三维激光扫描在岩土工程开挖过程中的应用

试验在重庆大学自主研发的可旋转箱式相似模拟试验台上进行。

一个完整的相似模拟模型试验是一个较为复杂的系统工作，主要包括相似材料的筛选、相似材料配比试验、模型的堆砌上架、位移和应力观测点布置、模型开挖，以及数据、图像的采集与整理6个部分，其具体试验步骤为：

①选取细河砂为骨料，石膏和碳酸钙作为黏结料，水泥、软木屑和机油作为调料。试验前要对细河砂进行晒干、筛选去杂工作。

②进行相似材料配比试验，找出符合原型材力学参数的配比。

③按照选定的配比号，在相似模拟试验架上将材料堆砌成型。堆砌是按层进行，每层间撒上云母粉作为离层，可以更好地模拟现实情况。

④在预开挖每层堆砌时，煤层上下除用云母设置离层外，还要铺上塑料薄膜，可以在将来开挖时方便快捷地将开挖煤层挖出。

⑤对风干完毕后的相似模型进行开挖，开挖顺序从左向右，设计每次开挖80 m（模型上为20 cm），分6次开挖完毕。

⑥每次开挖前，通过三维激光扫描仪对所要观测的模型进行全方位的扫描。开挖完成后间隔180 min进行扫描，待其完全稳定后再进行下一次开挖。

具体实施过程如下：

待模型风干后，拆除挡板，将模型表面进行打磨，磨光后按平煤神马集团十矿综合柱状图中不同岩性进行涂色，效果如图4.2所示。

图4.2　相似模型整体图

为开挖方便，拟开挖煤层上下均设置云母层，每步开挖长度间设有隔板，如图4.3所示。

图4.3　拟开采煤层放大图

在研究区域，每10 cm布置一根位移监测线，每根测线上每隔10 cm布置一个监测点，如图4.4所示。

图4.4　位移监测点布置图

试验变形及裂隙扩展规律的测量采用重庆大学最新引进的三维扫描测试系统，图4.5所示为此系统工作状态图。

将扫描的数据导入Trimble Real-works后处理软件，形成点云数据，如图4.6所示。Trimble Real-works软件后处理过程需要将原始状态与第一步开挖后两次点云对比。(www.xing528.com)

第一步开挖：由矿山压力及其控制理论可知采空区中部应力值最小，卸压效果最好，采动影响的程度最大，煤层的渗透性最好。第一步开挖时，直接顶板垂直应力减小到0，直接顶板冒落，在直接顶板两翼尖端产生斜向上的宏观主裂纹，裂纹有向垂直应力方向扩展的趋势，直接顶板中部卸压充分，局部发生断裂，直接顶板开始出现少量细微裂纹，老顶无明显现象。从三维激光扫描仪位移云图中可以看到，顶板冒落，垂直方向变形较大的区域形成拱形冒落带。

图4.5　Trimble FX三维激光扫描仪工作状态图

图4.6　导入Trimble Real-works形成点云图

第二步开挖：两翼尖端产生斜向上的宏观主裂纹并继续扩展，采区直接顶板彻底冒落，直接顶板中部断裂现象明显，上覆软岩形成新的直接顶板，裂纹与垂直主应力的夹角越来越小，即裂纹进一步向最大主应力方向扩展。原生裂隙进一步发育，扩展且相互贯通，形成新的宏观次生裂纹，临近顶板岩层，有弯曲下沉的趋势，且在中部发育一定数量的微裂纹，采动影响范围扩大，老顶可观测到微裂隙。从三维激光扫描数据看，第二步开挖后冒落带继续向上扩展，在第一步冒落的基础上，又有直接顶板冒落。

第三步开挖：初步形成压力拱。由两翼尖端产生斜向上的宏观主裂纹与顶板软弱岩层形成的裂纹相交，初步形成压力拱。顶板上部中段形成大量裂纹，裂纹发育区域较前两次开挖影响范围加大。由于各层的岩性不相同，所受应力也不同，各层均向下有一定的位移，但各层位移量有差别，进而产生了离层现象。由于靠近采区的岩体卸压较充分，所以中间位移量较大，向两边越来越小。老顶可以观测到宏观裂纹。从三维激光扫描仪成果图中可以清晰地看到冒落带、裂隙带及离层的分布，“三带”的影响范围随着开挖的进行而继续向上扩展（图4.7）。裂隙拱影响范围垂向扩展到120 mm，对应现场实际为48 m。

图4.7　第三步开挖后三维激光扫描点云处理位移云图

第四步开挖：直接顶的离层现象越来越明显，使得中间呈现下凹形状，而从整体分布的裂隙分布来看，出现了近似梯形的形状。冒落的顶板重新被压密，老顶产生纵横交错的裂纹，在距被保护层的底板位置产生离层（图4.8）。

图4.8　第四步开挖后三维激光扫描点云处理位移云图

第五步开挖：老顶的离层现象越发明显，各层的下移量差距越来越大，直到冒落填充到采空区。

5号测线各点布置在开挖煤层的顶板位置，由图4.9所示曲线可知煤层上方的岩层在开采的影响下，在回采工作面前方30～40 m处开始变形。其特点是水平位移较为剧烈，但垂直位移很小。当工作面推过此区域引起垂直位移剧烈增加，位于采空区中部的测点，最大位移达到10.5 mm（实际为4.2 m）。压力拱的裂隙分布梯形形状越来越明显。老顶的裂隙也不断扩展，中间部分下沉现象明显，被保护层煤层底板产生轻微弯曲。整体裂纹相互连接、贯通，将顶板岩层切割破碎，使其破断，破断岩体在垂直应力的作用下不断断裂、冒落，填充到采空区，并不断被压实。模型开挖至第六步，共开挖120 cm（实际为480 m）。从三维激光扫描仪位移云图可以得到，裂隙带在垂直方向上出现的区域最高达到350 mm（实际为140 m），到戊9-10煤层垂直距离75 mm（实际为30 m），距离较近，戊9-10煤层处于己15煤层采动影响下弯曲下沉带影响较大的区域，己15煤层的采动会对戊9-10煤层产生较大的增透作用（图4.10）。

图4.9　回采煤层顶板下沉曲线

图4.10　第六步开挖后三维激光扫描点云处理位移云图

从相似模型试验的结果看，下部煤层的开采对上部戊组煤层起到一定的卸压增透作用，对戊组煤层瓦斯抽采具有促进作用；己15煤层可作为戊9-10的超远距离保护层，可以使处于弯曲下沉带的远距离有煤与瓦斯突出危险煤层消除突出危险，能够实现煤与瓦斯两种资源安全、高产、高效共采。