一點,再經(jīng)過漫反射回到掃描儀接收器,記錄激光束往返一次所耗費的時間,結合激光速度計算出被測物體P(x,y,z)距離掃描儀的距離值S,同時記錄水平偏轉角α和豎直偏轉角θ,以掃描儀內部激光發(fā)射點為原點建立坐標系,以X、Y作為水平坐標,Z作為垂直坐標建立空間直角坐標系,如圖1所示。

圖1 三維坐標計算原理

由圖1可知,三維激光掃描系統(tǒng)點云坐標計算公式:

式中,S為采樣點P至測站的空間距離;α為橫向掃描角度觀測值;θ為縱向掃描角度觀測值。

1.2 聲吶探測技術

試驗證實,在人們所熟知的各種輻射信號中,以聲波在海水中的傳播性能為最佳,據(jù)此研制出了各種“聲吶”設備[7]。聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備,是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置[8],有主動式聲吶和被動式聲吶兩種。

主動式聲吶的工作原理是:儀器發(fā)射某種形式的探測信號,依據(jù)接收到的回波信號來判斷目標的參量,通過回波信號與發(fā)射信號間的時延推算出目標的距離,由回波波前法線方向可推算出目標的方向,而由回波信號與發(fā)射信號之間的頻移可推算出目標的徑向速度。此外,由回波的幅度、相位及變化規(guī)律可以識別出目標的外形、大小、性質和運動狀態(tài)[9]。

假設發(fā)射信號是s(t),0

式中,α(r)為傳播損失引起的衰減因子;c為水中的聲速。

設目標以徑向速度v運動,則:

因而:

式中,r0為初始距離;τ=2r0/c;δ=2v/c。

由上可知:

可見回波在時間上被延遲了τ秒,τ為信號往返于聲吶目標之間的時間?；夭ㄊ前l(fā)射信號(脈沖)在時間上被壓縮或展寬(頻率升高或降低)了的波形。其壓縮量或展寬量決定于目標的徑向速度v,通過對接收信號的分析,可求出目標距離和徑向速度。

1.3 聯(lián)合探測技術

使用三維激光掃描和聲吶分別對采空區(qū)水上、水下部分進行探測,由于儀器掃描出來的都是帶坐標的點云,可以通過坐標結合到一起。探測儀器采用“ZEB-REVO 便攜式三維激光掃描儀”和“賦水采空區(qū)三維數(shù)字聲吶測量系統(tǒng)TBG2000”。

ZEB-REVO 掃描儀的量角范圍水平方向270°,垂直方向360°,距離精度30 mm,能夠每秒采集43 200個點,分辨率可達水平0.625°;且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)的激光掃描技術相比,使用該設備無需進行復雜的初始定位、整平、放置標靶等多項準備工作。

TBG2000探測儀采用新型聲吶傳感器,分辨率高;產(chǎn)品的直徑不到8 cm,方便通過鉆孔下探到充水采空區(qū)進行三維探測;重量輕,附件少,汽車電瓶供電,2人即可作業(yè);其掃描精度為4 m 內2 mm,5 m 以上10 mm,定向精度±1°;傾斜/滾動傳感器精度±0.1°;可承受1000 m 水深的壓力;數(shù)據(jù)格式兼容Surpac、3Dmine、CAD 軟件。

使用GeoSlam 系統(tǒng)軟件建模,其軟件部分包括GeoSlam Hub、Geomagic Control、Cloud Compare。GeoSlam Hub是集成了Slam 算法的點云數(shù)據(jù)解算軟件,可將采集到的數(shù)據(jù)解算為空間點云數(shù)據(jù)。Cloud Compare和Geomagic Control軟件可對空間點云數(shù)據(jù)進行稀釋、降噪、去除孤立點,生成三維實體,支持對點和三維實體的編輯,建模過程包括外業(yè)測量和內業(yè)建模兩部分,如圖2所示。

圖2 建模流程

2 工程應用

為了分析常村煤礦2101賦水空區(qū)的穩(wěn)定性及其對鄰近采場與巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,本文采用ZEB-REVO 三維激光掃描儀和TBG2000聲吶探測儀對其進行聯(lián)合探測,結合FLAC3D 數(shù)值計算軟件,采用流固耦合方法分析其穩(wěn)定性,并作出安全評價。

此外,為了測試聯(lián)合系統(tǒng)對賦水空區(qū)的測試效果,首先在回風巷運輸聯(lián)巷附近的一二水平瓦斯抽放管路與2105輔助運輸順槽回風通道交叉口處進行一次三維掃描,圖3為空區(qū)鄰近巷道的巖壁水跡圖。

圖3 巖壁水跡

2.1 賦水巷道驗證測試

為了防止孔壁坍塌造成鉆孔堵塞,在相應區(qū)域鉆鑿了3個直徑為90 mm 的觀測孔。三維激光掃描的極限測試距離為200 m,有效距離為150 m;聲吶探測極限距離為300 m,有效距離為200 m,因此,3個鉆孔完全可以覆蓋該區(qū)域,2022年9月25日至9月27日開展了賦水巷道三維掃描,位置如圖4所示。

圖4 驗證巷道位置

根據(jù)獲得三維激光點云數(shù)據(jù)和聲吶探測波,建立了巷道的三角面片幾何模型(見圖5)。根據(jù)水下測試結果建了賦水采空區(qū)的水下三維幾何模型(見圖6)。

圖5 巷道三角面片網(wǎng)格模型

圖6 巷道水下部分實體模型

測試結果為:巷道跨度3.3～3.6 m,高度4.0～4.3 m,水深1.8 m。測試結果與設計值基本吻合(設計跨度3.6 m,高度4.2 m)。該測試結果證明采用三維激光和聲吶聯(lián)合對賦水采空區(qū)進行探測是完全可行的,測試結果見表1。

表1 賦水巷道測試結果

2.2 復雜采空區(qū)三維探測

在系統(tǒng)調試與驗證分析后,2022年9月28日至9月30日對常村煤礦2101 賦水空區(qū)開展了探測。試驗前在相應區(qū)域打了4個直徑90 mm 的觀測孔,并在孔內放置了套管,以防止孔壁坍塌造成鉆孔堵塞,采空區(qū)位置如圖7所示。

圖7 采空區(qū)位置

根據(jù)探測結果,依次在Cloud Compare 和Geomagic Control中進行處理,獲得了復雜采空區(qū)的三維模型。巷道長203 m,與采空區(qū)相距20 m;采空區(qū)長203 m,寬30 m,高2.8～4.5 m,水深1.5 m,如圖8所示。

圖8 賦水空區(qū)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空區(qū)為研究背景,根據(jù)三維激光掃描和聲吶探測結果,建立了2101采區(qū)的三維幾何模型(見圖9),模型尺寸為:300 m×200 m×210 m(長×高×寬,X為水平方向,Y方向為豎直方向),節(jié)點共計1986個,單元8133個。模型內包含一個采空區(qū)與一條巷道,二者間距20 m。該模型各邊界為法向約束,模型豎直方向為自重應力。

圖9 幾何模型

3.2 巖體參數(shù)

此次計算煤巖和砂巖均采用摩爾－庫倫本構模型,根據(jù)相關地質資料和工程實測得出各巖層物理力學參數(shù),具體見表2。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

3.3 三維計算結果與分析

結合巷道開挖、采場掘進和賦水滲透3個階段,從位移場、應力場和塑性區(qū)分布3個方面,對煤巖體穩(wěn)定性進行分析。由于采空區(qū)內賦水來自地表,為了保證分析結果的準確性,假定采空區(qū)內水體為有壓水,且壓強為靜水壓強。

3.3.1 位移場分析

各個階段的位移變化見表3?？梢钥闯?巷道開挖后整體變形量不大;采場掘進后豎直位移最大值接近19 cm,且明顯大于水平位移;賦水后水平位移最大值從6.3 cm 增加至15.1 cm,豎直位移最大值從18.7 cm 增加至35.8 cm。由此可見,采空區(qū)賦水后對圍巖的變形有很大影響。

表3 各階段的圍巖位移 cm

3.3.2 應力場分析

賦水前各個階段的主應力見表4,各應力值為巷道和采場周圍的應力值。

表4 賦水前各階段的主應力

采空區(qū)賦水后的主應力和孔隙水壓力如圖10、圖11和圖12所示,各圖中單位均為Pa。

圖10 最小主應力云圖

圖11 最大主應力云圖

圖12 孔隙水壓力云圖

從圖10至圖12可以看出:巷道頂板的最小主應力約為24 MPa,兩幫最大主應力為6 MPa;采空區(qū)頂板的最小主應力為12.5 MPa,兩幫的最大主應力為4 MPa,巷道周圍的應力明顯大于采空區(qū)周圍的應力。根據(jù)圖12可知:孔隙水壓力從采空區(qū)向巷道逐漸降低,孔隙水壓力在采空區(qū)附近接近0.65 MPa,巷道附近在0.1 MPa以內。

3.3.3 塑性區(qū)分析

賦水后的塑性區(qū)分布如圖13所示。由圖13可知:空區(qū)的頂板和端部出現(xiàn)了一定的塑性區(qū),其中頂部的塑性區(qū)約3 m,端部的塑性區(qū)約1 m,表明在水的軟化泥化、溶蝕潛蝕和孔隙水壓等作用下,采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性出現(xiàn)一定程度的弱化。巷道周圍沒有塑性區(qū),表明20 m 間柱較好地隔離了水對巷道的影響,在巷道附近的孔隙水壓力幾乎為0也說明了這一點。

圖13 賦水后塑性區(qū)分布

通過對位移場、應力場與塑性區(qū)分析可知:采空區(qū)賦水后,暴露的煤巖體位移量迅速增大,且存在大面積的塑性區(qū),表明采空區(qū)賦水對于煤巖體的穩(wěn)定性有很大影響,因此建議及時將采空區(qū)內的水排出,防止煤巖體的冒落。

4 結論

(1)以常村煤礦2105輔助運輸順槽回風通道(含水)和2101賦水空區(qū)為背景,驗證了三維激光掃描和聲吶技術聯(lián)合探測賦水采空區(qū)的可行性。

(2)2101采空區(qū)在賦水后,頂部和端部位移量較之前迅速增加,最大位移量接近36 cm,且采空區(qū)頂部和端部分別出現(xiàn)了約3 m 和1 m 的塑性區(qū),可見采空區(qū)賦水對于煤巖體的穩(wěn)定性有很大影響,建議完善井下排水系統(tǒng),保證雨季期間滲透到采空區(qū)的雨水盡快排出,以防止煤巖體的冒落。