戴文祥， 陳雷， 閆鵬飛， 王利欣， 李波， 袁鵬喆

（1. 中煤大同能源有限責(zé)任公司，山西 大同 037034；2. 中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司，天津 300120）

0 引言

煤礦巷道的形變和破壞是煤礦生產(chǎn)實踐中需要著重考慮解決的問題。煤礦巷道形變是指巷道巖層在受到外力因素作用下產(chǎn)生的形狀和尺寸的變化，巷道形變會造成井下交通中斷、生產(chǎn)設(shè)備損壞、人員傷亡等事故，嚴(yán)重威脅煤礦正常生產(chǎn)。因此，在煤礦開采過程中，及時、科學(xué)、準(zhǔn)確地監(jiān)測巷道形變，掌握巷道狀態(tài)及形變趨勢，對保障煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，多種數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于巷道形變的研究中，如有限元法、離散元法、邊界元法、有限差分法、十字觀測法等。王偉等[2]運用理論計算與數(shù)值模擬分析，分析了動壓巷道的應(yīng)力分布規(guī)律，為巷道的布設(shè)位置選取與支護(hù)提供了指導(dǎo)。姜耀東等[3]對開灤礦區(qū)趙各莊礦、唐山礦深部開采過程中巷道形變、破壞特征進(jìn)行了研究，采用FLAC2D數(shù)值模擬軟件研究地應(yīng)力與巷道巖層之間的密切關(guān)系。余偉健等[4]利用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)在FLAC3D軟件中對礦山現(xiàn)場調(diào)查得到的裂隙進(jìn)行了重構(gòu)還原，研究分析了裂隙發(fā)育巖體巷道及典型支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形破壞特征。楊景賀[5]采用離散元數(shù)值模擬方法，建立了不同支護(hù)條件下的高應(yīng)力軟巖巷道模型，研究了高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞和支護(hù)加固的機(jī)理。

目前，針對巷道形變破壞的研究以現(xiàn)場實測為主，通過實測可掌握巷道形變破壞情況，直觀了解導(dǎo)致巷道形變破壞的因素及作用效果。葉美圖等[6]針對現(xiàn)有礦井巷道表面位移十字交叉測量方法存在的測量不便、耗時長、工作強(qiáng)度大、誤差不可控等問題，設(shè)計了一種礦井巷道表面位移激光測量裝置。該裝置基于激光測距原理，利用激光測距儀完成十字定心和變形測量，通過單個激光測距儀可分別測得巷道中每個測試站頂板、底板、左幫和右?guī)?個方向的表面位移量。井下試驗結(jié)果表明，該裝置實現(xiàn)了無繩測量，測量效率高，結(jié)果準(zhǔn)確。宋康磊等[7]采用地質(zhì)雷達(dá)測定巷道松動圈，研究了極薄煤層跨采條件下的松動圈大小及巷道形變規(guī)律。榮耀等[8]提出了綜采工作面三維激光掃描建模總體方案，對煤壁與頂板交線提取、標(biāo)靶球檢測、點云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了三維地質(zhì)坐標(biāo)系下煤壁與頂板交線信息的近實時獲取，該信息可直接發(fā)送給采煤機(jī)滾筒，為采煤機(jī)下一刀截割提供數(shù)據(jù)參考。杜江麗等[9]提出了多邊形分割法，將模型的重點關(guān)注區(qū)域劃分為多個多邊形，對礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。亓玉浩等[10]提出了一種綜采工作面實時三維建圖方法，可滿足綜采工作面監(jiān)控的精度需求。劉曉陽等[11]針對巖性變化和構(gòu)造的分析監(jiān)測越來越困難的問題，研究了當(dāng)前巷道頂板穩(wěn)定性監(jiān)測方法。王峰[12]提出了以煤層透明化、綜采裝備透明化、決策及控制透明化為核心的基于透明工作面的智能化開采概念。鄒筱瑜等[13]面向移動機(jī)器人在煤礦巷道的建圖需求，提出了一種基于集成式因子圖優(yōu)化的煤礦巷道移動機(jī)器人三維地圖構(gòu)建方法。高曉進(jìn)等[14]提出了軟巖巷道超前爆破預(yù)裂頂板防控技術(shù)，以解決軟巖巷道結(jié)構(gòu)的形變問題。

上述方法為巷道形變監(jiān)測提供了可行的解決方案，但還存在如下問題：① 單一的形變量指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映巷道形變演化規(guī)律及圍巖狀態(tài)與發(fā)展趨勢。② 巷道形變具有區(qū)域性、連續(xù)性、突發(fā)性的特點，現(xiàn)有方法存在監(jiān)測站點單一、測點有限的問題，難以實現(xiàn)大范圍、多站點、區(qū)域性同步測量。因此需要選取多個指標(biāo)建立巷道形變監(jiān)測指標(biāo)體系，且需要研究一種具有區(qū)域性、連續(xù)性、實時性特點的巷道形變監(jiān)測方法，及時、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測巷道形變以確保煤礦開采安全。

三維激光掃描技術(shù)可快速獲取被測物體表面三維坐標(biāo)，點云數(shù)據(jù)精度高、密度大，包含反射強(qiáng)度等信息[15]，可實現(xiàn)對巷道形變連續(xù)監(jiān)測。因此，針對煤礦巷道形變監(jiān)測面臨的問題，本文提出了一種基于三維激光掃描的煤礦巷道形變監(jiān)測方法。首先，利用深度學(xué)習(xí)模型VoxelNet對三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測去噪。然后，利用alphashape算法對斷面離散點進(jìn)行擬合，并采用基于差值的方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多維差值計算，得到巷道形變的具體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦區(qū)巷道形變監(jiān)測的全覆蓋。最后，利用中煤大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦為期1個月的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對巷道形變進(jìn)行截面分析和三維整體分析。

1 煤礦巷道形變監(jiān)測方法

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動、高精度立體掃描技術(shù)，具有操作簡單、速度快、靈活性高、精度高等特點[16]，數(shù)字化、自動化、實時性強(qiáng)，解決了目前空間信息技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

三維激光掃描技術(shù)借助水平方位偏轉(zhuǎn)控制器及對應(yīng)的高度角偏轉(zhuǎn)控制器科學(xué)控制反射棱鏡的實際轉(zhuǎn)動，使激光測距系統(tǒng)發(fā)射的激光能夠順著不同的坐標(biāo)軸實時移動并掃描測量。掃描儀自身定義的坐標(biāo)系統(tǒng)中，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。借助測得的三維掃描儀中心到目標(biāo)點的斜距S、激光束水平方向偏轉(zhuǎn)角a和豎直方向偏轉(zhuǎn)角b來校準(zhǔn)并計算激光腳點的實際三維坐標(biāo)P（X，Y，Z）[17]。

三維激光點坐標(biāo)計算原理如圖1所示，通過測量大量物體表面點位的三維坐標(biāo)，讀取并集成現(xiàn)場物體的反射率和紋理等信息，生成被測物點云模型，獲取高精度、高分辨率的三維巷道點云數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光點坐標(biāo)計算原理Fig. 1 Principle of 3D laser point coordinate calculation

1.2 點云去噪

對三維巷道點云數(shù)據(jù)去噪是煤礦巷道形變監(jiān)測得以有效應(yīng)用的重要預(yù)處理步驟[18]。將噪點設(shè)為巷道內(nèi)的人物和內(nèi)壁附著的螺絲釘和管道等，通過VoxelNet網(wǎng)絡(luò)檢測出噪點后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行分離。

首先使用點云標(biāo)注工具Semantic Segmentation Editor制造數(shù)據(jù)集，標(biāo)注人物和管道等信息后送入VoxelNet訓(xùn)練。然后使用VoxelNet中的Voxel將三維空間中的一定空間劃分為一個格子，并使用PointNet網(wǎng)絡(luò)對格子的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。最后用提取出來的特征代表這個格子，并放回到三維空間。將無序的點云數(shù)據(jù)變成高維特征數(shù)據(jù)，并使用三維卷積抽取有序的三維Voxel數(shù)據(jù)。

1.3 點云旋轉(zhuǎn)

給定2個來自不同坐標(biāo)系的三維數(shù)據(jù)點集，找到2個三維數(shù)據(jù)點集的空間變換關(guān)系，使2個三維數(shù)據(jù)點集處于同一坐標(biāo)系中，即可實現(xiàn)三維點云配準(zhǔn)[19]。配準(zhǔn)目標(biāo)是在全局坐標(biāo)框架中找到單獨獲取視圖的相對位置和方向，使2個三維數(shù)據(jù)點集之間的相交區(qū)域完全重疊。通過求點云M和點云N之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，使點云M和點云N的坐標(biāo)處于同一坐標(biāo)系下。通過歐拉角生成旋轉(zhuǎn)矩陣，將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。設(shè)新的空間直角坐標(biāo)軸分別為X'，Y'，Z'，繞X'，Y'，Z'3個軸旋轉(zhuǎn)的角度分別為α，β，γ，繞X'，Y'，Z'旋轉(zhuǎn)分別得到的旋轉(zhuǎn)矩陣為

對3個旋轉(zhuǎn)矩陣的點云坐標(biāo)進(jìn)行逐元素相乘，得到最終的旋轉(zhuǎn)矩陣R。

1.4 點云連續(xù)斷面

將巷道切分為連續(xù)的斷面，根據(jù)斷面對巷道進(jìn)行形變分析，分別向點云的X'OY'和Y'OZ'面進(jìn)行數(shù)據(jù)投影，計算當(dāng)前斷面的中心點P?(x?,y?,z?)，其中，x?,y?,z?為中心點P?在X'，Y'，Z'3個坐標(biāo)軸上對應(yīng)的數(shù)值。

隨后，構(gòu)造與Z'軸平行的平面，平面與Z'軸平行且與Y'軸相切，則該平面的法向量u=[0 1 0]，該平面的方程為y-y?=0。由于落于平面的點比較稀疏，所以賦予平面一定的厚度，將點到平面一定距離d內(nèi)的點都算作該平面的點。

1.5 形變分析

在實際掃描作業(yè)中，由于障礙物遮擋或受巷道空間掃描角度的限制，會出現(xiàn)部分點云空洞，難以保證斷面上處處都有激光斑點，所以需要對投影后的斷面離散點集進(jìn)行擬合。alphashape算法可控制點集邊界擬合以創(chuàng)建非凸區(qū)域，采用該算法擬合投影后的斷面離散點集，其計算圓心的原理如圖2所示，計算步驟如下：

圖2 alphashape算法計算圓心原理Fig. 2 Diagram of alphashape algorithm calculating the center of a circle

1） 選取任意一點p(x,y)，以半徑為r的圓進(jìn)行滾動，在斷面點集中搜索所有距離p點2r以內(nèi)的點的集合，形成點集Q。

2） 選取點集Q中的任意點p1(x1,y1)，根據(jù)p和p12個點的坐標(biāo)和半徑r，計算出經(jīng)過p和p12個點且半徑為r的圓心p2(x2,y2)，p3(x3,y3)。

式中H為參數(shù)。

3） 計算點集Q中（除p1點）剩余點分別到p2,p3點的距離。若所有點到p2或p3的距離均大于半徑r，則證明p點為邊界點。

4） 若剩余的點到p2或p3點的距離不全都大于半徑r，則遍歷點集Q內(nèi)的所有點，將其輪換作為p1點，重復(fù)上述過程。若存在某點滿足2）和3），則該點為邊界點，終止該點的判斷，繼續(xù)判斷下一點。若點集Q中所有臨近點中均不存在p1這樣的點，則p點為非邊界點。

根據(jù)alphashape算法擬合巷道斷面輪廓圖，構(gòu)建不同監(jiān)測時期同一位置的巷道斷面，將其疊加后，采用對比不同時期同一位置巷道斷面的高度和寬度等信息的方法，可以更直觀地分析巷道形變趨勢。具體分析過程：首先，由alphashapes算法計算第一期巷道斷面的輪廓點，分別計算相鄰2個點p′(x0,y0,z0),q(x1,y1,z1)所構(gòu)成的線段l1的方向向量，默認(rèn)p′,q處于同一平面內(nèi)，故只保留X軸和Z軸值，記為p′(x0,z0),q(x1,z1)。然后，計算過p′點與l1垂直的直線l2，l2即法向直線。最后，計算第二期與第一期相同法向直線的點的坐標(biāo)，計算2個點間的距離，將其記為形變值。

2 工程實踐

2.1 工程概況

中煤大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦的開采工作面為30507工作面，工作面采用單巷布置方式，即在工作面分別布置膠帶巷和回風(fēng)巷。工作面西側(cè)布置回風(fēng)巷，東側(cè)布置膠帶巷，膠帶巷東側(cè)為實煤區(qū)，回風(fēng)巷西側(cè)為30509工作面采空區(qū)（2018年6月停采），30507工作面與30509工作面之間區(qū)段煤柱為8 m，因此將30507工作面回風(fēng)巷作為監(jiān)測地點，進(jìn)行為期1個月的實際形變監(jiān)測。

通過對30507工作面進(jìn)行實地勘查，其具有以下特點：

1） 靠近工作面的回風(fēng)巷區(qū)域形變量大，已有控制點坐標(biāo)經(jīng)過一定時間會發(fā)生變化，無法直接利用。

2） 對于井下空間地理坐標(biāo)系，除用全站儀進(jìn)行測點定位外，沒有更好的方式將點云數(shù)據(jù)和礦井坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)系。

3） 礦區(qū)井下環(huán)境相對復(fù)雜，煤塵、空氣濕度、振動等工況極易影響工作效率和數(shù)據(jù)精度。

2.2 實踐方案

塔山煤礦正在回采的工作面為30507工作面，開始監(jiān)測時采煤機(jī)所處位置在里程1 000 m處，監(jiān)測范圍為里程600～900 m。在測繪區(qū)域起始位置即里程600 m處，前后上下交錯架設(shè)多個360°棱鏡。根據(jù)30507回風(fēng)巷實際情況，考慮到工作面附近棱鏡位置會產(chǎn)生變化，因此以風(fēng)門處于終采線以內(nèi)的基準(zhǔn)點為基準(zhǔn)，測量各個360°棱鏡的三維坐標(biāo)，使棱鏡與井下基準(zhǔn)點處于同一坐標(biāo)系下。采用后方交會的方式，在每次進(jìn)行巷道形變監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時，以相同基準(zhǔn)點作為初始測點的定向點，將礦井坐標(biāo)系賦予點云數(shù)據(jù)，以保證每次進(jìn)行形變監(jiān)測工作所采集的點云數(shù)據(jù)都處于同一個空間坐標(biāo)系下。

受巷道結(jié)構(gòu)影響，只能選取接近于直線的布站路線進(jìn)行三維激光掃描。為避免由于線性布站及井下煤塵、濕氣等因素造成的拼接誤差，相鄰測站之間采用棱鏡定位的方式進(jìn)行拼接定位，選擇應(yīng)用可識別棱鏡并記錄棱鏡信息的三維激光掃描儀。相鄰測站間需保證有2個及以上共同的棱鏡作為拼接基準(zhǔn)。

將周期性采集的點云數(shù)據(jù)置于同一坐標(biāo)系下，對多次的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出巷道頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)、回采側(cè)兩側(cè)壁的形變量。

2.3 數(shù)據(jù)采集

1） 控制測量。由于三維激光掃描儀具有獨立的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了將點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為實際地理坐標(biāo)系，需結(jié)合全站儀進(jìn)行控制測量。在里程600 m處做3個能夠固定在錨桿上的棱鏡放置裝置，并在其上安置3個360°棱鏡。以風(fēng)門處7號、9號、11號基準(zhǔn)點為基準(zhǔn)，采用全站儀測出3個棱鏡在礦區(qū)地測坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

2） 在里程600～900 m段，按30 m的間距，在巷道兩幫粉刷并做標(biāo)記，作為掃描的架站位置；在里程600 m處開始架設(shè)三維激光掃描儀，并進(jìn)行對中整平等操作。

3） 定位棱鏡測量。掃描儀架設(shè)完畢后，使用棱鏡掃描功能采集設(shè)置的360°棱鏡點位數(shù)據(jù)，將定位棱鏡信息同步至點云模型中。

4） 根據(jù)項目要求選擇合適的掃描參數(shù)，建立測站文件夾，使用棱鏡的掃描功能，識別測站間用于點云拼接所架設(shè)的棱鏡，識別完成后開始三維激光掃描，獲取該測站全景點云數(shù)據(jù)。

5） 檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，若數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，即可將掃描儀遷移至下一預(yù)設(shè)測站，并以同樣步驟進(jìn)行該測站的三維激光掃描。依次循環(huán)，直至待測區(qū)域全部掃描完成，即數(shù)據(jù)采集工作完成。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程只需將相鄰測站間相同的棱鏡目標(biāo)進(jìn)行匹配，即可達(dá)到點云拼接目的，過程如下：

1） 控制點坐標(biāo)錄入。在數(shù)據(jù)處理軟件中，使用起始測站中采集的定位棱鏡點創(chuàng)建目標(biāo)，將全站儀測量的定位棱鏡坐標(biāo)賦予對應(yīng)目標(biāo)，控制點坐標(biāo)錄入，如圖3所示。

圖3 控制點坐標(biāo)錄入Fig. 3 Control point coordinate input

2） 后方交會拼接。起始測站點云利用其中的定位棱鏡點與已賦予現(xiàn)場坐標(biāo)系坐標(biāo)的目標(biāo)點位匹配。第二測站點云以起始測站為基準(zhǔn)，利用與起始測站共視的2個或2個以上棱鏡進(jìn)行后方交會，將其與起始測站拼接[20]。后續(xù)測站依次進(jìn)行，得到定位于現(xiàn)場坐標(biāo)系中的整體測區(qū)點云模型。

3） 數(shù)據(jù)去噪。為采集完整的巷道頂板、底板及煤柱側(cè)、回采側(cè)兩側(cè)壁數(shù)據(jù)，采用360°全景掃描儀采集現(xiàn)場所有可視數(shù)據(jù)。由于噪點數(shù)據(jù)[21]（圖4）會對實施效率及結(jié)果精度造成影響，所以需對噪點數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，去噪后數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 選取的噪點數(shù)據(jù)Fig. 4 Selected noise data

圖5 去噪后數(shù)據(jù)Fig. 5 Denoised data

4） 數(shù)據(jù)輸出。對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪后，在確保點云定位信息固定的前提下，導(dǎo)出相應(yīng)格式的點云模型，如圖6和圖7所示。

圖6 煤礦巷道點云數(shù)據(jù)內(nèi)部視角Fig. 6 Internal perspective of point cloud data in coal mine roadway

圖7 煤礦巷道點云數(shù)據(jù)外部視角Fig. 7 External perspective of point cloud data of coal mine roadway

2.5 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)處理過程中，將所有三維點云模型置于同一坐標(biāo)系下，因此在將同一測區(qū)的2期三維點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入對比分析軟件后，2期三維點云模型會自動放置在同一位置。

1） 三維整體分析。將置于同一位置的2期點云數(shù)據(jù)沿其法線方向進(jìn)行差值分析，得到整體形變量，以色譜的形式將差值進(jìn)行顯示，不同顏色的分布表示不同區(qū)域2期點云模型偏差的分布，顏色的深淺表示該區(qū)域偏差大小。通過對模型上顏色的分布和深淺分析，得到該測段巷道形變的整體趨勢，如圖8所示。如果巷道受到向內(nèi)的擠壓，會變成紅色，紅色越深，表明擠壓程度越大；如果巷道趨近于無變化，則會變成綠色；如果巷道向外擴(kuò)張，會變成藍(lán)色，藍(lán)色越深，表明向外擴(kuò)張程度越大。

圖8 三維整體分析結(jié)果Fig. 8 3D overall analysis results

2） 截面分析。以三維整體分析為基礎(chǔ)，在整體巷道點云模型的豎直方向上按一定距離布置截面，截取2期點云在截面上的偏差，以色譜的形式將差值進(jìn)行顯示，截面分析結(jié)果如圖9所示?？煽闯鲭x工作面距離越近，附色模型的顏色越偏向紅色和藍(lán)色，且顏色越深，代表巷道形變越大。

圖9 巷道截面分析結(jié)果Fig. 9 Roadway section analysis results

兩期巷道截面對比如圖10所示，通過2個巷道輪廓的相對偏差，可看出該區(qū)域主要存在的形變：如果上輪廓向內(nèi)偏離，則頂板發(fā)生塌陷；如果下輪廓向外偏離，則底板發(fā)生鼓起。

圖10 巷道截面對比Fig. 10 Comparison of roadway section

3） 預(yù)警記錄。點選預(yù)警記錄可查看預(yù)警位置、里程位置和最大形變值等信息，數(shù)據(jù)精確，可隨時觀察巷道形變情況，以便采取相應(yīng)維護(hù)措施，巷道形變預(yù)警記錄如圖11所示。

圖11 巷道形變預(yù)警記錄Fig. 11 Roadway deformation warning record

3 結(jié)論

1） 將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于塔山煤礦30507工作面的形變監(jiān)測，將人工智能與傳統(tǒng)方法相結(jié)合，提出了基于三維激光掃描的煤礦巷道形變監(jiān)測方法。利用深度學(xué)習(xí)VoxelNet模型對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，利用alphashape算法對斷面離散點進(jìn)行擬合，并采用基于差值的方法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行多維差值計算以得到巷道形變數(shù)據(jù)。

2） 利用塔山煤礦的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對巷道三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行了截面分析和三維整體分析。截面分析主要基于巷道三維點云按固定間距選取截面，比對2期點云截面數(shù)據(jù)，通過截面輪廓差異判斷巷道形變情況；三維整體分析利用2期巷道三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體比對，通過色譜顯示比對結(jié)果，分析巷道形變區(qū)域和變化趨勢。隨著測點距工作面的距離越近，附色模型越偏向紅色和藍(lán)色，且顏色越深，表明巷道形變越大。