空區三維激光探測技術及穩定性分析

李 群 李占金 李 力

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

空區三維激光探測技術及穩定性分析

李 群1,2李占金1,2李 力1,2

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

由于受采空區周邊地質條件和探測技術的制約，傳統空區探測技術手段無法得到工作人員不能進入的空區精準數據，以此為基礎進行采空區穩定性分析的可靠性程度很低。利用三維激光掃描系統(MDL-VS150)對空區進行精準的激光掃描，基于三維激光探測所得的點云數據，結合3Dmine軟件建立采空區的三維實體模型，運用FLAC3D軟件進行空區穩定性分析。根據計算結果對某鐵礦采空區的位移和應力進行分析，采空區垂直位移量最大為4.437 cm，圍巖的最大拉應力和壓應力分別為0.795、3.221 MPa，均小于巖體的抗拉及抗壓強度。由此表明，采空區處于穩定狀態，在短期內不會發生破壞，但為了礦山長期發展應對空區及時采取有效處理措施。

空區探測 三維激光掃描 空區穩定性 MDL-VS150

隨著我國礦產資源的大范圍被采出后，已經形成大量的地下采空區。地下空區的存在直接影響礦山安全，在一定的條件下會引起塌陷、突水等災害，給國家和人民的生命財產造成巨大的損失。因此，進行地下采空區精細探測和分析采空區穩定性，對保證礦山安全生產具有重要意義[1-3]。

目前在空區探測技術的應用方面，主要是以開采情況調查、工程鉆探、物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等技術手段[4]。在我國主要采用物理勘探作為主要手段，常用的物探技術方法有高密度電阻率法、電磁法、地震波法、探地雷達法和三維激光探測法[5-6]。其中三維激光空區掃描技術是近年來在國內外礦山應用比較廣泛的一種新型探測方法[7-8]，如英國的鉆孔式激光掃描儀(C-AL)和探桿式掃描儀(MDL-VS150)、加拿大CMS空區探測系統等[9]。尤其是對一些工作人員無法進入或由于安全原因不能進入的采空區，三維激光空區掃描設備既能為采空區的三維精準探測提供保障，又能保證工作人員的安全。在對采空區穩定性的研究方面，很多學者[10-11]基于3Dmine建立礦山實體模型結合FLAC3D等數值分析軟件對采空區進行模擬分析研究。

本研究采用探桿式激光掃描設備(MDL-VS150)對不規整的采空區進行三維掃描，獲得采空區空間形態的精確三維點云數據，進而結合3Dmine對所探測的點云數據進行處理，生成三維實體模型。在此基礎上，利用FLAC3D有限元分析軟件建立了三維數值計算模型，進行某鐵礦采空區的穩定性分析。

1 礦山現狀及面臨的主要問題

某鐵礦礦區地表構筑物有職工生活區、井口工業場地、簡易公路、粉礦場地等建筑設施。該礦經過多年開采，在地表形成露天采坑，455 m中段滯留了大量的空區，單個采空區最大體積達2.23萬m3，采空區總體積13.77萬m3，而且局部空區已出現坍塌，若不及時對這些空區進行處理，容易造成大范圍空區塌陷。這些空區一旦大范圍坍塌，不但會造成地表下陷導致生態破壞，而且采空區內的空氣涌出形成強烈的壓縮沖擊波，嚴重威脅井下工作人員的生命安全。另外，空區賦存時間較長，可能導致積水，一旦空區塌陷將產生礦坑涌水，為礦山的安全生產留下了嚴重的安全隱患。因此，為了下一步合理開發礦產資源，礦山主要安全任務是對采空區進行精準探測，并對其穩定性進行評估分析，能夠對空區治理起到指導作用。

2 采空區的探測及建模

2.1 采空區探測

探桿式掃描儀MDL-VS150是一種基于高速激光精密掃描測量方法，大面積高分辨率地獲取被測對象表面的空間點位信息的系統，是專門為礦山等惡劣環境設計，用于難以接近的空區、采石場、巖石表面等，有著堅固耐用、防水防塵、抗沖擊、便攜性、高精度、應用范圍廣和快速作業等優點。其可通過旋轉并集成脈沖激光測距儀的掃描探頭來實現對采空區的測量，在進行探測時將激光探頭設備深入到采空區內部，通過電腦操作進行三維水平掃描(Horimal)，此時水平軸將在360°范圍內做重復轉動，每次水平轉動結束后，垂直軸將以3°(Normal模式)掃描間隔轉動，最終生成空區的三維點云數據。將該數據導入設備配套的數據處理軟件(Voldscan)后，對多次掃描拼接而成的點云，要正確輸入坐標信息，才能顯示完整的點云，隨后對點云數據進行修正處理。具體的MDL-VS150采空區激光自動掃描系統設備及操作示意見圖1。

圖1 采空區激光自動掃描系統設備及操作示意

2.2 基于3Dmine的空區三維實體模型建立

將Voldscan軟件修正后的點云數據導入3Dmine數字礦山軟件生成采空區模型，得到該礦山已形成大小不等的采空區21個，最大采高34 m，最大頂板暴露面積1 735.2 m2，暴露面積超過800 m2的采空區7個，采空區總體積137 660.5 m3，空區分布比較集中，相連成片，礦柱不規則，變形較大，礦山地下采空區分布狀況見圖2。

圖2 礦山地下采空區分布

3 采空區穩定性分析

本次數值模擬選取18#、19#和20#采空區作為研究對象，應用有限元差分程序FLAC3D對未處理的空區構建數值模擬工程地質計算模型，對其進行穩定性分析。圖3、圖4分別為空區應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)。

圖3 采空區形成后主應力云圖

圖4 采空區形成后Z向位移云圖

從圖3可以看出，由于采空區的存在使得圍巖所承受應力進行了重新分布，空區頂底板以及空區之間的礦柱均出現較大的壓應力，應力集中現象在相鄰空區間的礦柱更為明顯。圍巖中最大拉應力為0.795 MPa，最大壓應力為3.221 MPa，均小于巖體的抗拉及抗壓強度，可知目前采空區處在穩定狀態。由Z向位移云圖4顯示空區頂板的中間部位有明顯的向下垂直位移，空區出現最大的位移量為4.437 cm，出現在19#空區(19#空區頂板的跨度大，又位于空區中間，導致其頂板處位移量較大，空區的危險系數也增加)，底板也出現不同程度的位移變化。雖然空區目前處于相對穩定狀態，但是隨著空區暴露面積時間的增加，勢必會使圍巖強度降低，礦柱變形加劇，支撐能力減弱，最終可能會導致空區坍塌。因此為了礦山后期安全生產考慮，應及時對空區采取有效的治理措施。

4 結 論

(1)運用VS150礦山空區探測技術，可以精確測得一些工作人員無法進入的采空區實際空間分布狀況及體積大小，利用掃描所得的點云數據結合3Dmine軟件建立礦山空區的可視化三維模型，并結合FLAC3D建立數值計算模型進行穩定性分析，對礦山安全生產和空區治理起到指導作用。

(2)數值模擬分析可以看出，采空區目前處于相對穩定狀態，但是相近空區(18#、19#和20#)的礦柱穩定性較差，有明顯的應力集中現象，尤其是在18#與19#2個相對較大空區間的礦柱。隨著時間的推移，在地質構造、井下采礦爆破等因素影響下圍巖強度會逐漸降低，支撐礦柱破壞加劇，最終導致采空區坍塌。因此，為防止采空區坍塌造成嚴重后果，建議礦山及時對采空區進行治理。

[1] 張耀平，曹 平，袁海平，等.復雜采空區穩定性數值模擬分析[J].采礦與安全工程學報，2010,27(2)：233-238. Zhang Yaoping，Cao Ping，Yuan Haiping，et al.Numerical simulation on stability of complicated goaf[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2010,27(2)：233-238.

[2] 周宗紅，侯克鵬，任鳳玉.跑馬坪鉛鋅礦采空區穩定性分析及控制方法[J].采礦與安全工程學報，2013,30(6)：863-867. Zhou Zonghong，Hou Kepeng，Ren Fengyu.Stability analysis of large-scale mined-out area and its control methods in Paomaping lead-zinc deposit[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2013,30(6)：863-867.

[3] 吳愛祥，王貽明，胡國斌.采空區頂板大面積冒落的空氣沖擊波[J].中國礦業大學學報，2007,36(4)：473-477. Wu Aixiang，Wang Yiming，Hu Guobin.Air shock wave induced by roof falling in a large scale in ultra-huge mined-area[J].Journal of China University of Mining & Technology,2007,36(4)：473-477.

[4] 童立元，劉松玉，邱 鈺，等.高速公路下伏采空區問題國內外研究現狀及進展[J].巖石力學與工程學報，2004,23(7)：1198-1202. Tong Liyuan,Liu Songyu,Qiu Yu,et al.Current research state of problems associated with mined-out regions under expressway and future development[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004,23(7)：1198-1202.

[5] 李夕兵，李地元，趙國彥，等.金屬礦地下采空區探測、處理與安全評判[J].采礦與安全工程學報，2006,23(1)：24-29. Li Xibing，Li Diyuan，Zhao Guoyan，et al.Detecting，disposal and safety evaluation of the underground goaf in metal mines[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2006,23(1)：24-29.

[6] 宋衛東，付建新，杜建華，等.基于精密探測的金屬礦山采空區群穩定性分析[J].巖土力學，2012,33(12)：3781-3787. Song Weidong，Fu Jianxin，Du Jianhua，et al.Analysis of stability of goaf group in metal mines based on precision detection[J].Rock and Soil Mechanics，2012,33(12)：3781-3787.

[7] Fardin N,Feng Q,Stephansson O.Application of a new in situ 3D laser scanner to study the scale effect on the rock joint surface roughness[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2003,41(2)：329-335.

[8] Huber D,Vandapel N.Automatic three-dimensional underground mine mapping[J].International Journal of Robotics Research,2006,25(1)：7-17.

[9] 章 林，孫國權，李同鵬,等.地下礦山采空區探測及綜合治理研究與應用[J].金屬礦山，2013(11)：1-4. Zhang Lin，Sun Guoquan，Li Tongpeng,et al.Research of detection and comprehensive treatment of underground mine goaf and its application[J].Metal Mine，2013(11)：1-4.

[10] 周科平，杜相會.基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合的殘礦回采穩定性研究[J].中國安全科學學報，2011,21(5)：17-22. Zhou Keping，Du Xianghui.Study on stability of residual ore recovery based on coupling of 3DMINE-MIDAS/GTS-FLAC3D[J].China Safety Science Journal，2011,21(5)：17-22.

[11] 劉科偉，李夕兵，宮鳳強,等.基于CALS及Surpac-FLAC3D耦合技術的復雜空區穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2008,27(9)：1924-1931. Liu Kewei,Li Xibing,Gong Fengqiang,et al.Stability analysis of complicated cavity based on CALS and coupled Surpac-FLAC3Dtechnology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008,27(9)：1924-1931.

(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(編號：51374087)，河北省高等學?？茖W技術研究重點項目(編號：ZH2012072)。

李 群(1988—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

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