基于激光點云的巷道變形監測及支護研究

郭良林，周大偉，張德民，周寶慧

（1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州221116；3.新能礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000）

煤礦是我國開采最普遍的礦山，煤礦開采過程中，巷道冒頂、片幫時有發生[1]。因此有效準確監測巷道變形具有十分重要的意義。常規監測手段僅能夠提供變形體的變形狀態和一定變形范圍，不能獲取巷道整體位移場，且工作量大、作業時間長[2]。

三維激光掃描又被稱為實景復制技術，具有快速、海量、自動化的技術特點。隧道監測方面，眾多學者[3-9]將三維激光掃描應用于隧道形變監測領域,提出點云快速切片、擬合斷面中心等方法得出隧道斷面的偏移量；Oparin VN 等[10]利用三維激光掃描根據不同時刻觀測數據，確定了隧道襯砌未標記點的位移和隧道圍巖及拱的變形。巷道監測方面，Kajzar V[11-12]等介紹了脈沖掃描器LeicaC10 在礦山巷道中的應用現狀，證實了使用這項技術的可能性，并采用三維激光掃描儀對奧斯特拉瓦-卡維納煤田的煤礦巷道和煤柱穩定性進行了室內和煤柱面板試驗監測，得出圍巖和頂底板的移動情況和煤柱的穩定性；劉曉陽[13]等通過采用三維激光掃描的方法對巷道頂板穩定性進行監測, 得出三維激光掃描技術在巷道頂板穩定性監測中的可行性；江權等[14]在研究金川二礦深部巖體大變形時結合三維激光掃描技術來獲取巷道點云并建模，驗證了深部巷道表面的變形特點以及破壞方式的新特征。上述案例掃描儀工作環境大多屬于隧道或者金屬礦，環境較好，當井下復雜時，掃描儀有效掃描距離受限，上述數據處理并提取形變的方法不再適用。

巷道內充滿水汽，導致掃描儀有效掃描距離大幅減少，點云重疊部分細節丟失嚴重，整體點云拼接精度較差，無法滿足井下巷道監測的要求。因此提出利用不同時段同測站有效點云進行配準并提取形變的方法，為復雜監測環境下提供一種解決思路。

1 項目背景

1.1 工作面概況

王家塔礦正在開采的201 工作面位于2-2 煤南二盤區東部，是南二盤區首采工作面，東邊為101 工作面，于2016 年初采完，西邊是未開采的202 工作面，201 輔運巷道位于201 工作面西側，輔運巷道與工作面平面位置如圖1。201 工作面平均走向長度為1 252 m，傾向長為260 m，平均采厚3.26 m，工作面推進速度為12～15 m/d，煤層傾角平均為2°，工作面地面標高為+1 309～1 392 m，工作面標高+1 138.9～+1 150.8 m，平均采深為200 m。201 工作面煤層基本頂為灰白色細粒砂，均厚7.09 m，直接頂為深灰色砂質泥巖或淺灰色粉砂巖，均厚1.76 m，直接底為深灰色砂質泥巖或淺灰色粉砂巖均厚2.62 m。

1.2 201 輔運巷道支護方案

圖1 輔運巷道與工作面平面位置Fig.1 Plane position of auxiliary roadway and working face

巷道初步支護方式為錨網索梁聯合支護，頂部錨桿的間排距為900 mm×900 mm，采用φ20 mm×2 400 mm 錨桿，每孔2 卷藥卷；幫部采用φ20 mm×1 800 mm 錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，每孔1 卷藥卷；錨索間排距為2 000 mm×2 700 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 300 mm 的鋼絞線，每孔用3個藥卷。鋼筋梯子梁采用φ12 鋼筋焊制，金屬網采用φ6.5 mm 鋼筋焊制，網格為100 mm×100 mm，搭接100 mm。地板硬化厚度200 mm，混凝土強度C30，噴射混凝土75 mm，強度C20，初始支護設計如圖2。

圖2 初始支護設計Fig.2 Initial support design

101 工作面按照初始支護設計方案支護后，隨著101 工作面開采進行，101 輔運巷道受到變形破壞，嚴重影響后續工作面開采的進度。為保證安全生產，對2#煤201 工作面輔運巷道進行了補強支護措施，后期補強支護按三岔口補強支護，支護方式為錨網索梁聯合支護，錨索采用φ22 mm×10 000 mm的鋼絞線。補強支護方案如圖3。

2 監測方案布設及點云預處理

圖3 補強支護設計Fig.3 Reinforced support design

1）巷道監測方案布設。201 輔運巷道從切眼位置沿煤層推進方向共布設Q5、2F、K1、K2 4 個測站點，測站點絕對坐標采用全站儀觀測，測站點間隔在200 m 左右，在巷道兩幫每隔50 m 布設反射片，用于后期點云拼接。

2）點云預處理。地面三維激光掃描儀工作時由于測量方式多樣性的影響、操作人員經驗和現場掃描環境等因素的影響，會使獲取的點云中混雜著一些噪聲點，而這些噪聲點會影響后續建模的準確性[15-16]。目標點云噪聲點明顯，手動選中刪除即可；由于初始點云密度大，存在大量冗余數據，增加計算機后期處理點云壓力，需要進行點云重采樣處理，以減少大量的冗余數據給計算機帶來負擔[17-18]。點云重采樣的方法眾多，其中k-d tree、Octree 應用較為廣泛。由于Octree 的速度優勢[19]，采用Octree 數據原理對點云進行重采樣。

3 點云配準方案評價

3.1 整體點云配準

利用反射片進行巷道整體點云拼接，相鄰測站間點云重疊區域的點數量較少，點云稀疏，拼接效果差，直接導致一些特征點和反射片的點云細節嚴重丟失，相鄰測站點之間拼接精度達13 mm，整體精度18.4 mm。

通常情況下，三維激光掃描精度與儀器俯仰角度、觀測距離等多種因素有關[20]。儀器的掃描環境會影響數據獲取時的激光發射的有效距離，掃描儀獲取的點云數量多少是反映點云質量的1 個重要標準，點云數量足夠多時，利于后期數據特征地物的提取。201 輔運巷道內充滿水汽，嚴重影響三維激光掃描儀的觀測距離。為了探究水汽對三維激光掃描儀有效觀測距離的影響程度，取單測站點云每隔5 m 截取規格為1 m 的橫斷面，讀取相同規格的點云點云數量，掃描距離與點云數量關系如圖4。

圖4 掃描距離與點云數量關系Fig.4 Relationship between scanning distance and number of point clouds

通過圖4 得出隨著掃描距離增加，點云密度呈指數級下降，在距離超出60 m 時，點云數量平均約為200，已經對后期建模有影響。相鄰測站點之間的距離為200 m 左右，遠超出有效掃描距離；而且巷道整體拼接精度為18.4 mm，誤差較大不能滿足井下巷道變形監測的要求，同時部分細節的丟失也不利于后期頂底板形變提取。

3.2 單測站點云配準精度分析

單站數據的掃描的誤差主要有：儀器誤差、儀器高量取誤差，數據采集使用Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀，儀器主要的性能指標見表1。

表1 Riegl VZ-1000 掃描儀技術參數Table 1 Technical parameters of Riegl VZ-1000

儀器標稱精度為測距2 mm+0.002‰，測角16″，由于本次試驗設站距離為200 m，暫取距離100 m為有效點云數據，掃描儀垂直角不超過30°。因此，可得掃描儀的坐標誤差為：

式中：mxy為平面坐標測量誤差，mm；mz為高程測量誤差，mm；mxyz為空間坐標測量誤差，mm；mx、my分別為x 和y 方向的測點誤差。

儀器高從3 個方向量取中心的距離取平均值，其中誤差ml一般取1.5 mm。根據上述計算，按照誤差傳播定律，所測數據理論誤差公式為：

式中：m 為測量總誤差，mm；ml為儀器高量取誤差，mm。

可得點云理論誤差為4.0 mm，較常規的全站儀具有更高的精度，滿足巷道變形監測要求。

4 頂底板下沉提取

將處理后的采前6 月份觀測數據進行建模處理，將采至289 m 處的8 月份觀測數據作為測試文件,提取頂底板偏差數據，得到有效監測區域內頂底板等值線如圖5。

圖5 頂板底形變等值線圖Fig.5 Deformation of bottom and top plate

從圖5 中，可以看出走向上巷道頂底板中間區域和左右區域形變程度以及各測站監測區域內形變程度不同，揭示出工作面開采過程中巷道頂底板所受應力不均衡和不對稱性的特點。分別提取頂底板右側（近采面一側）、中軸線、左側（遠采面一側）位置處的形變數據，各剖面線間距為1.5 m，得到第2期觀測數據頂底板3 個位置相對于第1 期觀測數據的形變值，監測區域內沉降情況如圖6～圖8。中軸線頂底板移進量如圖9。

圖6 2F 測站頂底板變形Fig.6 Top and bottom plate deformation at 2F surveying station

1）巷道監測區域內頂板平均下沉量約為14.70 mm，頂板下沉最大處為中軸線位置距2F 測站26.8 m 處（推進方向為正），下沉量為142 mm；底鼓量平均約為-0.283 mm，底鼓最大處為底板左側剖面線位置距K1 測站2.7 m 處，為38.73 mm。

2）2F 測站監測區域內頂板平均下沉量為45.81 mm，K1 測站監測區域內頂板平均下沉量為25.17 mm，K2 測站監測區域內頂板平均下沉量為3.07 mm，巷道縱向受力不均衡，開采后方（采空區方向）巷道的劇烈程度大于前方（煤層方向），2F 站劇烈程度最大，巷道應力情況相較于8 月停采線位置表現出一定的時延性。監測區域內右側剖面線頂板平均沉降量為23.32 mm，左側中軸線頂底板平均沉降量為8.40 mm，巷道橫向受力不對稱，右側區域（近采面一側）劇烈程度大于左側區域（遠采面一側）。

圖7 K1 測站頂底板變形Fig.7 Top and bottom plate deformation at K1 surveying station

圖8 K2 測站頂底板變形Fig.8 Top and bottom plate deformation at K2 surveying station

圖9 中軸線頂底板移近量Fig.9 Center axis top and bottom plate moving amount

3）頂底板最大移進量129.6 mm（相對采高變形量為39.75 mm/m），平均移進量為13.57 mm（相對采高變形量為4.16 mm/m）。 根據《煤礦安全質量標準化考核評價辦法》，頂底板移近量按采高應≤100 mm/m，實測數據遠小于規范要求，表明巷道支護過強。

根據實際調查可知，201 工作面開采結束后，該201 輔運巷道作為202 工作面回風巷繼續使用，并且當202 工作面開采結束之后，該巷道仍未垮落，201 輔運巷道支護強度過強，測量結果與實際相符。

5 結 論

1）單測站配準方法配準精度達毫米級，滿足井下巷道變形監測的要求，可用于復雜環境下巷道變形監測點云處理。

2）巷道頂底板變形值顯示201 工作面采動時輔運巷道頂底板的所受應力呈現出非均勻、時延、非對稱等特性。

3）201 輔助運輸巷道頂底板移進量實測數據遠小于規范要求，結合實地調查結果，該巷道支護強度過強，建議后續工作面開采巷道的支護強度可適當減弱。