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(chǔ),用一定的相似材料構(gòu)造物理參數(shù)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(nèi)從一定程度上全面地反映巖土工程力學(xué)過程和變形形態(tài),具有靈活性和直觀性,是研究人員經(jīng)常采用的研究手段[1]。但是傳統(tǒng)的模型點(diǎn)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(shù)據(jù)處理過程繁瑣,獲取數(shù)據(jù)不同時等缺陷。地面三維激光掃描技術(shù)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(biāo),經(jīng)過三維建?？梢灾噩F(xiàn)模型在不同階段的原有狀態(tài),而被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”,在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2,3]。本文采用地面三維激光掃描儀進(jìn)行模型點(diǎn)位移觀測方法,并以某礦區(qū)為例對高效開采條件下地表下沉動態(tài)沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 地面三維激光掃描

地面三維激光掃描技術(shù)包括三維激光掃描儀及其數(shù)據(jù)采集、處理的理論與方法和相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。該儀器使用激光三角法測距,通過光源孔發(fā)射出一束水平的激光束來掃描物體,激光線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的作用,改變角度,使得激光線發(fā)射到物體表面,經(jīng)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(shù)據(jù)。根據(jù)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(shù)據(jù),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(zhuǎn)換為超過300 000點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),精度達(dá)到0.008mm,測程在500-2 500mm。Vivid 910不僅能提供點(diǎn)云數(shù)據(jù),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(yōu)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(yīng)用。

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理獲得目標(biāo)的三維立體模型。目標(biāo)的三維構(gòu)模、格式轉(zhuǎn)換、三維可視化以及各種量算等都在專業(yè)應(yīng)用軟件下進(jìn)行。常用的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)處理軟件有Polyworks、Cyclone以及I-SiTE Studio等。如利用Polyworks軟件進(jìn)行三維建模,可快速將“點(diǎn)云”圖轉(zhuǎn)換成三維模型、二維平面圖、等高線圖或斷面圖等。數(shù)據(jù)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(diǎn)云圖內(nèi)直接完成三維交互式可視化檢測及概念設(shè)計等。

2 模型設(shè)計與觀測

相似材料模擬方法是根據(jù)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(jù)模型上出現(xiàn)的情況,分析推測巖層實際發(fā)生的破壞和移動情況。

2.1 模型設(shè)計

結(jié)合山東某礦區(qū)地層情況模擬研究高效開采條件下地表動態(tài)沉陷規(guī)律。擬模擬開采深度240m,開采厚度8m,開采長度1 040m,推進(jìn)速度12m／d。

2.2 測線設(shè)計與觀測方法

根據(jù)高效煤層開采的移動特點(diǎn),本實驗?zāi)Ｐ蜕细矌r層上布置了6行41列大號觀測點(diǎn)和2行42列小號觀測點(diǎn)。大號觀測點(diǎn)縱向、橫向布置間距均為100mm,測點(diǎn)標(biāo)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(diǎn)一行布置在地表,一行布置在頁巖內(nèi),測點(diǎn)橫向間距為100mm,測點(diǎn)標(biāo)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(jìn)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(cè)留800mm煤柱,右側(cè)留800mm煤柱。設(shè)計開采寬度為2 600mm,開采分52個塊段連續(xù)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(dāng)于實際每天推進(jìn)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(jìn)行整體掃描觀測。儀器設(shè)在距模型表面1.2m處,從多個不同的視點(diǎn)對模型進(jìn)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(qū)上覆巖層從邊界向內(nèi)側(cè)以60～70°的斷裂破壞線向地表發(fā)展,靠近采空區(qū)的3層頂板完全斷裂垮落至采空區(qū),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(fā)育在兩側(cè)斷裂破壞線之間的采空區(qū)中部,當(dāng)垮落或斷裂破壞線發(fā)展至地表時,采空區(qū)中部上方的大離層消失。之后隨著開采向前推進(jìn),開采側(cè)斷裂破壞線也向前發(fā)展,最后采至停采線位置時,停采線一側(cè)斷裂破壞線角度比開切眼一側(cè)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(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

采用后處理軟件Polyworks 8.0提供的坐標(biāo)匹配(登記)功能將不同視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)“拼合”為一個完整的點(diǎn)云模型,利用自動分段處理功能、抽取功能和TIN模型構(gòu)造等功能,將相似材料模型體的細(xì)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(wěn)定后不同時期分別進(jìn)行4次掃描,52個塊段每開采一次隨即對模型進(jìn)行整體掃描)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、三維建模和特征提取,得到模型觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),靶標(biāo)中心特征提取如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)提取的模型觀測點(diǎn)不同期次的三維坐標(biāo),繪制了模擬高效開采條件下地表下沉隨工作面推進(jìn)的動態(tài)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(fā)現(xiàn)移動,第5塊段采后地表部分點(diǎn)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(jìn)距離的繼續(xù)增加,地表下沉盆地逐漸增大,動態(tài)最大下沉值也不斷增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后,動態(tài)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(fā)展階段,此后隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),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(jié)束為動態(tài)下沉充分階段,動態(tài)下沉盆地出現(xiàn)平底,而且下沉盆地的平底隨著工作面向前推進(jìn)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(kuò)大)較小。這一結(jié)果與多年這一礦區(qū)的地表實測資料反映的情況吻合較好[4]。

4 結(jié)語

地面三維激光掃描技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢,在高效開采條件下模型開采實驗?zāi)Ｐ忘c(diǎn)位移觀測中得到了應(yīng)用,與傳統(tǒng)觀測方法最顯著的不同在于日后可以重現(xiàn)三維模型的動態(tài)變化的全過程,并可隨時進(jìn)行特征提取,這為日后實際開采過程中地表實測數(shù)據(jù)的反演分析對比提供了可能,為地表動態(tài)沉陷規(guī)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(shù)進(jìn)行模型點(diǎn)位移觀測簡便易行,效率和精度更高,使人們擺脫了繁復(fù)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(xù)變形的相似模型實驗研究[J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,2000,15(3):1-6.

[2]李秋,秦永智,李宏英.激光三維掃描技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)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(shù)據(jù)融合的數(shù)碼城市三維重建[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,24(2):81-83.

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