3D TLS在相似模型開采實驗中的應用研究

侯耀青,史長鰲,劉秀格

(中國冶勘一局518隊,河北 邯鄲056003)

相似材料模型實驗是一種以相似理論為基礎,用一定的相似材料構造物理參數與工程相似模型來研究實際工程問題的實驗方法。通過模型實驗,能在短時間內從一定程度上全面地反映巖土工程力學過程和變形形態,具有靈活性和直觀性,是研究人員經常采用的研究手段[1]。但是傳統的模型點位移觀測方法都不同程度地存在著觀測和記錄工作量大,數據處理過程繁瑣,獲取數據不同時等缺陷。地面三維激光掃描技術以非接觸、高精度、高速度、高密度、面狀掃描的方式一次性實時獲取模型表面大量的三維空間坐標,經過三維建模可以重現模型在不同階段的原有狀態,而被稱為“實景復制技術”,在很多領域得到了廣泛應用[2,3]。本文采用地面三維激光掃描儀進行模型點位移觀測方法,并以某礦區為例對高效開采條件下地表下沉動態沉陷規律進行了研究。

1 地面三維激光掃描

地面三維激光掃描技術包括三維激光掃描儀及其數據采集、處理的理論與方法和相應的數據處理軟件等,其核心是三維激光掃描儀。

本研究使用Konica Minolta Vivid 910型三維激光掃描儀采集模型表面的三維空間數據。該儀器使用激光三角法測距,通過光源孔發射出一束水平的激光束來掃描物體,激光線經過旋轉平面鏡的作用,改變角度,使得激光線發射到物體表面,經過物體表面反射之后,每一條激光線都通過CCD傳感器采集成一幀數據。根據物體表面不同的形狀,每條激光線反射回來的信息中所包含表面等高線數據,完整范圍的最高精度掃描只需要2.5s(快速模式0.3s)。將物體表面的形狀轉換為超過300 000點的點云數據,精度達到0.008mm,測程在500-2 500mm。Vivid 910不僅能提供點云數據,此外一個24bit色深度的被掃描物體的彩色圖像同時被采集下來。速度上的優勢和超高精度使得Vivid 910在很多要求高速掃描和高精度的工程研究項目中得到應用。

通過對數據進行一系列處理獲得目標的三維立體模型。目標的三維構模、格式轉換、三維可視化以及各種量算等都在專業應用軟件下進行。常用的“點云”數據處理軟件有Polyworks、Cyclone以及I-SiTE Studio等。如利用Polyworks軟件進行三維建模,可快速將“點云”圖轉換成三維模型、二維平面圖、等高線圖或斷面圖等。數據可在Auto-CAD、MicroStation軟件平臺上或其它繪圖軟件上直接使用,也可用Polyworks軟件在點云圖內直接完成三維交互式可視化檢測及概念設計等。

2 模型設計與觀測

相似材料模擬方法是根據相似原理將礦山巖層以一定比例縮小,用相似材料作成模型,然后在模型上模擬煤層開采,觀測模型上巖層的移動和破壞情況,根據模型上出現的情況,分析推測巖層實際發生的破壞和移動情況。

2.1 模型設計

結合山東某礦區地層情況模擬研究高效開采條件下地表動態沉陷規律。擬模擬開采深度240m,開采厚度8m,開采長度1 040m,推進速度12m／d。

2.2 測線設計與觀測方法

根據高效煤層開采的移動特點,本實驗模型上覆巖層上布置了6行41列大號觀測點和2行42列小號觀測點。大號觀測點縱向、橫向布置間距均為100mm,測點標志為一半徑為15mm的大圓,其中心為0.5mm的十字線,小號觀測點一行布置在地表,一行布置在頁巖內,測點橫向間距為100mm,測點標志為一半徑為7mm的小圓,其中心為0.2mm的十字絲,如圖1所示。實驗驗采用Vivid 910三維激光掃描儀,在各個塊段開采后對模型進行全面觀測。

2.3 模型開采與觀測

模型架尺寸為4 200mm×250mm×1 800mm,左側留800mm煤柱,右側留800mm煤柱。設計開采寬度為2 600mm,開采分52個塊段連續開采,開采時考慮時間比,從左邊開始開采,每個塊段開采50mm,實驗每2個小時開采一個塊段(相當于實際每天推進12m),每開采完一個塊段,隨即使用Vivid 910三維激光掃描儀對模型進行整體掃描觀測。儀器設在距模型表面1.2m處,從多個不同的視點對模型進行掃描。

開采第1、2塊段時,頂板無垮落。隨著開采寬度的加大,頂板逐步垮落,垮落高度也逐步加大。采空區上覆巖層從邊界向內側以60～70°的斷裂破壞線向地表發展,靠近采空區的3層頂板完全斷裂垮落至采空區,再其上各巖層在斷裂破壞線處斷裂并向下彎曲支承在下覆巖層上,巖層間離層主要發育在兩側斷裂破壞線之間的采空區中部,當垮落或斷裂破壞線發展至地表時,采空區中部上方的大離層消失。之后隨著開采向前推進,開采側斷裂破壞線也向前發展,最后采至停采線位置時,停采線一側斷裂破壞線角度比開切眼一側要小。圖2為開采至19塊段時頂板斷裂垮落局部模型照片。

3 數據處理與數據分析

3.1 數據處理

采用后處理軟件Polyworks 8.0提供的坐標匹配(登記)功能將不同視點的點云數據“拼合”為一個完整的點云模型,利用自動分段處理功能、抽取功能和TIN模型構造等功能,將相似材料模型體的細部模型化,并最終完成整個模型體的三維建模。對58期次(開采前初始掃描2次,穩定后不同時期分別進行4次掃描,52個塊段每開采一次隨即對模型進行整體掃描)的掃描點云數據進行預處理、三維建模和特征提取,得到模型觀測點的三維坐標數據,靶標中心特征提取如圖3所示。

3.2 數據分析

根據提取的模型觀測點不同期次的三維坐標,繪制了模擬高效開采條件下地表下沉隨工作面推進的動態沉陷過程曲線,如圖4所示。

回采工作面由開切眼開始,開采完1～4塊段后地表沒發現移動,第5塊段采后地表部分點下沉超10mm,即本實驗啟動距100m,約為采深240m的0.42倍。隨著工作面推進距離的繼續增加,地表下沉盆地逐漸增大,動態最大下沉值也不斷增大。當工作面推進到一定距離后,動態最大下沉值增加量減小,從開始開采到20塊段為地表下沉發展階段,此后隨著工作面繼續推進,最大下沉值增加的較小。即從20塊段開始一直到52塊段開采結束為動態下沉充分階段,動態下沉盆地出現平底,而且下沉盆地的平底隨著工作面向前推進而不斷增大;工作面停采后地表下沉衰減階段下沉盆地向前移動(擴大)較小。這一結果與多年這一礦區的地表實測資料反映的情況吻合較好[4]。

4 結語

地面三維激光掃描技術以其獨有的優勢,在高效開采條件下模型開采實驗模型點位移觀測中得到了應用,與傳統觀測方法最顯著的不同在于日后可以重現三維模型的動態變化的全過程,并可隨時進行特征提取,這為日后實際開采過程中地表實測數據的反演分析對比提供了可能,為地表動態沉陷規律的研究提供了新的和更加有效的手段。此外,采用三維激光掃描技術進行模型點位移觀測簡便易行,效率和精度更高,使人們擺脫了繁復的觀測、記錄和計算。

[1]戴華陽,王金莊,張俊英,等.急傾斜煤層開采非連續變形的相似模型實驗研究[J].湘潭礦業學院學報,2000,15(3):1-6.

[2]李秋,秦永智,李宏英.激光三維掃描技術在礦區地表沉陷監測中的應用研究[J].煤炭工程,2006,4:16-18.

[3]史長鰲,周 園,劉秀格,等.基于LIDAR數據融合的數碼城市三維重建[J].河北工程大學學報(自然科學版),2007,24(2):81-83.

[4]煤炭科學研究總院北京開采研究所.礦區鐵路下綜合機械化放頂煤開采試驗研究報告[R].兗州:兗州礦務局興隆莊煤礦,1995.