郭良林，周大偉，張德民，周寶慧

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；3.新能礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

煤礦是我國(guó)開(kāi)采最普遍的礦山，煤礦開(kāi)采過(guò)程中，巷道冒頂、片幫時(shí)有發(fā)生[1]。因此有效準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)巷道變形具有十分重要的意義。常規(guī)監(jiān)測(cè)手段僅能夠提供變形體的變形狀態(tài)和一定變形范圍，不能獲取巷道整體位移場(chǎng)，且工作量大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)[2]。

三維激光掃描又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，具有快速、海量、自動(dòng)化的技術(shù)特點(diǎn)。隧道監(jiān)測(cè)方面，眾多學(xué)者[3-9]將三維激光掃描應(yīng)用于隧道形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,提出點(diǎn)云快速切片、擬合斷面中心等方法得出隧道斷面的偏移量；Oparin VN 等[10]利用三維激光掃描根據(jù)不同時(shí)刻觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定了隧道襯砌未標(biāo)記點(diǎn)的位移和隧道圍巖及拱的變形。巷道監(jiān)測(cè)方面，Kajzar V[11-12]等介紹了脈沖掃描器LeicaC10 在礦山巷道中的應(yīng)用現(xiàn)狀，證實(shí)了使用這項(xiàng)技術(shù)的可能性，并采用三維激光掃描儀對(duì)奧斯特拉瓦-卡維納煤田的煤礦巷道和煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了室內(nèi)和煤柱面板試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，得出圍巖和頂?shù)装宓囊苿?dòng)情況和煤柱的穩(wěn)定性；劉曉陽(yáng)[13]等通過(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；江權(quán)等[14]在研究金川二礦深部巖體大變形時(shí)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)來(lái)獲取巷道點(diǎn)云并建模，驗(yàn)證了深部巷道表面的變形特點(diǎn)以及破壞方式的新特征。上述案例掃描儀工作環(huán)境大多屬于隧道或者金屬礦，環(huán)境較好，當(dāng)井下復(fù)雜時(shí)，掃描儀有效掃描距離受限，上述數(shù)據(jù)處理并提取形變的方法不再適用。

巷道內(nèi)充滿水汽，導(dǎo)致掃描儀有效掃描距離大幅減少，點(diǎn)云重疊部分細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重，整體點(diǎn)云拼接精度較差，無(wú)法滿足井下巷道監(jiān)測(cè)的要求。因此提出利用不同時(shí)段同測(cè)站有效點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)并提取形變的方法，為復(fù)雜監(jiān)測(cè)環(huán)境下提供一種解決思路。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工作面概況

王家塔礦正在開(kāi)采的201 工作面位于2-2 煤南二盤(pán)區(qū)東部，是南二盤(pán)區(qū)首采工作面，東邊為101 工作面，于2016 年初采完，西邊是未開(kāi)采的202 工作面，201 輔運(yùn)巷道位于201 工作面西側(cè)，輔運(yùn)巷道與工作面平面位置如圖1。201 工作面平均走向長(zhǎng)度為1 252 m，傾向長(zhǎng)為260 m，平均采厚3.26 m，工作面推進(jìn)速度為12～15 m/d，煤層傾角平均為2°，工作面地面標(biāo)高為+1 309～1 392 m，工作面標(biāo)高+1 138.9～+1 150.8 m，平均采深為200 m。201 工作面煤層基本頂為灰白色細(xì)粒砂，均厚7.09 m，直接頂為深灰色砂質(zhì)泥巖或淺灰色粉砂巖，均厚1.76 m，直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖或淺灰色粉砂巖均厚2.62 m。

1.2 201 輔運(yùn)巷道支護(hù)方案

圖1 輔運(yùn)巷道與工作面平面位置Fig.1 Plane position of auxiliary roadway and working face

巷道初步支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，頂部錨桿的間排距為900 mm×900 mm，采用φ20 mm×2 400 mm 錨桿，每孔2 卷藥卷；幫部采用φ20 mm×1 800 mm 錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，每孔1 卷藥卷；錨索間排距為2 000 mm×2 700 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 300 mm 的鋼絞線，每孔用3個(gè)藥卷。鋼筋梯子梁采用φ12 鋼筋焊制，金屬網(wǎng)采用φ6.5 mm 鋼筋焊制，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，搭接100 mm。地板硬化厚度200 mm，混凝土強(qiáng)度C30，噴射混凝土75 mm，強(qiáng)度C20，初始支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 初始支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.2 Initial support design

101 工作面按照初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案支護(hù)后，隨著101 工作面開(kāi)采進(jìn)行，101 輔運(yùn)巷道受到變形破壞，嚴(yán)重影響后續(xù)工作面開(kāi)采的進(jìn)度。為保證安全生產(chǎn)，對(duì)2#煤201 工作面輔運(yùn)巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)按三岔口補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，錨索采用φ22 mm×10 000 mm的鋼絞線。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖3。

2 監(jiān)測(cè)方案布設(shè)及點(diǎn)云預(yù)處理

圖3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.3 Reinforced support design

1）巷道監(jiān)測(cè)方案布設(shè)。201 輔運(yùn)巷道從切眼位置沿煤層推進(jìn)方向共布設(shè)Q5、2F、K1、K2 4 個(gè)測(cè)站點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)采用全站儀觀測(cè)，測(cè)站點(diǎn)間隔在200 m 左右，在巷道兩幫每隔50 m 布設(shè)反射片，用于后期點(diǎn)云拼接。

2）點(diǎn)云預(yù)處理。地面三維激光掃描儀工作時(shí)由于測(cè)量方式多樣性的影響、操作人員經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)掃描環(huán)境等因素的影響，會(huì)使獲取的點(diǎn)云中混雜著一些噪聲點(diǎn)，而這些噪聲點(diǎn)會(huì)影響后續(xù)建模的準(zhǔn)確性[15-16]。目標(biāo)點(diǎn)云噪聲點(diǎn)明顯，手動(dòng)選中刪除即可；由于初始點(diǎn)云密度大，存在大量冗余數(shù)據(jù)，增加計(jì)算機(jī)后期處理點(diǎn)云壓力，需要進(jìn)行點(diǎn)云重采樣處理，以減少大量的冗余數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)帶來(lái)負(fù)擔(dān)[17-18]。點(diǎn)云重采樣的方法眾多，其中k-d tree、Octree 應(yīng)用較為廣泛。由于Octree 的速度優(yōu)勢(shì)[19]，采用Octree 數(shù)據(jù)原理對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重采樣。

3 點(diǎn)云配準(zhǔn)方案評(píng)價(jià)

3.1 整體點(diǎn)云配準(zhǔn)

利用反射片進(jìn)行巷道整體點(diǎn)云拼接，相鄰測(cè)站間點(diǎn)云重疊區(qū)域的點(diǎn)數(shù)量較少，點(diǎn)云稀疏，拼接效果差，直接導(dǎo)致一些特征點(diǎn)和反射片的點(diǎn)云細(xì)節(jié)嚴(yán)重丟失，相鄰測(cè)站點(diǎn)之間拼接精度達(dá)13 mm，整體精度18.4 mm。

通常情況下，三維激光掃描精度與儀器俯仰角度、觀測(cè)距離等多種因素有關(guān)[20]。儀器的掃描環(huán)境會(huì)影響數(shù)據(jù)獲取時(shí)的激光發(fā)射的有效距離，掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)量多少是反映點(diǎn)云質(zhì)量的1 個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)云數(shù)量足夠多時(shí)，利于后期數(shù)據(jù)特征地物的提取。201 輔運(yùn)巷道內(nèi)充滿水汽，嚴(yán)重影響三維激光掃描儀的觀測(cè)距離。為了探究水汽對(duì)三維激光掃描儀有效觀測(cè)距離的影響程度，取單測(cè)站點(diǎn)云每隔5 m 截取規(guī)格為1 m 的橫斷面，讀取相同規(guī)格的點(diǎn)云點(diǎn)云數(shù)量，掃描距離與點(diǎn)云數(shù)量關(guān)系如圖4。

圖4 掃描距離與點(diǎn)云數(shù)量關(guān)系Fig.4 Relationship between scanning distance and number of point clouds

通過(guò)圖4 得出隨著掃描距離增加，點(diǎn)云密度呈指數(shù)級(jí)下降，在距離超出60 m 時(shí)，點(diǎn)云數(shù)量平均約為200，已經(jīng)對(duì)后期建模有影響。相鄰測(cè)站點(diǎn)之間的距離為200 m 左右，遠(yuǎn)超出有效掃描距離；而且巷道整體拼接精度為18.4 mm，誤差較大不能滿足井下巷道變形監(jiān)測(cè)的要求，同時(shí)部分細(xì)節(jié)的丟失也不利于后期頂?shù)装逍巫兲崛　?/p>

3.2 單測(cè)站點(diǎn)云配準(zhǔn)精度分析

單站數(shù)據(jù)的掃描的誤差主要有：儀器誤差、儀器高量取誤差，數(shù)據(jù)采集使用Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀，儀器主要的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 Riegl VZ-1000 掃描儀技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of Riegl VZ-1000

儀器標(biāo)稱精度為測(cè)距2 mm+0.002‰，測(cè)角16″，由于本次試驗(yàn)設(shè)站距離為200 m，暫取距離100 m為有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描儀垂直角不超過(guò)30°。因此，可得掃描儀的坐標(biāo)誤差為：

式中：mxy為平面坐標(biāo)測(cè)量誤差，mm；mz為高程測(cè)量誤差，mm；mxyz為空間坐標(biāo)測(cè)量誤差，mm；mx、my分別為x 和y 方向的測(cè)點(diǎn)誤差。

儀器高從3 個(gè)方向量取中心的距離取平均值，其中誤差ml一般取1.5 mm。根據(jù)上述計(jì)算，按照誤差傳播定律，所測(cè)數(shù)據(jù)理論誤差公式為：

式中：m 為測(cè)量總誤差，mm；ml為儀器高量取誤差，mm。

可得點(diǎn)云理論誤差為4.0 mm，較常規(guī)的全站儀具有更高的精度，滿足巷道變形監(jiān)測(cè)要求。

4 頂?shù)装逑鲁撂崛?/h2>

將處理后的采前6 月份觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理，將采至289 m 處的8 月份觀測(cè)數(shù)據(jù)作為測(cè)試文件,提取頂?shù)装迤顢?shù)據(jù)，得到有效監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂?shù)装宓戎稻€如圖5。

圖5 頂板底形變等值線圖Fig.5 Deformation of bottom and top plate

從圖5 中，可以看出走向上巷道頂?shù)装逯虚g區(qū)域和左右區(qū)域形變程度以及各測(cè)站監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)形變程度不同，揭示出工作面開(kāi)采過(guò)程中巷道頂?shù)装逅軕?yīng)力不均衡和不對(duì)稱性的特點(diǎn)。分別提取頂?shù)装逵覀?cè)（近采面一側(cè)）、中軸線、左側(cè)（遠(yuǎn)采面一側(cè)）位置處的形變數(shù)據(jù)，各剖面線間距為1.5 m，得到第2期觀測(cè)數(shù)據(jù)頂?shù)装? 個(gè)位置相對(duì)于第1 期觀測(cè)數(shù)據(jù)的形變值，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沉降情況如圖6～圖8。中軸線頂?shù)装逡七M(jìn)量如圖9。

圖6 2F 測(cè)站頂?shù)装遄冃蜦ig.6 Top and bottom plate deformation at 2F surveying station

1）巷道監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板平均下沉量約為14.70 mm，頂板下沉最大處為中軸線位置距2F 測(cè)站26.8 m 處（推進(jìn)方向?yàn)檎?，下沉量?42 mm；底鼓量平均約為-0.283 mm，底鼓最大處為底板左側(cè)剖面線位置距K1 測(cè)站2.7 m 處，為38.73 mm。

2）2F 測(cè)站監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板平均下沉量為45.81 mm，K1 測(cè)站監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板平均下沉量為25.17 mm，K2 測(cè)站監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板平均下沉量為3.07 mm，巷道縱向受力不均衡，開(kāi)采后方（采空區(qū)方向）巷道的劇烈程度大于前方（煤層方向），2F 站劇烈程度最大，巷道應(yīng)力情況相較于8 月停采線位置表現(xiàn)出一定的時(shí)延性。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)右側(cè)剖面線頂板平均沉降量為23.32 mm，左側(cè)中軸線頂?shù)装迤骄两盗繛?.40 mm，巷道橫向受力不對(duì)稱，右側(cè)區(qū)域（近采面一側(cè)）劇烈程度大于左側(cè)區(qū)域（遠(yuǎn)采面一側(cè)）。

圖7 K1 測(cè)站頂?shù)装遄冃蜦ig.7 Top and bottom plate deformation at K1 surveying station

圖8 K2 測(cè)站頂?shù)装遄冃蜦ig.8 Top and bottom plate deformation at K2 surveying station

圖9 中軸線頂?shù)装逡平縁ig.9 Center axis top and bottom plate moving amount

3）頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量129.6 mm（相對(duì)采高變形量為39.75 mm/m），平均移進(jìn)量為13.57 mm（相對(duì)采高變形量為4.16 mm/m）。 根據(jù)《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化考核評(píng)價(jià)辦法》，頂?shù)装逡平堪床筛邞?yīng)≤100 mm/m，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，表明巷道支護(hù)過(guò)強(qiáng)。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查可知，201 工作面開(kāi)采結(jié)束后，該201 輔運(yùn)巷道作為202 工作面回風(fēng)巷繼續(xù)使用，并且當(dāng)202 工作面開(kāi)采結(jié)束之后，該巷道仍未垮落，201 輔運(yùn)巷道支護(hù)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相符。

5 結(jié) 論

1）單測(cè)站配準(zhǔn)方法配準(zhǔn)精度達(dá)毫米級(jí)，滿足井下巷道變形監(jiān)測(cè)的要求，可用于復(fù)雜環(huán)境下巷道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)云處理。

2）巷道頂?shù)装遄冃沃碉@示201 工作面采動(dòng)時(shí)輔運(yùn)巷道頂?shù)装宓乃軕?yīng)力呈現(xiàn)出非均勻、時(shí)延、非對(duì)稱等特性。

3）201 輔助運(yùn)輸巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，該巷道支護(hù)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，建議后續(xù)工作面開(kāi)采巷道的支護(hù)強(qiáng)度可適當(dāng)減弱。