三維激光掃描技術在圍巖頂板下沉量監測中的應用

張鵬飛

（晉能控股山西科學技術研究院能源研究院有限責任公司，山西 晉中 030600）

0 引言

井下巷道的圍巖應力分布復雜，如果缺少對圍巖穩定性的準確分析，則極易引發冒頂、片幫等頂板事故。為了解巷道圍巖的變形規律，并為巷道支護提供有效方案，有必要對圍巖的巖性、埋深、位移規律、圍巖強度進行監測[1]。三維激光掃描監測技術是一種高效、反應靈敏且準確率高的圍巖探測技術，目前已在隧道工程、冶金工程等領域有著良好的使用案例[2]。根據山西某煤礦地質條件，針對該礦3306 工作面輔運巷道沿空留巷后頂板變形破壞嚴重、支護措施、后期支護困難的問題，將三維激光掃描技術引入巷道變形量的實測，闡述了三維激光掃描技術動態監測在巷道圍巖變形中的應用情況。

三維激光掃描監測技術具備應用廣泛、適應性強等優點，是工程測量領域內繼GPS 技術之后的又一次革命性技術創新。受益于激光掃描高速、高精度、零接觸的技術特點，在對礦區地表沉陷、滑坡變形、巷道圍巖位移進行監測時，需要沿巷道頂底板和圍巖四周分別布設測站點和反射片，通過對激光點探測所得的數據進行云拼接處理后，可以提取出比傳統探測方法更詳細的地質信息[3]。測站點所構成的空間坐標由全站儀確定，從觀測方法、測量數據、點云密度、精度等方面進行分段式研究。

三維激光掃描監測的關鍵是控制點和反射片的布置，由于井下環境復雜，激光的有效掃描距離較地面會大幅降低，對監測的細節也會產生影響。因此在布置觀測點前需對相鄰測點的間距進行掌控。

1 三維激光掃描儀

采用RIGELVZ-1000 型三維激光掃描儀進行巷道圍巖變形規律的觀測，設備主要由筆記本、激光掃描儀機組箱及其他電源、電源線組成，主要參數指標見表1。激光掃描儀的垂直視場范圍達到了100°，水平視場可實現360°自由旋轉，發射頻率達到3 000 000 點/s，測量距離區間為2.5～1 400 m。另外設備所采集的數據將以目錄列表形式導入，可以實現實時存儲與特征篩選，同步進行云控制與連接。

表1 RIGELVZ-1000 型三維激光掃描儀主要參數

在使用時，由于井下光線較暗，設備的校準工作需在地面完成之后再帶入井下，激光掃描儀通過有線端口連接筆記本，在自帶RISCAN PRO 軟件系統中操作實現對設備的控制和計算。利用RIGEL VZ-1000地面三維激光掃描儀能夠快速、高效地獲取巷道圍巖的海量數據，計算井下巷道監測區域范圍小，結合RIGEL VZ-1000 地面三維激光掃描儀器的技術指標，測點理論值可以達到毫米級，滿足巷道監測需求。

2 煤層基本條件

該煤礦3306 工作面采煤層為3 號煤層，賦存于山西組下部，位于三采區中西部，工作面標高為+651.3～+690.3 m，該工作面北起三采區三條大巷，南至煤礦井田邊界，東部以40 m 的保安煤柱與3304 工作面采空區相隔，西部為3307 備采工作面（實體煤），3306工作面基本不受相鄰工作面采動影響。

3 號煤層節理、裂隙較為發育，部分地段煤質松軟，片幫嚴重。3 號煤層結構簡單，含有夾矸0～2 層，硬度f=3，煤層傾角0°～15°，根據鄰近工作面及3306 掘進工作面實際揭露煤層厚度情況分析，3306綜放工作面煤層厚度為4～6.3 m，平均厚度為5.59 m。

3 礦壓監測設計與實施

3306 工作面安裝KJ515 礦山壓力監測系統一套，共安裝KJ515-F 礦用本安型分站1 臺、GPD60 礦用本安型壓力傳感器15 臺、YHY60（B）礦用本安型數字壓力計141 臺。該壓力傳感器可以實現對支架工作阻力、初撐力、抗壓形變規律的自動監測。但針對回采工作面初次來壓、周期來壓的巷道變形規律與步距等礦壓參數的觀測情況則略顯不足。

3.1 測點的布置

經過對激光掃描儀的校準，最終選擇在超前回采工作面50 m 位置處安設儀器，采用十字監測法對巷道圍巖的收斂規律進行監測。主要監測內容包括巷道位移量和沿空巷道位移量，其中對超前工作面巷道位移監測原理見圖1-1，沿空巷道位移監測原理見圖1-2。LAB表示兩幫移近量，LCD表示頂底板移近量，LOC表示頂板下沉量，L1表示底鼓量，頂底板移近量采用頂板動態儀進行量測，兩幫移近量采用收斂計量測。

圖1 工作面圍巖收斂監測

3.2 錨桿、錨栓工作阻力監測

在超前回采工作面50 m 處的巷道中部區域安裝激光監測點，根據對井下巷道的實地勘查將對3306工作面輔運巷道沿推進方向布置四個激光控制點，記作J1、J2、J3、J4，如圖2 所示。為了降低周圍環境對控制點所造成的破壞，統一布控在巷道頂板上，間隔200 m 布點。采集數據時利用垂球投點法在巷道底板上作出標記，可以測得500 m 范圍內圍巖位移的信息。同時為方便后期系統數據處理的準確性，將在巷道圍巖頂板和兩幫位置上每間隔50 m 布設3 個反射片，反射片所采集的數據也可以用于信息分析。

圖2 監測點布置示意圖

3.3 設備調校

在激光掃描儀架設平整后，用測量工具分別測出掃描儀的工作標高、控制點間距和標靶高距，根據井下環境對控制點進行微調。

3.4 測量時間

為全方位掌握3306 工作面輔運巷道圍巖位移規律，本次監測根據工作面的開采進度工進行了4 次數據的采集，分別為工作面開采前（1 次）、開采期間（2次）、停采后（1 次），詳細時間節點見表3。

表3 2018 年監測日期及工作面推進距離

4 勘查結果

通過表4 可以看出，在工作面的推進過程中，巷道頂板的下沉趨勢呈不規則非線性變化。通過對比該區域內不同開采進度下的頂板位移監測數據可以發現：

表4 頂板下沉量監測數據圖

1）J1 測站顯示，該區域8 月監測下沉數據主要集中在區間-40～-20 mm，9 月頂板下沉數據主要集中在區間-60～-40 mm，10 月頂板下沉相較9 月監測區域區間-60～-40 mm；

2）J2 測站區域8 月監測下沉數據主要集中在區間-20～0 mm，9 月頂板監測下沉數據主要集中在區間-60～-20 mm，10 月頂板監測下沉數據主要集中在區間-60～-100 mm；

3）J3 與J4 區域監測數據接近，8 月監測下沉數據主要集中在區間-20～0 mm，9 月頂板監測下沉數據主要集中在區間-40～20 mm，10 月部分區域較9月發生微小變化，并在出在相同開采進度下，近采空區區域頂板下沉量比遠離采空區區域頂板下沉量大。

在工作面正常推進期間，各區域頂板沉降量都隨開采進度不規則增加。根據與GPD60 礦用本安型壓力傳感器記錄數據相比，8 月J2 區域頂板下沉量較大，J3 與J4 區域下沉量較小，J1 區域僅小部分發生形變；9 月后各區域下沉量穩步增加；10 月J3 與J4 區域僅部分區域輕微下沉。由此可見三維激光掃描監測的結果較傳統壓力傳感器所測得的數據更為準確。

5 結論

該煤礦3306 工作面在推進過程中巷道頂板承壓下沉，根據對頂板巖移的觀測得出：

1）相較于傳統壓力監測系統，三維激光監測法的統計更為詳細，可以實現毫米級監測；

2）經過對激光掃描儀的校準，最終選擇在超前回采工作面50 m 位置安設儀器，具有較好的準確率；

3）在相同開采進度下，近采空區區域頂板下沉量比遠離采空區區域頂板下沉量大。