復雜采空區群精密探測及多軟件耦合建模

樊忠華 許振華，2 王 進

(1.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;3.江西稀有稀土金屬鎢業集團有限公司，江西 南昌 330046)

復雜采空區群精密探測及多軟件耦合建模

樊忠華1許振華1，2王 進3

(1.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;3.江西稀有稀土金屬鎢業集團有限公司，江西 南昌 330046)

常規采空區物理探測方法受空區形態及地質情況影響而降低精確度，不能準確地輸出空區三維形態信息，且后期分析困難。激光探測技術能很好地解決這一問題，但是針對遺留大量繁雜凌亂點柱的空區群，無論前期探測，還是后期建模難度都變大。以江西某鎢礦空區群為背景，利用三維激光掃描系統FARO進行了精密探測，采用Geomagic-studio軟件對探測產生的點云數據進行了整理，并進一步地探索了基于Minesight軟件和3Dmine軟件構建的三維空間模型與FLAC3D數值模型耦合問題。實踐證明，應用FARO系統建立的三維空間模型，能較方便地對采空區的殘礦量、采空區規模進行精確統計；在此基礎上，基于實測三維空間模型構建的FLAC3D數值模型，可對空區群的穩定性進行分析。

精密探測 空區群 點云數據 三維建模 點柱

20世紀70年代至90年代初，礦山普遍采用留礦采礦法、空場采礦法對地下資源進行開采，遺留下大量的地下采空區。空區群的出現，給礦山帶來了極大的安全隱患，同時，由于無序開采，積壓了大量的殘礦沒有回收，資源浪費嚴重。為解決空區群條件下礦山盲目開采問題，在保障安全的前提下，合理留設礦柱，開展探明采空區工作顯得尤為重要。目前常用的地下采空區物理探測技術有高密度電阻率法、地震映像法、探測雷達法和激光3D法等[1-5]。

1 工程實例

2007年，江西某鎢礦已經形成560、580、603、610、620 m等5個中段和5個坑口，其中2個無軌運輸坑口，3個有軌運輸坑口，總生產能力約2 000 t/d。經過多年的回采，已經形成相當規模的采空區(2007年底約為150萬m3)，并且以每年近20萬m3的速度遞增。目前正在開采的礦體為1W礦體。采用地下方式開采，所用的采礦方法基本上為留點柱、條柱的全面法，也類似于房柱法。采場靜空跨度10～20 m；據不完全統計，截止到2012年，點柱數量達400多個。

該礦開發存在點多面廣，作業人員設備多，運輸線路復雜等特點；同時，采空區的大量存在，對礦山生產及周邊都是一個很大的安全隱患。因此，探測采空區對今后合理地回收剩余礦產資源，解決井下生產過程中冒頂、片幫，地表塌陷破壞等潛在的安全隱患具有非常現實的意義。

2 基于FARO的采空區群的探測

2.1 FARO精密探測系統

FARO三維激光掃描儀的掃描原理如圖1所示。FARO發射器發出一個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P的坐標[6-9]，即

(1)

圖1 掃描點坐標計算原理Fig.1 Compute principle of scan point coordinate

2.2 采空區群探測

(1)探測位置確定。本次試驗選取的現場位于二坑口8線和10線之間，采場采空區具有一定的代表性，且采空區相對較安全，有利于人員進行現場試驗。選取空區范圍約100 m×80 m進行了探測，如圖2所示。

圖2 現場參考球Fig.2 The reference ball in the stope

(2)設備調試及探測。井下工作環境較地面差，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，測站的距離選擇在20 m之內，掃描精度選擇1/5和1/8，掃描質量選擇4×，設備參數調試整個過程都在掃描儀的液晶數字顯示屏上進行，全中文界面，易操作。儀器參數調試完后，在離掃描儀20 m左右界限處，擺放參考球，如圖2，通過預先放置的參考球，在后期數據處理過程中，可以將各站數據拼接成一個整體[10]。

每站的掃描時間2～5 min，FARO掃描儀通過點云數據，可以建立三維矢量圖，通過FARO自帶的軟件SENCE可以非常形象地還原現場原貌，如圖3所示。同時，FARO掃描儀兼有彩色拍照功能，由于現場的光線條件不好，拍攝效果較差，且彩色照片對于工程意義相對不大，所以選擇關閉彩色照相功能。

圖3 三維矢量現場云圖Fig.3 The trivector point cloud of the stope

2.3 三維空間模型構建

2.3.1 點云數據處理

點云數據處理包括3個步驟：首先各站點的點云數據拼接；其次無關噪點的刪除；最后點云數據抽稀。FARO掃描儀現場探測不能直接建立空區三維實體模型，得到的是由海量三維數據點形成的點云數據，同時，由于空區群復雜，且范圍廣，掃描探測設備通常不能一次性的探測完整個空區群，而需要進行多次不同點探測掃描，掃描完畢后再對各站數據進行拼接。

各站的點云數據拼接后，需對無關噪點進行刪除。噪點主要是由探測掃描過程中激光碰觸了空氣中的塵埃及地面的積水而形成的。噪點與現場作業環境有關，因此保持良好的工作環境，噪點將大量減小，后期數據整理工作量也將相應減小，噪點如不進行必要的處理，易造成空區三維空間模型與實際現場空間模型相偏離，影響后期空區穩定性分析。同時，FARO掃描儀探測得到的海量點云數據，信息量大，計算機需要的數據存儲空間大，為避免建模及后期分析計算機運行困難，在保持足夠精度的情況下，需對點云數據進行適當的抽稀。

上述點云數據的3個步驟可采用FARO掃描儀自帶軟件Sence完成，但與逆向工程軟件Geomagic Studio對比，Geomagic Studio軟件在站點間數據拼接，點云數據抽稀，噪點刪除方面相對更加方便，所以本次點云數據處理工作采用的是Geomagic Studio軟件。如圖4所示。

圖4 點云數據3D視圖Fig.4 3D view of the point cloud data

2.3.2 三維空間模型構建與空區模型要素統計

點云數據處理完畢后，下一步驟即為通過處理的點云數據進行三維空間模型構建，但是通過點云數據建立的三維空間模型，端口未進行封閉，需要對端口進行封裝，以形成封閉的三維實體模型，如圖5所示。經過Geomagic Studio軟件與礦業軟件Minesight 4.0研究后發現，可以通過接口文件將Geomagic Studio軟件中的模型導入到礦業軟件Minesight中，如圖5所示。三維空間模型導入Minesight后，不僅可在軟件中進行任意剖分，渲染使三維空間模型更形象化，而且可較方便地在Minesight軟件系統中對整個模型的體積、采空區體積、采場暴露總面積、礦柱的體積進行查詢。整個測量區域采空區的體積為54 729 m3，各礦柱的體積及采場暴露面積等見表1所示，采場靜空跨度10～25 m，采空區高度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 采空區試驗獲取各項參數Table 1 The parameters obtained by cavity test

礦柱體積/m31#2#3#4#5#礦柱總體積/m3空區大小/m3采場暴露面積/m2460184293577791449285472913606

2.3 多軟件耦合建模

空區群的三維空間模型建立后，一方面可對空區群的基本要素進行精確的把握，另一方面為對實測空區群進行力學穩定性分析提供了基礎。通過掃描得到三維空間模型，其實是建立了一個包絡空區的殼，殼內為空值，殼外也為空值，如圖6所示。但實際上，空區是與圍巖或殘礦直接連接的，故需建立空區附近圍巖與地表的實體模型，然后與采空區三維實體模型進行布爾運算，得到與實際情況相一致的三維空間模型，如圖7所示。FLAC3D雖計算功能強大，但前處理能力不足；然而，3Dmine具有強大的建模功能，可讓數值模擬直接利用和繼承三維地質建模數據，不僅可以大大降低數值模擬前處理的難度，而且可以提高模擬結果的可靠性。因此，將3Dmine 和FLAC3D進行耦合，開展基于實測的采空區穩定性數值模擬分析。同時，由于采空區的三維空間模型存于Minesight軟件中，需轉化至3Dmine軟件中，通常的礦業軟件中的實體模型基本均可以DXF格式輸出和導入。采空區實體模型導入至3Dmine后，通過創建塊體屬性，賦值等操作，就可直接另存為FLAC3D易于識別的TXT格式命令流，另外還可根據需要對部分命令進行適當修改。建立的基于實測的FLAC3D三維數值模型如圖8，圖9所示。

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

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

據不完全統計，該礦共有400個點柱，本次探測涉及到的點柱不足10個，即本次探測的空區周圍也還是空區。因此，針對探測范圍小且不獨立的空區，力學穩定性分析條件不足，本次也就沒有進一步進行空區群的力學分析。待今后空區群探測范圍增大后，就可采用以上方法和步驟進行點柱群空區穩定性分析。

圖8 三維數值模型Fig.8 3D numerical model

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

3 結 論

(1)地下空間和采空區三維激光掃系統FARO具有全自動掃描、操作方便、數據處理簡單等特點，Geomagic Studio軟件可較方便地對點運數據進行整理，并可通過接口文件導入至礦業軟件Minesight中，以對空區群的各要素進行精確統計和查詢。

(2)FARO三維激光探測掃描儀產生的海量點云數據中，也包含了一定的噪點，建模前需對噪點予以刪除，以免影響后期建模和進一步的穩定性分析。改善三維探測掃描儀工作環境，將大大減小噪點數量，點云數據整理也更簡單。

(3)三維激光掃系統FARO三維激光探測設備可對擁有大量點柱的復雜空區群進行探測，結合各礦業軟件建模的優勢，基于礦業軟件與巖土力學分析軟件之間的耦合建立的數值模型，能較方便地對基于實測采空區的模型進行計算分析(本次研究因研究區間所限沒有進行穩定性分析)。

[1] 過 江，古德生，羅周全．金屬礦山采空區3D 激光探測新技術[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.地下空區激光三維探測應用研究[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.基于CALS采空區探測及三維模型可視化研究[J].中國安全生產科學技術報,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] 宋衛東，付建新，杜建華.基于精密探測的金屬礦山采空區群穩定性分析[J].巖土力學,2012,33(12)：3781-3784. Song Weidong，Fu 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] 趙國彥．金屬礦隱伏采空區探測及其穩定性預測理論[D].長沙：中南大學，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耦合的采空區穩定性模擬分析[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版，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，等．基于CALS及Surpac-FLAC3D耦合技術的復雜空區穩定性分析[J].巖石力學研究與工程學報，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耦合技術的采空區穩定性分析與評價[J].礦業工程研究，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，FLAC3Dnumerical 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劃項目(編號：20111BBE0031)。

樊忠華(1984—)，男，碩士，工程師。

TD76

A

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