范紅斌

(山西省長(zhǎng)治市屯留區(qū)余澤鎮(zhèn)常村煤礦,山西 長(zhǎng)治市 046000)

0 引言

采空區(qū)積水是礦山的巨大安全隱患,極易發(fā)生透水淹井事故,據(jù)統(tǒng)計(jì),僅5 a時(shí)間,全國(guó)已有300多個(gè)礦井發(fā)生透水、突水事故,共造成1360多人死亡以及600多億元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。采空區(qū)積水情況不明是發(fā)生礦井透水、突水事故的一個(gè)重要原因[2],因此,探明采空區(qū)積水狀況非常重要。

近些年暑期期間,山西地區(qū)大量降雨和地下水轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了煤礦采空區(qū)賦水,2021 年和2022 年汛期時(shí),常村煤礦在采空區(qū)鄰近巷道巖壁上發(fā)現(xiàn)了明顯的滲水現(xiàn)象,表明采空區(qū)內(nèi)部已經(jīng)存在大量積水,采用鉆探法對(duì)該結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。但具體水深以及飽水之后周圍巖體的力學(xué)性質(zhì)變化未知,這使得賦水采空區(qū)成為鄰近采場(chǎng)與巷道煤巖穩(wěn)定性的重大安全隱患,易造成地表塌陷,影響地面建筑物。

傳統(tǒng)地下空間測(cè)繪存在作業(yè)難度大、效率低、精度差等問題,隨著礦山開采規(guī)模的日益增大,傳統(tǒng)鉆探、物探方法的不足難以適應(yīng)更加多變、復(fù)雜的采空區(qū)探測(cè)[3]。三維激光掃描系統(tǒng)作為測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù),已在諸多大型礦山采空區(qū)探測(cè)中得到應(yīng)用[4],但其無法探測(cè)水下部分?，F(xiàn)代聲吶技已廣泛應(yīng)用于軍事、海洋、水利等多領(lǐng)域的水下探測(cè)[5]。國(guó)內(nèi)外鮮有二者結(jié)合應(yīng)用于采空區(qū)探測(cè),同時(shí)獲得采空區(qū)水上水下部分信息的例子。

針對(duì)煤礦行業(yè)普遍存在的含水采空區(qū)難以精準(zhǔn)探測(cè)以及老舊采空區(qū)賦水后鄰近采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的難題,本文提出一種基于賦水采空區(qū)精準(zhǔn)激光點(diǎn)云掃描的煤巖體穩(wěn)定性分析技術(shù),將三維激光掃描與聲吶探測(cè)相結(jié)合,開展賦水采空區(qū)聯(lián)合探測(cè),并通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件分析采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性。

1 賦水采空區(qū)精準(zhǔn)探測(cè)方法

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近年來興起的一項(xiàng)激光應(yīng)用技術(shù),由于激光的高速度及高精度,所收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)都相當(dāng)于測(cè)量場(chǎng)景的真實(shí)位置分布,該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,通過使用激光進(jìn)行全方位掃描,快速獲取三維空間的坐標(biāo)點(diǎn),其特點(diǎn)就是高精度、高速度、高還原,是國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一[6]。

三維激光掃描儀的工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射一束紅外線激光束,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)光學(xué)鏡的反射到達(dá)被測(cè)物體的某一點(diǎn),再經(jīng)過漫反射回到掃描儀接收器,記錄激光束往返一次所耗費(fèi)的時(shí)間,結(jié)合激光速度計(jì)算出被測(cè)物體P(x,y,z)距離掃描儀的距離值S,同時(shí)記錄水平偏轉(zhuǎn)角α和豎直偏轉(zhuǎn)角θ,以掃描儀內(nèi)部激光發(fā)射點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,以X、Y作為水平坐標(biāo),Z作為垂直坐標(biāo)建立空間直角坐標(biāo)系,如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)計(jì)算原理

由圖1可知,三維激光掃描系統(tǒng)點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算公式:

式中,S為采樣點(diǎn)P至測(cè)站的空間距離;α為橫向掃描角度觀測(cè)值;θ為縱向掃描角度觀測(cè)值。

1.2 聲吶探測(cè)技術(shù)

試驗(yàn)證實(shí),在人們所熟知的各種輻射信號(hào)中,以聲波在海水中的傳播性能為最佳,據(jù)此研制出了各種“聲吶”設(shè)備[7]。聲吶是利用水中聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和通信的電子設(shè)備,是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置[8],有主動(dòng)式聲吶和被動(dòng)式聲吶兩種。

主動(dòng)式聲吶的工作原理是:儀器發(fā)射某種形式的探測(cè)信號(hào),依據(jù)接收到的回波信號(hào)來判斷目標(biāo)的參量,通過回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的時(shí)延推算出目標(biāo)的距離,由回波波前法線方向可推算出目標(biāo)的方向,而由回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻移可推算出目標(biāo)的徑向速度。此外,由回波的幅度、相位及變化規(guī)律可以識(shí)別出目標(biāo)的外形、大小、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。

假設(shè)發(fā)射信號(hào)是s(t),0

式中,α(r)為傳播損失引起的衰減因子;c為水中的聲速。

設(shè)目標(biāo)以徑向速度v運(yùn)動(dòng),則:

因而:

式中,r0為初始距離;τ=2r0/c;δ=2v/c。

由上可知:

可見回波在時(shí)間上被延遲了τ秒,τ為信號(hào)往返于聲吶目標(biāo)之間的時(shí)間?；夭ㄊ前l(fā)射信號(hào)(脈沖)在時(shí)間上被壓縮或展寬(頻率升高或降低)了的波形。其壓縮量或展寬量決定于目標(biāo)的徑向速度v,通過對(duì)接收信號(hào)的分析,可求出目標(biāo)距離和徑向速度。

1.3 聯(lián)合探測(cè)技術(shù)

使用三維激光掃描和聲吶分別對(duì)采空區(qū)水上、水下部分進(jìn)行探測(cè),由于儀器掃描出來的都是帶坐標(biāo)的點(diǎn)云,可以通過坐標(biāo)結(jié)合到一起。探測(cè)儀器采用“ZEB-REVO 便攜式三維激光掃描儀”和“賦水采空區(qū)三維數(shù)字聲吶測(cè)量系統(tǒng)TBG2000”。

ZEB-REVO 掃描儀的量角范圍水平方向270°,垂直方向360°,距離精度30 mm,能夠每秒采集43 200個(gè)點(diǎn),分辨率可達(dá)水平0.625°;且用戶只需手持該款掃描儀移動(dòng)穿越需要掃描的區(qū)域,即可完成三維掃描工作,和傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù)相比,使用該設(shè)備無需進(jìn)行復(fù)雜的初始定位、整平、放置標(biāo)靶等多項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

TBG2000探測(cè)儀采用新型聲吶傳感器,分辨率高;產(chǎn)品的直徑不到8 cm,方便通過鉆孔下探到充水采空區(qū)進(jìn)行三維探測(cè);重量輕,附件少,汽車電瓶供電,2人即可作業(yè);其掃描精度為4 m 內(nèi)2 mm,5 m 以上10 mm,定向精度±1°;傾斜/滾動(dòng)傳感器精度±0.1°;可承受1000 m 水深的壓力;數(shù)據(jù)格式兼容Surpac、3Dmine、CAD 軟件。

使用GeoSlam 系統(tǒng)軟件建模,其軟件部分包括GeoSlam Hub、Geomagic Control、Cloud Compare。GeoSlam Hub是集成了Slam 算法的點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算軟件,可將采集到的數(shù)據(jù)解算為空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Cloud Compare和Geomagic Control軟件可對(duì)空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀釋、降噪、去除孤立點(diǎn),生成三維實(shí)體,支持對(duì)點(diǎn)和三維實(shí)體的編輯,建模過程包括外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)建模兩部分,如圖2所示。

圖2 建模流程

2 工程應(yīng)用

為了分析常村煤礦2101賦水空區(qū)的穩(wěn)定性及其對(duì)鄰近采場(chǎng)與巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,本文采用ZEB-REVO 三維激光掃描儀和TBG2000聲吶探測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合探測(cè),結(jié)合FLAC3D 數(shù)值計(jì)算軟件,采用流固耦合方法分析其穩(wěn)定性,并作出安全評(píng)價(jià)。

此外,為了測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)對(duì)賦水空區(qū)的測(cè)試效果,首先在回風(fēng)巷運(yùn)輸聯(lián)巷附近的一二水平瓦斯抽放管路與2105輔助運(yùn)輸順槽回風(fēng)通道交叉口處進(jìn)行一次三維掃描,圖3為空區(qū)鄰近巷道的巖壁水跡圖。

圖3 巖壁水跡

2.1 賦水巷道驗(yàn)證測(cè)試

為了防止孔壁坍塌造成鉆孔堵塞,在相應(yīng)區(qū)域鉆鑿了3個(gè)直徑為90 mm 的觀測(cè)孔。三維激光掃描的極限測(cè)試距離為200 m,有效距離為150 m;聲吶探測(cè)極限距離為300 m,有效距離為200 m,因此,3個(gè)鉆孔完全可以覆蓋該區(qū)域,2022年9月25日至9月27日開展了賦水巷道三維掃描,位置如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證巷道位置

根據(jù)獲得三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和聲吶探測(cè)波,建立了巷道的三角面片幾何模型(見圖5)。根據(jù)水下測(cè)試結(jié)果建了賦水采空區(qū)的水下三維幾何模型(見圖6)。

圖5 巷道三角面片網(wǎng)格模型

圖6 巷道水下部分實(shí)體模型

測(cè)試結(jié)果為:巷道跨度3.3～3.6 m,高度4.0～4.3 m,水深1.8 m。測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值基本吻合(設(shè)計(jì)跨度3.6 m,高度4.2 m)。該測(cè)試結(jié)果證明采用三維激光和聲吶聯(lián)合對(duì)賦水采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)是完全可行的,測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 賦水巷道測(cè)試結(jié)果

2.2 復(fù)雜采空區(qū)三維探測(cè)

在系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證分析后,2022年9月28日至9月30日對(duì)常村煤礦2101 賦水空區(qū)開展了探測(cè)。試驗(yàn)前在相應(yīng)區(qū)域打了4個(gè)直徑90 mm 的觀測(cè)孔,并在孔內(nèi)放置了套管,以防止孔壁坍塌造成鉆孔堵塞,采空區(qū)位置如圖7所示。

圖7 采空區(qū)位置

根據(jù)探測(cè)結(jié)果,依次在Cloud Compare 和Geomagic Control中進(jìn)行處理,獲得了復(fù)雜采空區(qū)的三維模型。巷道長(zhǎng)203 m,與采空區(qū)相距20 m;采空區(qū)長(zhǎng)203 m,寬30 m,高2.8～4.5 m,水深1.5 m,如圖8所示。

圖8 賦水空區(qū)模型

3 三維數(shù)值模型仿真分析

3.1 三維模型

以常村煤礦2101空區(qū)為研究背景,根據(jù)三維激光掃描和聲吶探測(cè)結(jié)果,建立了2101采區(qū)的三維幾何模型(見圖9),模型尺寸為:300 m×200 m×210 m(長(zhǎng)×高×寬,X為水平方向,Y方向?yàn)樨Q直方向),節(jié)點(diǎn)共計(jì)1986個(gè),單元8133個(gè)。模型內(nèi)包含一個(gè)采空區(qū)與一條巷道,二者間距20 m。該模型各邊界為法向約束,模型豎直方向?yàn)樽灾貞?yīng)力。

圖9 幾何模型

3.2 巖體參數(shù)

此次計(jì)算煤巖和砂巖均采用摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型,根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和工程實(shí)測(cè)得出各巖層物理力學(xué)參數(shù),具體見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 三維計(jì)算結(jié)果與分析

結(jié)合巷道開挖、采場(chǎng)掘進(jìn)和賦水滲透3個(gè)階段,從位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布3個(gè)方面,對(duì)煤巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由于采空區(qū)內(nèi)賦水來自地表,為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,假定采空區(qū)內(nèi)水體為有壓水,且壓強(qiáng)為靜水壓強(qiáng)。

3.3.1 位移場(chǎng)分析

各個(gè)階段的位移變化見表3?？梢钥闯?巷道開挖后整體變形量不大;采場(chǎng)掘進(jìn)后豎直位移最大值接近19 cm,且明顯大于水平位移;賦水后水平位移最大值從6.3 cm 增加至15.1 cm,豎直位移最大值從18.7 cm 增加至35.8 cm。由此可見,采空區(qū)賦水后對(duì)圍巖的變形有很大影響。

表3 各階段的圍巖位移 cm

3.3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

賦水前各個(gè)階段的主應(yīng)力見表4,各應(yīng)力值為巷道和采場(chǎng)周圍的應(yīng)力值。

表4 賦水前各階段的主應(yīng)力

采空區(qū)賦水后的主應(yīng)力和孔隙水壓力如圖10、圖11和圖12所示,各圖中單位均為Pa。

圖10 最小主應(yīng)力云圖

圖11 最大主應(yīng)力云圖

圖12 孔隙水壓力云圖

從圖10至圖12可以看出:巷道頂板的最小主應(yīng)力約為24 MPa,兩幫最大主應(yīng)力為6 MPa;采空區(qū)頂板的最小主應(yīng)力為12.5 MPa,兩幫的最大主應(yīng)力為4 MPa,巷道周圍的應(yīng)力明顯大于采空區(qū)周圍的應(yīng)力。根據(jù)圖12可知:孔隙水壓力從采空區(qū)向巷道逐漸降低,孔隙水壓力在采空區(qū)附近接近0.65 MPa,巷道附近在0.1 MPa以內(nèi)。

3.3.3 塑性區(qū)分析

賦水后的塑性區(qū)分布如圖13所示。由圖13可知:空區(qū)的頂板和端部出現(xiàn)了一定的塑性區(qū),其中頂部的塑性區(qū)約3 m,端部的塑性區(qū)約1 m,表明在水的軟化泥化、溶蝕潛蝕和孔隙水壓等作用下,采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性出現(xiàn)一定程度的弱化。巷道周圍沒有塑性區(qū),表明20 m 間柱較好地隔離了水對(duì)巷道的影響,在巷道附近的孔隙水壓力幾乎為0也說明了這一點(diǎn)。

圖13 賦水后塑性區(qū)分布

通過對(duì)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與塑性區(qū)分析可知:采空區(qū)賦水后,暴露的煤巖體位移量迅速增大,且存在大面積的塑性區(qū),表明采空區(qū)賦水對(duì)于煤巖體的穩(wěn)定性有很大影響,因此建議及時(shí)將采空區(qū)內(nèi)的水排出,防止煤巖體的冒落。

4 結(jié)論

(1)以常村煤礦2105輔助運(yùn)輸順槽回風(fēng)通道(含水)和2101賦水空區(qū)為背景,驗(yàn)證了三維激光掃描和聲吶技術(shù)聯(lián)合探測(cè)賦水采空區(qū)的可行性。

(2)2101采空區(qū)在賦水后,頂部和端部位移量較之前迅速增加,最大位移量接近36 cm,且采空區(qū)頂部和端部分別出現(xiàn)了約3 m 和1 m 的塑性區(qū),可見采空區(qū)賦水對(duì)于煤巖體的穩(wěn)定性有很大影響,建議完善井下排水系統(tǒng),保證雨季期間滲透到采空區(qū)的雨水盡快排出,以防止煤巖體的冒落。