空區(qū)三維激光探測技術(shù)及穩(wěn)定性分析

李 群 李占金 李 力

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

空區(qū)三維激光探測技術(shù)及穩(wěn)定性分析

李 群1,2李占金1,2李 力1,2

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

由于受采空區(qū)周邊地質(zhì)條件和探測技術(shù)的制約，傳統(tǒng)空區(qū)探測技術(shù)手段無法得到工作人員不能進入的空區(qū)精準數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析的可靠性程度很低。利用三維激光掃描系統(tǒng)(MDL-VS150)對空區(qū)進行精準的激光掃描，基于三維激光探測所得的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合3Dmine軟件建立采空區(qū)的三維實體模型，運用FLAC3D軟件進行空區(qū)穩(wěn)定性分析。根據(jù)計算結(jié)果對某鐵礦采空區(qū)的位移和應(yīng)力進行分析，采空區(qū)垂直位移量最大為4.437 cm，圍巖的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為0.795、3.221 MPa，均小于巖體的抗拉及抗壓強度。由此表明，采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在短期內(nèi)不會發(fā)生破壞，但為了礦山長期發(fā)展應(yīng)對空區(qū)及時采取有效處理措施。

空區(qū)探測 三維激光掃描 空區(qū)穩(wěn)定性 MDL-VS150

隨著我國礦產(chǎn)資源的大范圍被采出后，已經(jīng)形成大量的地下采空區(qū)。地下空區(qū)的存在直接影響礦山安全，在一定的條件下會引起塌陷、突水等災害，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失。因此，進行地下采空區(qū)精細探測和分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對保證礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[1-3]。

目前在空區(qū)探測技術(shù)的應(yīng)用方面，主要是以開采情況調(diào)查、工程鉆探、物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等技術(shù)手段[4]。在我國主要采用物理勘探作為主要手段，常用的物探技術(shù)方法有高密度電阻率法、電磁法、地震波法、探地雷達法和三維激光探測法[5-6]。其中三維激光空區(qū)掃描技術(shù)是近年來在國內(nèi)外礦山應(yīng)用比較廣泛的一種新型探測方法[7-8]，如英國的鉆孔式激光掃描儀(C-AL)和探桿式掃描儀(MDL-VS150)、加拿大CMS空區(qū)探測系統(tǒng)等[9]。尤其是對一些工作人員無法進入或由于安全原因不能進入的采空區(qū)，三維激光空區(qū)掃描設(shè)備既能為采空區(qū)的三維精準探測提供保障，又能保證工作人員的安全。在對采空區(qū)穩(wěn)定性的研究方面，很多學者[10-11]基于3Dmine建立礦山實體模型結(jié)合FLAC3D等數(shù)值分析軟件對采空區(qū)進行模擬分析研究。

本研究采用探桿式激光掃描設(shè)備(MDL-VS150)對不規(guī)整的采空區(qū)進行三維掃描，獲得采空區(qū)空間形態(tài)的精確三維點云數(shù)據(jù)，進而結(jié)合3Dmine對所探測的點云數(shù)據(jù)進行處理，生成三維實體模型。在此基礎(chǔ)上，利用FLAC3D有限元分析軟件建立了三維數(shù)值計算模型，進行某鐵礦采空區(qū)的穩(wěn)定性分析。

1 礦山現(xiàn)狀及面臨的主要問題

某鐵礦礦區(qū)地表構(gòu)筑物有職工生活區(qū)、井口工業(yè)場地、簡易公路、粉礦場地等建筑設(shè)施。該礦經(jīng)過多年開采，在地表形成露天采坑，455 m中段滯留了大量的空區(qū)，單個采空區(qū)最大體積達2.23萬m3，采空區(qū)總體積13.77萬m3，而且局部空區(qū)已出現(xiàn)坍塌，若不及時對這些空區(qū)進行處理，容易造成大范圍空區(qū)塌陷。這些空區(qū)一旦大范圍坍塌，不但會造成地表下陷導致生態(tài)破壞，而且采空區(qū)內(nèi)的空氣涌出形成強烈的壓縮沖擊波，嚴重威脅井下工作人員的生命安全。另外，空區(qū)賦存時間較長，可能導致積水，一旦空區(qū)塌陷將產(chǎn)生礦坑涌水，為礦山的安全生產(chǎn)留下了嚴重的安全隱患。因此，為了下一步合理開發(fā)礦產(chǎn)資源，礦山主要安全任務(wù)是對采空區(qū)進行精準探測，并對其穩(wěn)定性進行評估分析，能夠?qū)諈^(qū)治理起到指導作用。

2 采空區(qū)的探測及建模

2.1 采空區(qū)探測

探桿式掃描儀MDL-VS150是一種基于高速激光精密掃描測量方法，大面積高分辨率地獲取被測對象表面的空間點位信息的系統(tǒng)，是專門為礦山等惡劣環(huán)境設(shè)計，用于難以接近的空區(qū)、采石場、巖石表面等，有著堅固耐用、防水防塵、抗沖擊、便攜性、高精度、應(yīng)用范圍廣和快速作業(yè)等優(yōu)點。其可通過旋轉(zhuǎn)并集成脈沖激光測距儀的掃描探頭來實現(xiàn)對采空區(qū)的測量，在進行探測時將激光探頭設(shè)備深入到采空區(qū)內(nèi)部，通過電腦操作進行三維水平掃描(Horimal)，此時水平軸將在360°范圍內(nèi)做重復轉(zhuǎn)動，每次水平轉(zhuǎn)動結(jié)束后，垂直軸將以3°(Normal模式)掃描間隔轉(zhuǎn)動，最終生成空區(qū)的三維點云數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)導入設(shè)備配套的數(shù)據(jù)處理軟件(Voldscan)后，對多次掃描拼接而成的點云，要正確輸入坐標信息，才能顯示完整的點云，隨后對點云數(shù)據(jù)進行修正處理。具體的MDL-VS150采空區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)設(shè)備及操作示意見圖1。

圖1 采空區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)設(shè)備及操作示意

2.2 基于3Dmine的空區(qū)三維實體模型建立

將Voldscan軟件修正后的點云數(shù)據(jù)導入3Dmine數(shù)字礦山軟件生成采空區(qū)模型，得到該礦山已形成大小不等的采空區(qū)21個，最大采高34 m，最大頂板暴露面積1 735.2 m2，暴露面積超過800 m2的采空區(qū)7個，采空區(qū)總體積137 660.5 m3，空區(qū)分布比較集中，相連成片，礦柱不規(guī)則，變形較大，礦山地下采空區(qū)分布狀況見圖2。

圖2 礦山地下采空區(qū)分布

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

本次數(shù)值模擬選取18#、19#和20#采空區(qū)作為研究對象，應(yīng)用有限元差分程序FLAC3D對未處理的空區(qū)構(gòu)建數(shù)值模擬工程地質(zhì)計算模型，對其進行穩(wěn)定性分析。圖3、圖4分別為空區(qū)應(yīng)力云圖和垂直位移云圖(為了便于觀察分析，截取模型中一切片顯示，圖中從左往右依次為18#、19#和20#采空區(qū))。

圖3 采空區(qū)形成后主應(yīng)力云圖

圖4 采空區(qū)形成后Z向位移云圖

從圖3可以看出，由于采空區(qū)的存在使得圍巖所承受應(yīng)力進行了重新分布，空區(qū)頂?shù)装逡约翱諈^(qū)之間的礦柱均出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，應(yīng)力集中現(xiàn)象在相鄰空區(qū)間的礦柱更為明顯。圍巖中最大拉應(yīng)力為0.795 MPa，最大壓應(yīng)力為3.221 MPa，均小于巖體的抗拉及抗壓強度，可知目前采空區(qū)處在穩(wěn)定狀態(tài)。由Z向位移云圖4顯示空區(qū)頂板的中間部位有明顯的向下垂直位移，空區(qū)出現(xiàn)最大的位移量為4.437 cm，出現(xiàn)在19#空區(qū)(19#空區(qū)頂板的跨度大，又位于空區(qū)中間，導致其頂板處位移量較大，空區(qū)的危險系數(shù)也增加)，底板也出現(xiàn)不同程度的位移變化。雖然空區(qū)目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但是隨著空區(qū)暴露面積時間的增加，勢必會使圍巖強度降低，礦柱變形加劇，支撐能力減弱，最終可能會導致空區(qū)坍塌。因此為了礦山后期安全生產(chǎn)考慮，應(yīng)及時對空區(qū)采取有效的治理措施。

4 結(jié) 論

(1)運用VS150礦山空區(qū)探測技術(shù)，可以精確測得一些工作人員無法進入的采空區(qū)實際空間分布狀況及體積大小，利用掃描所得的點云數(shù)據(jù)結(jié)合3Dmine軟件建立礦山空區(qū)的可視化三維模型，并結(jié)合FLAC3D建立數(shù)值計算模型進行穩(wěn)定性分析，對礦山安全生產(chǎn)和空區(qū)治理起到指導作用。

(2)數(shù)值模擬分析可以看出，采空區(qū)目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但是相近空區(qū)(18#、19#和20#)的礦柱穩(wěn)定性較差，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是在18#與19#2個相對較大空區(qū)間的礦柱。隨著時間的推移，在地質(zhì)構(gòu)造、井下采礦爆破等因素影響下圍巖強度會逐漸降低，支撐礦柱破壞加劇，最終導致采空區(qū)坍塌。因此，為防止采空區(qū)坍塌造成嚴重后果，建議礦山及時對采空區(qū)進行治理。

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(責任編輯 石海林)

3DLaserScanningDetectingTechnologyandStabilityAnalysisofGoaf

Li Qun1,2Li Zhanjin1,2Li Li1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China；2.DevelopmentandSafetyKeyLabofHebeiProvince,Tangshan063009,China)

Due to constraints from the geological conditions of goaf and the detection techniques,the traditional detection techniques for goaf cannot obtain accurate data from the area where the staff cannot enter in.The reliability based on these cavity data is so low for stability analysis of goaf.Therefore,3D laser scanning system(MDL-VS150) is used to make an accurate laser scanning.3D point cloud data,based on the 3D laser scanning,are adopted to build 3D entity model of the goaf by 3Dmine software.Based on FLAC3Dsoftware,the stability of goaf is analyzed.Then,the displacement and stress of the goaf in an Iron Mine are analyzed according to the simulation calculation results.The maximum vertical displacement is about 4.437 cm,and the maximum tensile and compressive stress in the surrounding rock are respectively 0.795 MPa and 3.221 MPa,which are lower than the tensile and compressive strength of rock.Therefore,goaf is presently in a stable state and collapse will not occur in a short term.However,the effective treatment measures should be taken timely for the long-term development of the mine.

Cavity detection,3D laser scanning,Cavity stability,MDL-VS150

2014-08-02

國家自然科學基金項目(編號：51374087)，河北省高等學?？茖W技術(shù)研究重點項目(編號：ZH2012072)。

李 群(1988—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-12-181-04