基于三維激光掃描的采場穩定性分析

2023-11-14 05:05:10李彥軍

煤礦現代化 2023年6期

李彥軍

（山西省長治市屯留區余澤鎮常村煤礦，山西長治 046000）

0 引言

采空區失穩可能引發頂板冒落、片幫、巖爆、礦震和地表沉陷等工程安全問題和植被破壞、田地損毀、水土流失、山體滑坡等生態環境安全問題[1]；如2015年山東省臨沂市玉榮石膏礦采空區發生坍塌，造成1人死亡，13 人失蹤，直接經濟損失4 133 萬多元[2]。

鉆探法主要是依靠鉆探設備、鉆具，通過預先設置好的鉆孔進行鉆孔探測。優點是成像精度高，能夠確定布點處采空區的頂板位置和高度，可用于對已有資料與其他物探方法所獲得數據進行驗證，但缺點是鉆探耗費時間長，工作量較大，因而成本高，大多用于定性探測采空區是否存在[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）、地質雷達波法等。其中高密度電法適用干富水采空區，但受到地形影響較大，同時其探測結果的體積效應比較明顯；電磁法對富水采空區探測效果很好，對低阻反應相當靈敏，缺點是易受到電磁干擾；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域；瑞雷面波法探測出的采空區范圍較為可靠，并且可以連續測量，但是對地形要求較高，通常需要較為平坦的地形；地質雷達法優點是工作效率高且探測分辨率高，缺點是探測深度較淺，同時易受電磁干擾[4]。

隨著日益增大的礦山開采規模使得采空區內部的精確探測越來越重要，傳統鉆探、物探方法的不足難以適應更加多變、復雜的采空區探測。三維激光掃描系統作為測繪領域新技術革命的典型產物，已在諸多大型礦山采空區探測中得到應用[5]，詳見第二部分。

煤礦采空區穩定性是其安全生產運行中的重中之重。常村煤礦2101 采場已開采完畢，但其穩定性未知，可能對臨近采場與巷道煤巖穩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地經濟發展。本文使用便攜式三維激光掃描儀完成采空區的精準探測，通過FLAC3D數值軟件分析其穩定性。

1 采空區概況

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

為了分析2101 采空區及其鄰近巷道圍巖的穩定性，本文基于三維激光掃描技術，結合地質資料與前期施工圖，建立2101 采空區（圖中紅線部分）的精準三維幾何模型；結合東北大學不久前對常村煤礦相應位置煤巖體的力學測試結果；采用FLAC3D數值軟件，分析其穩定性，并提供安全評價。

圖1 采空區平面圖

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

最近幾十年激光作為一門新技術發展起來，推進了測繪技術的進步。繼無線電、半導體、電子計算機、原子能、量子物理學等技術之后，激光技術被稱為重大的技術發明。經過科學工作者十幾年的科學研究，激光技術發展得到很大提升，首先體現在激光測距經歷了一維測距、二維測距、三維測距階段的發展上。其次體現在激光測量精度上，實現了激光測量高精度，無合作目標的測量，并結合電子計算機技術實現了數據的自動和無線傳輸，由此各式各樣的激光設備應運而生，激光技術在多領域得到應用，例如三維激光掃描技術在測繪方向的應用，使得測繪領域在測量工具上有了一個全新的測量技術[6]。

2.1.1 三維激光掃描技術的基本原理

三維激光技術利用了激光的特性，計算出激光發射和接收的時間差，結合激光的速度可計算出激光發射點與激光反射點的距離S。通過測角系統可以將激光發射點與目標物之間的水平角、垂直角計算出。通過建立被測物體和激光發射點距離、角度關系，確定被測物與激光發射點的相對位置P（x，y，z）。以激光發射點作為被測物三維位置P（x，y，z）的坐標原點；原點豎向定義為Z 軸，向上為正；在儀器掃描橫向面中，從原點發出垂直干Z 軸的線定義為X 軸。在儀器橫向面中，從原點出發同時垂直干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，三維激光掃描系統點云坐標計算公式：

圖2 三維坐標計算原理圖

式中：S為采樣點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 三維激光掃描技術的特點及應用

三維激光掃描技術能夠對空區進行全自動、全方位的高精度自動掃描，進而獲得完整、全面、連續且關聯的全景點坐標數據“點云”，通過掃描出的“點云”構建出采空區的“外衣”來最大限度的還原其完整形態并進行三維重建[7]。

相比于傳統的采空區測繪方法，其工作效率高、安全性高，可獲取的空間數據精度高，可獲取的空間數據精度高，并且掃描儀有豐富的數據接口有助于后期各類軟件對坐標數據的處理，具有良好的應用前景[8-9]。目前，國內應用的激光探測儀多為進口，國際上主要激光測量系統生產商有英國的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]。其中國內進口應用較多的為加拿大OPTECH 公司的CMS 系統和英國MDI 公司的C-ALS系統。

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

2.1.3 GeoSlam 三維激光掃描系統

本次使用GeoSlam 系統開展工程掃描，其是由GeoSlam 公司研發的三維激光掃描系統，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- 數據采集器

圖4 建模流程圖

圖5 現場測試

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云數據獲取新方法，用戶只需手持該款掃描儀移動穿越需要掃描的區域，即可完成三維掃描工作。和傳統的激光掃描技術相比，使用這套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。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，分辨率可達0.625°。

使用GeoSlam 系統軟件建模，GeoSlam Hub 是集成了Slam 算法的點云數據解算軟件，可將采集到的數據解算為空間點云數據。Cloud Compare 和Geomagic Control 軟件，可對空間點云數據進行釋希、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，具體建模流程如下。

2.2 測試過程與結果

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

依據三維激光掃描的結果，依次在Cloud Compare 和Geomagic Control 中進行處理，獲得了復雜采空區的三維模型。巷道長200 m，與采空區相距20 m；采空區長200 m，寬290 m，高度在2.8～4.5 m區間，具體參見圖6。

圖6 采空區模型圖

圖7 三維幾何模型

3 三維數值模型仿真分析

3.1 三維模型

以常村煤礦2101 采空區為研究背景，根據三維激光掃描結果，建立了采區的三維幾何模型，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），節點共計47 606 個，單元96 830 個。模型內包含一個采場空區與一條巷道，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力，側向壓力系數為0.8（參考常村煤礦區域構造應力分布規律）。

3.2 巖體參數

此次計算煤層上部和下部砂巖為摩爾- 庫倫本構模型，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行為，能夠分析大變形問題，參數取自之前的測試結果，具體見表1。

表1 模型計算參數

3.3 三維計算結果與分析

結合巷道開挖和采場掘進2 個階段，從位移場、應力場和塑性區分布3 個評價指標，對煤巖體穩定性進行評價。

3.3.1 位移場分析

巷道掘進后：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。