基于三維激光掃描技術(shù)的巷道頂板監(jiān)測(cè)研究

劉曉陽(yáng) 胡喬森 李慧娟

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

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基于三維激光掃描技術(shù)的巷道頂板監(jiān)測(cè)研究

劉曉陽(yáng) 胡喬森 李慧娟

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

針對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中存在的隨著開(kāi)采深度的增加，巷道頂板壓力逐漸增加，巷道頂板垮落嚴(yán)重，頂板災(zāi)害頻繁發(fā)生，而對(duì)巖性變化和構(gòu)造的分析監(jiān)測(cè)越來(lái)越困難的問(wèn)題，研究了當(dāng)前巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法和三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)采用三維激光掃描的方法對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出三維激光掃描技術(shù)在巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的可行性。

巷道頂板 頂板壓力 頂板穩(wěn)定性 監(jiān)測(cè) 三維激光掃描

煤炭是我國(guó)的主要能源，而我國(guó)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，煤礦開(kāi)采過(guò)程中，安全狀況令人擔(dān)憂(yōu)。在煤礦的各種自然災(zāi)害中，巷道頂板事故一直困擾著煤礦的安全生產(chǎn)。頂板災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)中最常見(jiàn)的災(zāi)害，致死率一直居高不下。巷道頂板穩(wěn)定性主要受地質(zhì)條件或采動(dòng)等影響，因而巷道頂板穩(wěn)定性問(wèn)題是多種問(wèn)題的綜合表現(xiàn)，頂板的穩(wěn)定性直接影響開(kāi)采的方式、支護(hù)的強(qiáng)度、采區(qū)的位置等。隨著礦井開(kāi)采深度的增加，巷道頂板的壓力變大，對(duì)巖性變化和構(gòu)造的監(jiān)測(cè)越來(lái)越困難，隨之而來(lái)的是頂板冒頂災(zāi)害的頻繁發(fā)生。巷道作為煤礦開(kāi)采推進(jìn)中重要的組成部分之一，頂板的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)極其重要。因此，對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)研究是保證煤礦井下安全生產(chǎn)的核心問(wèn)題。

現(xiàn)今，巷道頂板穩(wěn)定性領(lǐng)域的研究主要有巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)理論、礦壓和地質(zhì)條件理論、支護(hù)壓力監(jiān)測(cè)等方法。當(dāng)前對(duì)頂板構(gòu)造、巖性變化分析及頂板穩(wěn)定性分區(qū)及評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)都是利用鉆探、測(cè)井等傳統(tǒng)地質(zhì)手段，我國(guó)現(xiàn)有的煤礦巷道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常使用應(yīng)力傳感器獲取應(yīng)力的變化參數(shù)來(lái)反映巷道頂板的穩(wěn)定性，故而需要鉆孔安裝大量傳感器、網(wǎng)線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、電源線(xiàn)，安裝成本巨大，對(duì)人力、物力要求極高，同時(shí)在使用過(guò)程中不可避免的受到干擾或損壞，由于工程量的限制和地質(zhì)研究方法的局限性，很難對(duì)頂板空間進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。隨著三維激光掃描技術(shù)的逐漸發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)⒃摷夹g(shù)作為首選的測(cè)量、監(jiān)測(cè)解決方案。本文在研究了當(dāng)前巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法及三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用方案，在此基礎(chǔ)上提出了將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。

1 系統(tǒng)方案

本文所選取的三維激光掃描儀利用光學(xué)干涉原理，以非接觸式快速獲取巷道頂板表面大量幾何紋理信息，以高質(zhì)量、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建出巷道的三維模型。海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與分析則需要大量的時(shí)間，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與分析的時(shí)間長(zhǎng)短將直接影響到對(duì)巷道頂板變形的監(jiān)測(cè)周期，因此，監(jiān)測(cè)周期的縮短對(duì)井下的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中所使用的算法復(fù)雜度比較高，故而其監(jiān)測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)，不利于井下的安全生產(chǎn)。因此，在深入分析現(xiàn)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)點(diǎn)及不足基礎(chǔ)上，提出采用非均勻壓縮法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而大大縮短點(diǎn)云數(shù)據(jù)在變形分析中的處理時(shí)間。

本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案包括使用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、對(duì)巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理簡(jiǎn)化、對(duì)巷道模型進(jìn)行變形分析。

2 巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)階段，三維激光掃描儀并不能完全達(dá)到本質(zhì)安全型設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，因此在對(duì)煤礦井下進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須要保證掃描環(huán)境中遮擋物較少，例如頂板支架及開(kāi)采設(shè)備等；空氣中的粉塵含量必須達(dá)標(biāo)，否則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度有極大影響；空氣中的濕度必須合適；盡量選取礦井停止生產(chǎn)的區(qū)域，以免影響煤礦井下的安全生產(chǎn)；人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作時(shí)，必須采取相應(yīng)的安全預(yù)防措施。

本試驗(yàn)采用FARO Laser Scanner Focus 3D進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，該掃描儀水平視野360°，垂直視野300°，測(cè)角精度0.015°，測(cè)距范圍0.6～130 m，最大測(cè)速976000點(diǎn)/s，測(cè)距誤差±2 mm。其點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集步驟如下：

步驟1：在待測(cè)區(qū)域計(jì)算測(cè)點(diǎn)位置。在巷道內(nèi)部多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的間距越大，需要測(cè)量的次數(shù)就越少；反之間距越小，需要測(cè)量的次數(shù)就越多。而過(guò)大的測(cè)點(diǎn)間距會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差變大。同時(shí)兩測(cè)點(diǎn)之間掃描區(qū)域至少需要有30%以上的重合，便于后續(xù)點(diǎn)云拼接精度不受影響。

步驟2：使用三腳架將三維激光掃描儀固定到測(cè)點(diǎn)位置。

步驟3：準(zhǔn)備多個(gè)球體及強(qiáng)力膠，使用至少3個(gè)球體固定到巷道內(nèi)部不同平面上，作為標(biāo)靶點(diǎn)，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。

步驟4：在時(shí)間序列上對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行多次掃描，獲得T1，T2，…，Tn時(shí)刻的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 巷道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化

三維激光掃描儀在高精度、高速度獲取數(shù)據(jù)方面有很大的優(yōu)勢(shì)。因其以較高分辨率獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，故而存在大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余。如果對(duì)獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)在不經(jīng)簡(jiǎn)化的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理，將會(huì)大大降低點(diǎn)云模型重建的速度和處理效率。因此本文提出采用非均勻壓縮法對(duì)巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。非均勻壓縮法即將點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用八叉樹(shù)算法均勻分割成若干小立方體，然后計(jì)算每個(gè)立方體內(nèi)點(diǎn)云點(diǎn)的平均曲率。根據(jù)各小立方體的平均曲率決定是否對(duì)該立方體再次進(jìn)行八叉樹(shù)分割，直至分割完成。設(shè)共獲取n個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，即集合Pi，i∈0,1,2,3…n。將Pi記做Cube，經(jīng)第一次八叉樹(shù)分割得到Cube0，Cube1，Cube2，Cube3，Cube4,Cube5,Cube6,Cube7。對(duì)Cube0進(jìn)行一次八叉樹(shù)分割得到Cube00，Cube01，Cube02，Cube03，Cube04,Cube05,Cube06,Cube07，依次對(duì)Cubei進(jìn)行八叉樹(shù)分割。然后取每個(gè)小立方體的重心點(diǎn)來(lái)代替該小立方體中所有的點(diǎn)，并計(jì)算兩相鄰重心點(diǎn)的距離。

設(shè)巷道點(diǎn)云模型有n個(gè)點(diǎn)，任意兩相鄰點(diǎn)的距離為disk，計(jì)算任意兩相鄰點(diǎn)距離的均值d′和方差D(dis)：

式中：d′——任意兩相鄰點(diǎn)間的均值；

disk——任意兩相鄰點(diǎn)的距離；

D(dis)——任意兩相鄰點(diǎn)的距離的方差。

設(shè)第i個(gè)小立方體內(nèi)共p個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)的曲率為ξp，則平均曲率ξ′為：

(3)

4 巷道模型形變分析

巷道的斷面提取為巷道形變分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的斷面提取方法是采用全站儀或斷面掃描儀按等距或等角模型沿著斷面采集一定數(shù)量的點(diǎn)位坐標(biāo)，并根據(jù)采集的點(diǎn)集擬合分析斷面形變情況。這種斷面提取方法存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位需要布置的比較多，浪費(fèi)人力物力，自動(dòng)化程度比較低，數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)，不利于監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集條件要求比較高等問(wèn)題。

綜上，本文提出基于巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的斷面提取技術(shù)，通過(guò)一次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中軸線(xiàn)擬合，即可根據(jù)其中軸線(xiàn)提取任意位置的斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)于中軸線(xiàn)上任意一點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)處的切線(xiàn)，則該切線(xiàn)的法平面即為斷面，巷道斷面示意圖如圖1所示。

計(jì)算過(guò)程中最終的斷面的厚度可由中軸線(xiàn)的曲率所決定，一般情況下，厚度取25cm即能滿(mǎn)足分析收斂性精度的要求。對(duì)統(tǒng)一空間上的時(shí)間序列上的斷面section1，section2，…，sectionT分別進(jìn)行處理。由于巷道管壁的設(shè)計(jì)形狀不規(guī)則，因此本文對(duì)空間序列上的斷面模型做建模分析，參照其模型設(shè)定空間序列上的Matching模型，定為標(biāo)準(zhǔn)模型，如圖2所示。

圖1 巷道斷面示意圖

圖2 Matching模型

本文將每個(gè)時(shí)間序列上的斷面數(shù)據(jù)與Matching模型相擬合，選擇不同時(shí)間序列斷面上的n個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)選擇越多越精確，但同時(shí)帶來(lái)的計(jì)算量呈幾何增長(zhǎng)，因此本文在保證精度的情況下，選取14個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考數(shù)據(jù)。

計(jì)算各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)到Matching模型對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)點(diǎn)的平均距離ΔD1，ΔD2，…，ΔDT，設(shè)該空間區(qū)域擬合收斂系數(shù)為Φ1，Φ2，…，Φ14，則Φ可表達(dá)為：

(4)

則該空間區(qū)域平均收斂系數(shù)為：

(5)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)巷道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)行在Core i7, 3.20GHz CPU, 16G內(nèi)存, NVIDIA GTX 1080Ti的工作站上，應(yīng)用VC++6.0、Geomagic Studio 2013、GOM Inspect計(jì)算獲得。

巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)是使用FARO Laser Scanner Focus 3D掃描冀中能源孫莊礦某巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，得到某區(qū)域的巷道模型如圖3所示。

圖3 巷道模型

將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio中，未簡(jiǎn)化的點(diǎn)云模型有1472663個(gè)點(diǎn)，經(jīng)本文算法簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云模型有30797個(gè)點(diǎn)。在保證其精度的前提下，極大地加快了點(diǎn)云數(shù)據(jù)在變形分析中的運(yùn)算時(shí)間，縮短了監(jiān)測(cè)周期。

對(duì)時(shí)間序列上Tn時(shí)刻巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)按以上所述斷面提取方法，提取同一空間位置的斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將時(shí)間序列上斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.stl格式導(dǎo)入GOMInspect對(duì)斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合度測(cè)試。本文試驗(yàn)以T0時(shí)刻斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考獲得Matching模型。將T1時(shí)刻的斷面點(diǎn)云導(dǎo)入分析擬合度，具體分析報(bào)告數(shù)據(jù)如圖4所示。

對(duì)固定空間區(qū)域的5次時(shí)間序列上的T1，T2，T3，T4，T5斷面數(shù)據(jù)做擬合度分析，同時(shí)對(duì)每次所得到的變形數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

圖4 評(píng)斷面點(diǎn)云擬合度測(cè)試

點(diǎn)位/mm斷面數(shù)據(jù)/mmT1時(shí)刻斷面T2時(shí)刻斷面T3時(shí)刻斷面T4時(shí)刻斷面T5時(shí)刻斷面A0+0.01-0.02-0.01+0.02B-0.09-0.1000+0.01C-0.11-0.13-0.11-0.09-0.09D-0.10-0.10-0.12-0.10-0.11E-0.11-0.12-0.09-0.08-0.03F-0.08-0.08-0.07-0.09-0.08G-0.32-0.31-0.29-0.29-0.30H-0.37-0.34-0.30-0.30-0.35I-0.03-0.03-0.02-0.020J-0.03-0.02-0.010-0.03K-0.09-0.05-0.04-0.05-0.07L+0.0300+0.02+0.03M-0.09-0.05-0.04-0.05-0.07N+0.0300+0.02+0.03

注：A～N為選取的14個(gè)點(diǎn)；正負(fù)號(hào)代表凹凸值

6 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，在眾多領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和巷道變形分析原理，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中，為煤礦巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供了一種新的方法與思路，為制定巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、分類(lèi)規(guī)范監(jiān)測(cè)信息、推動(dòng)煤礦安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供了一定的借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Research on coal mine roof monitoring based on three-dimensional laser scanning technology

Liu Xiaoyang, Hu Qiaosen, Li Huijuan

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

With the increase of mining depth, the mining pressure increased gradually, then deep roadway roof caving became serious, and roof disasters occurred frequently, while the analysis of lithology and structural monitoring was becoming more and more difficult, the current roadway roof stability monitoring method and three-dimensional laser scanning technology application in the field of deformation monitoring were studied, the method of three-dimensional laser scanning of roadway roof stability monitoring was adopted, the feasibility of three-dimensional laser scanning technology in roadway roof stability monitoring was concluded.

roadway roof, roof stress, roof stability, monitoring, three-dimensional laser scanning technology

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0801800)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(51134024)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009KJ03)

劉曉陽(yáng)，胡喬森，李慧娟.基于三維激光掃描技術(shù)的巷道頂板監(jiān)測(cè)研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(7)：81-83，107. Liu Xiaoyang, Hu Qiaosen, Li Huijuan. Research on coal mine roof monitoring based on three-dimensional laser scanning technology[J]. China Coal, 2017，43(7):81-83，107.

TD76

A

劉曉陽(yáng)(1968-)，女，山西太原人，博士，副教授，主要從事礦井監(jiān)控與通信方面的研究。