李 群 李占金 李 力

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

空區(qū)三維激光探測(cè)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(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

由于受采空區(qū)周邊地質(zhì)條件和探測(cè)技術(shù)的制約，傳統(tǒng)空區(qū)探測(cè)技術(shù)手段無(wú)法得到工作人員不能進(jìn)入的空區(qū)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)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(duì)空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)的激光掃描，基于三維激光探測(cè)所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合3Dmine軟件建立采空區(qū)的三維實(shí)體模型，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行空區(qū)穩(wěn)定性分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)某鐵礦采空區(qū)的位移和應(yīng)力進(jìn)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(qiáng)度。由此表明，采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生破壞，但為了礦山長(zhǎng)期發(fā)展應(yīng)對(duì)空區(qū)及時(shí)采取有效處理措施。

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

隨著我國(guó)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(huì)引起塌陷、突水等災(zāi)害，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。因此，進(jìn)行地下采空區(qū)精細(xì)探測(cè)和分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對(duì)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(cè)技術(shù)的應(yīng)用方面，主要是以開(kāi)采情況調(diào)查、工程鉆探、物理勘探為主，輔以變形觀測(cè)、水文試驗(yàn)等技術(shù)手段[4]。在我國(guó)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(dá)法和三維激光探測(cè)法[5-6]。其中三維激光空區(qū)掃描技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外礦山應(yīng)用比較廣泛的一種新型探測(cè)方法[7-8]，如英國(guó)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(cè)系統(tǒng)等[9]。尤其是對(duì)一些工作人員無(wú)法進(jìn)入或由于安全原因不能進(jìn)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(zhǔn)探測(cè)提供保障，又能保證工作人員的安全。在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的研究方面，很多學(xué)者[10-11]基于3Dmine建立礦山實(shí)體模型結(jié)合FLAC3D等數(shù)值分析軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)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(duì)不規(guī)整的采空區(qū)進(jìn)行三維掃描，獲得采空區(qū)空間形態(tài)的精確三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而結(jié)合3Dmine對(duì)所探測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成三維實(shí)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(jì)算模型，進(jìn)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(wèn)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(chǎng)地、簡(jiǎn)易公路、粉礦場(chǎng)地等建筑設(shè)施。該礦經(jīng)過(guò)多年開(kāi)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(gè)采空區(qū)最大體積達(dá)2.23萬(wàn)m3，采空區(qū)總體積13.77萬(wàn)m3，而且局部空區(qū)已出現(xiàn)坍塌，若不及時(shí)對(duì)這些空區(qū)進(jìn)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(huì)造成地表下陷導(dǎo)致生態(tài)破壞，而且采空區(qū)內(nèi)的空氣涌出形成強(qiáng)烈的壓縮沖擊波，嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全。另外，空區(qū)賦存時(shí)間較長(zhǎng)，可能導(dǎo)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(yán)重的安全隱患。因此，為了下一步合理開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源，礦山主要安全任務(wù)是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估分析，能夠?qū)諈^(qū)治理起到指導(dǎo)作用。

2 采空區(qū)的探測(cè)及建模

2.1 采空區(qū)探測(cè)

探桿式掃描儀MDL-VS150是一種基于高速激光精密掃描測(cè)量方法，大面積高分辨率地獲取被測(cè)對(duì)象表面的空間點(diǎn)位信息的系統(tǒng)，是專門為礦山等惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)，用于難以接近的空區(qū)、采石場(chǎng)、巖石表面等，有著堅(jiān)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(diǎn)。其可通過(guò)旋轉(zhuǎn)并集成脈沖激光測(cè)距儀的掃描探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的測(cè)量，在進(jìn)行探測(cè)時(shí)將激光探頭設(shè)備深入到采空區(qū)內(nèi)部，通過(guò)電腦操作進(jìn)行三維水平掃描(Horimal)，此時(shí)水平軸將在360°范圍內(nèi)做重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，每次水平轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后，垂直軸將以3°(Normal模式)掃描間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，最終生成空區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備配套的數(shù)據(jù)處理軟件(Voldscan)后，對(duì)多次掃描拼接而成的點(diǎn)云，要正確輸入坐標(biāo)信息，才能顯示完整的點(diǎn)云，隨后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理。具體的MDL-VS150采空區(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)設(shè)備及操作示意見(jiàn)圖1。

圖1 采空區(qū)激光自動(dòng)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(shí)體模型建立

將Voldscan軟件修正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)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(gè)，最大采高34 m，最大頂板暴露面積1 735.2 m2，暴露面積超過(guò)800 m2的采空區(qū)7個(gè)，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(jiàn)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(duì)象，應(yīng)用有限元差分程序FLAC3D對(duì)未處理的空區(qū)構(gòu)建數(shù)值模擬工程地質(zhì)計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(dǎo)致其頂板處位移量較大，空區(qū)的危險(xiǎn)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(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但是隨著空區(qū)暴露面積時(shí)間的增加，勢(shì)必會(huì)使圍巖強(qiáng)度降低，礦柱變形加劇，支撐能力減弱，最終可能會(huì)導(dǎo)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(shí)對(duì)空區(qū)采取有效的治理措施。

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用VS150礦山空區(qū)探測(cè)技術(shù)，可以精確測(cè)得一些工作人員無(wú)法進(jìn)入的采空區(qū)實(shí)際空間分布狀況及體積大小，利用掃描所得的點(diǎn)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(jì)算模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)礦山安全生產(chǎn)和空區(qū)治理起到指導(dǎo)作用。

(2)數(shù)值模擬分析可以看出，采空區(qū)目前處于相對(duì)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(gè)相對(duì)較大空區(qū)間的礦柱。隨著時(shí)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(qiáng)度會(huì)逐漸降低，支撐礦柱破壞加劇，最終導(dǎo)致采空區(qū)坍塌。因此，為防止采空區(qū)坍塌造成嚴(yán)重后果，建議礦山及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51374087)，河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：ZH2012072)。

李 群(1988—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

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