复杂采空区群精密探测及多软件耦合建模

樊忠华 许振华，2 王 进

(1.中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;3.江西稀有稀土金属钨业集团有限公司，江西 南昌 330046)

复杂采空区群精密探测及多软件耦合建模

樊忠华1许振华1，2王 进3

(1.中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;3.江西稀有稀土金属钨业集团有限公司，江西 南昌 330046)

常规采空区物理探测方法受空区形态及地质情况影响而降低精确度，不能准确地输出空区三维形态信息，且后期分析困难。激光探测技术能很好地解决这一问题，但是针对遗留大量繁杂凌乱点柱的空区群，无论前期探测，还是后期建模难度都变大。以江西某钨矿空区群为背景，利用三维激光扫描系统FARO进行了精密探测，采用Geomagic-studio软件对探测产生的点云数据进行了整理，并进一步地探索了基于Minesight软件和3Dmine软件构建的三维空间模型与FLAC3D数值模型耦合问题。实践证明，应用FARO系统建立的三维空间模型，能较方便地对采空区的残矿量、采空区规模进行精确统计；在此基础上，基于实测三维空间模型构建的FLAC3D数值模型，可对空区群的稳定性进行分析。

精密探测 空区群 点云数据 三维建模 点柱

20世纪70年代至90年代初，矿山普遍采用留矿采矿法、空场采矿法对地下资源进行开采，遗留下大量的地下采空区。空区群的出现，给矿山带来了极大的安全隐患，同时，由于无序开采，积压了大量的残矿没有回收，资源浪费严重。为解决空区群条件下矿山盲目开采问题，在保障安全的前提下，合理留设矿柱，开展探明采空区工作显得尤为重要。目前常用的地下采空区物理探测技术有高密度电阻率法、地震映像法、探测雷达法和激光3D法等[1-5]。

1 工程实例

2007年，江西某钨矿已经形成560、580、603、610、620 m等5个中段和5个坑口，其中2个无轨运输坑口，3个有轨运输坑口，总生产能力约2 000 t/d。经过多年的回采，已经形成相当规模的采空区(2007年底约为150万m3)，并且以每年近20万m3的速度递增。目前正在开采的矿体为1W矿体。采用地下方式开采，所用的采矿方法基本上为留点柱、条柱的全面法，也类似于房柱法。采场静空跨度10～20 m；据不完全统计，截止到2012年，点柱数量达400多个。

该矿开发存在点多面广，作业人员设备多，运输线路复杂等特点；同时，采空区的大量存在，对矿山生产及周边都是一个很大的安全隐患。因此，探测采空区对今后合理地回收剩余矿产资源，解决井下生产过程中冒顶、片帮，地表塌陷破坏等潜在的安全隐患具有非常现实的意义。

2 基于FARO的采空区群的探测

2.1 FARO精密探测系统

FARO三维激光扫描仪的扫描原理如图1所示。FARO发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，获得P的坐标[6-9]，即

(1)

图1 扫描点坐标计算原理Fig.1 Compute principle of scan point coordinate

2.2 采空区群探测

(1)探测位置确定。本次试验选取的现场位于二坑口8线和10线之间，采场采空区具有一定的代表性，且采空区相对较安全，有利于人员进行现场试验。选取空区范围约100 m×80 m进行了探测，如图2所示。

图2 现场参考球Fig.2 The reference ball in the stope

(2)设备调试及探测。井下工作环境较地面差，存在不小的灰尘，而且空气中的湿度也较大。为了保证扫描的精度，测站的距离选择在20 m之内，扫描精度选择1/5和1/8，扫描质量选择4×，设备参数调试整个过程都在扫描仪的液晶数字显示屏上进行，全中文界面，易操作。仪器参数调试完后，在离扫描仪20 m左右界限处，摆放参考球，如图2，通过预先放置的参考球，在后期数据处理过程中，可以将各站数据拼接成一个整体[10]。

每站的扫描时间2～5 min，FARO扫描仪通过点云数据，可以建立三维矢量图，通过FARO自带的软件SENCE可以非常形象地还原现场原貌，如图3所示。同时，FARO扫描仪兼有彩色拍照功能，由于现场的光线条件不好，拍摄效果较差，且彩色照片对于工程意义相对不大，所以选择关闭彩色照相功能。

图3 三维矢量现场云图Fig.3 The trivector point cloud of the stope

2.3 三维空间模型构建

2.3.1 点云数据处理

点云数据处理包括3个步骤：首先各站点的点云数据拼接；其次无关噪点的删除；最后点云数据抽稀。FARO扫描仪现场探测不能直接建立空区三维实体模型，得到的是由海量三维数据点形成的点云数据，同时，由于空区群复杂，且范围广，扫描探测设备通常不能一次性的探测完整个空区群，而需要进行多次不同点探测扫描，扫描完毕后再对各站数据进行拼接。

各站的点云数据拼接后，需对无关噪点进行删除。噪点主要是由探测扫描过程中激光碰触了空气中的尘埃及地面的积水而形成的。噪点与现场作业环境有关，因此保持良好的工作环境，噪点将大量减小，后期数据整理工作量也将相应减小，噪点如不进行必要的处理，易造成空区三维空间模型与实际现场空间模型相偏离，影响后期空区稳定性分析。同时，FARO扫描仪探测得到的海量点云数据，信息量大，计算机需要的数据存储空间大，为避免建模及后期分析计算机运行困难，在保持足够精度的情况下，需对点云数据进行适当的抽稀。

上述点云数据的3个步骤可采用FARO扫描仪自带软件Sence完成，但与逆向工程软件Geomagic Studio对比，Geomagic Studio软件在站点间数据拼接，点云数据抽稀，噪点删除方面相对更加方便，所以本次点云数据处理工作采用的是Geomagic Studio软件。如图4所示。

图4 点云数据3D视图Fig.4 3D view of the point cloud data

2.3.2 三维空间模型构建与空区模型要素统计

点云数据处理完毕后，下一步骤即为通过处理的点云数据进行三维空间模型构建，但是通过点云数据建立的三维空间模型，端口未进行封闭，需要对端口进行封装，以形成封闭的三维实体模型，如图5所示。经过Geomagic Studio软件与矿业软件Minesight 4.0研究后发现，可以通过接口文件将Geomagic Studio软件中的模型导入到矿业软件Minesight中，如图5所示。三维空间模型导入Minesight后，不仅可在软件中进行任意剖分，渲染使三维空间模型更形象化，而且可较方便地在Minesight软件系统中对整个模型的体积、采空区体积、采场暴露总面积、矿柱的体积进行查询。整个测量区域采空区的体积为54 729 m3，各矿柱的体积及采场暴露面积等见表1所示，采场静空跨度10～25 m，采空区高度5～20 m，矿柱半径2～7 m。

图5 3D建模效果Fig.5 The effect of 3D model表1 采空区试验获取各项参数Table 1 The parameters obtained by cavity test

矿柱体积/m31#2#3#4#5#矿柱总体积/m3空区大小/m3采场暴露面积/m2460184293577791449285472913606

2.3 多软件耦合建模

空区群的三维空间模型建立后，一方面可对空区群的基本要素进行精确的把握，另一方面为对实测空区群进行力学稳定性分析提供了基础。通过扫描得到三维空间模型，其实是建立了一个包络空区的壳，壳内为空值，壳外也为空值，如图6所示。但实际上，空区是与围岩或残矿直接连接的，故需建立空区附近围岩与地表的实体模型，然后与采空区三维实体模型进行布尔运算，得到与实际情况相一致的三维空间模型，如图7所示。FLAC3D虽计算功能强大，但前处理能力不足；然而，3Dmine具有强大的建模功能，可让数值模拟直接利用和继承三维地质建模数据，不仅可以大大降低数值模拟前处理的难度，而且可以提高模拟结果的可靠性。因此，将3Dmine 和FLAC3D进行耦合，开展基于实测的采空区稳定性数值模拟分析。同时，由于采空区的三维空间模型存于Minesight软件中，需转化至3Dmine软件中，通常的矿业软件中的实体模型基本均可以DXF格式输出和导入。采空区实体模型导入至3Dmine后，通过创建块体属性，赋值等操作，就可直接另存为FLAC3D易于识别的TXT格式命令流，另外还可根据需要对部分命令进行适当修改。建立的基于实测的FLAC3D三维数值模型如图8，图9所示。

图6 空区模型剖视渲染Fig.6 The section renderrings of the goaf model

图7 空区+地表的三维实体模型Fig.7 3D solid model of goaf and surface

据不完全统计，该矿共有400个点柱，本次探测涉及到的点柱不足10个，即本次探测的空区周围也还是空区。因此，针对探测范围小且不独立的空区，力学稳定性分析条件不足，本次也就没有进一步进行空区群的力学分析。待今后空区群探测范围增大后，就可采用以上方法和步骤进行点柱群空区稳定性分析。

图8 三维数值模型Fig.8 3D numerical model

图9 三维数值模型剖面Fig.9 The cross-section view of 3D numerical model

3 结 论

(1)地下空间和采空区三维激光扫系统FARO具有全自动扫描、操作方便、数据处理简单等特点，Geomagic Studio软件可较方便地对点运数据进行整理，并可通过接口文件导入至矿业软件Minesight中，以对空区群的各要素进行精确统计和查询。

(2)FARO三维激光探测扫描仪产生的海量点云数据中，也包含了一定的噪点，建模前需对噪点予以删除，以免影响后期建模和进一步的稳定性分析。改善三维探测扫描仪工作环境，将大大减小噪点数量，点云数据整理也更简单。

(3)三维激光扫系统FARO三维激光探测设备可对拥有大量点柱的复杂空区群进行探测，结合各矿业软件建模的优势，基于矿业软件与岩土力学分析软件之间的耦合建立的数值模型，能较方便地对基于实测采空区的模型进行计算分析(本次研究因研究区间所限没有进行稳定性分析)。

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(责任编辑 徐志宏)

Precision Detection in Complex Goaf Group and Couple Modeling with Multiple Softwares

Fan Zhonghua1Xu Zhenhua1,2Wang Jin3

(1.ChinaNerinEngineeringCo.,Ltd.，Nanchang330031，China;2.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；3.JiangxiRareEarthandRareMetalsTungstenGroupCo.,Ltd.，Nanchang330046，China)

Due to the influence of the goaf pattern and geological condition，the conventional physical survey for mined-out area lowered the accuracy.It can not accurately output the three-dimensional space information and make post analysis difficult.Laser detection technology solved this problem well.But for the goaf group with a lot of complicated and messy point pillars，a bigger difficulty exists in both pre-detection and post-modeling.With the goaf group in Jiangxi Tungsten Mine as background，the three-dimensional laser scanning system FARO was adopted to make precise detection，and the point cloud data generated from the survey were disposed with Geomagic-studio software.Then，the coupling of three-dimensional space model and FLAC3Dnumerical model based on Minesight software and 3Dmine software was further explored.The practice has proved that the three-dimensional spatial model based on FARO system can more accurately statistic the amount of residual ores in mined-out area and its size.On this basis，FLAC3Dnumerical model based on three-dimensional measured space model can be used to analyze the stability of the goaf group.

Precision detection，Goaf group，Point cloud data，3D modeling，Point pillar

2014-03-07

江西省科技厅科技支撑计划项目(编号：20111BBE0031)。

樊忠华(1984—)，男，硕士，工程师。

TD76

A

1001-1250(2014)-05-138-04