CN111895977A - 近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近水平煤层‑覆岩‑地表的采动‑形变‑移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法，具体包含如下步骤：在采前、采中、采后分别用移动式三维激光扫描仪对工作面地表扫描一次、三次、两次，获取用于实现下沉盆地三维可视化的点云数据；分别在上(下)山工作面边界剖面侧(a)和下(上)山工作面外围地层剖面侧(b)的顶板层、覆岩层、弯曲带、松散层各布设一条沉降观测线，采用六台移动式数码相机对煤层掘进中特定时期的a、b进行数码照相获取覆岩形变及岩层内部沉降的宏观信息；煤层顶板层、覆岩层和松散层中从a到b分别均匀布置5条应力监测线，通过应力传感转换器连接电脑，实时传输应力数据。

Description

近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模 拟立体化数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种矿山开采沉陷领域相似材料模拟试验数据采集方法，尤其涉及一种近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法。

背景技术

相似材料模拟试验的本质是根据相似原理，将矿山上煤层、覆岩、地表岩层按照一定的比例缩小，根据试验原型选择合适的相似材料制作矿山模型，在模型达到预期状态后，采出模型中煤层，观测并记录煤层开采后上覆岩层和地表岩层的运移情况，据此探究现实开采过程中工作面上方岩层的移动变形规律、岩层破坏情况以及地表移动变形规律。目前相似材料模拟试验多局限于研究煤层工作面所在地层沿走向的一个剖面，只能获取工作面所在地层的覆岩形变和工作面局部地表的沉降情况，难以全面立体化研究煤层采动后覆岩形变和地表沉降规律以及地表下沉盆地可视化。通过构建近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模型，利用移动式数码照相机采集上山(下山)工作面边界剖面侧和下山(上山)工作面外围地层剖面侧的煤层顶板层、覆岩层、松散层的下沉数据和顶板层、覆岩层、松散层的宏观形变信息，利用三维激光扫描仪采集地表的移动变形信息，利用应力传感器布设应力观测线结合应力传感转换器和电脑采集顶板层、覆岩层、松散层的应力变化信息，为实现地表下沉盆地可视化，根据应力变化曲线分析煤层顶板、覆岩层、松散层宏观形变信息对应的岩层内部力学机理提供立体化数据支撑。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法，用于采集近水平煤层真三维相似材料模拟试验中的地表移动变形信息，工作面剖面侧和工作面外围地层剖面侧的覆岩宏观形变信息、沉降信息以及覆岩内部的应力变化信息。

本发明是通过以下三种技术实现的：

技术1、三维激光扫描仪室内数据采集技术

步骤1、三维激光扫描仪的安置及坐标系建立

三维激光扫描仪配合三脚架安装三维激光扫描仪，扫描仪所在位置必须位于工作面开切眼侧倾向延伸线上，以扫描仪对中点为相对坐标系原点，建立相对坐标系统，倾向方向建立x轴，以原点垂直x轴建立y轴，将所建真三维相似材料模型上表面作为扫描区，选择扫描仪标靶。

步骤2、采前扫描

三维激光扫描仪采集煤层未开采前工作面地表的三维点位信息作为初始点云数据。

步骤3、采中扫描

分别在煤层推进到顶板垮落时、覆岩断裂时、弯曲带出现轻微弯曲时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采中点云数据。

步骤4、采后扫描

分别在煤层开采结束后的24小时和48小时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采后点云数据，并取两次独立观测的点位信息平均值作为最终的采后工作面地表点云数据。

技术2、移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息及剖面沉降信息技术

步骤Ⅰ、移动式数码照相机安置

在a、b两侧分别布置移动式数码相机的移动平台，将试验装置有效工作面走向长等分六个部分并布置垂向大头针标记，取每部分中点以垂直工作面走向朝两侧延伸至移动平台，并在平台上标记这六个拍摄位置为aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3。标记好拍摄位置后在六个标记位置安装移动式数码照相机。

步骤Ⅱ、煤层开采前照相

煤层开采前，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面全貌作为煤层采前剖面原貌宏观信息。

步骤Ⅲ、顶板垮落时照相

煤层开采一定距离后出现顶板垮落现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上顶板层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L1，此时的时间点记录为T1。

步骤Ⅳ、覆岩断裂时照相

煤层开采继续推进出现覆岩断裂破断现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L2，此时的时间点记录为T2。

步骤Ⅴ、弯曲带出现轻微弯曲且覆岩进一步破坏时照相

煤层继续推进出现弯曲带轻微弯曲且覆岩进一步破坏现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层及松散层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L3，此时的时间点记录为T3。

步骤Ⅵ、沉降信息提取

对步骤Ⅱ～Ⅴ中拍摄的八张拼接照片建立二维坐标系，以工作面剖面开切眼方向与两侧剖面交点处为坐标系原点，剖面开切眼侧边界向下建立Y轴，沿走向方向建立X轴，提取观测线(大头针标记)下沉信息。

技术3、覆岩内部应力变化信息提取技术

步骤ⅰ、应力传感片布置

分别在顶板层、覆岩层、松散层从剖面侧a到剖面侧b等距离布设5条应力观测线，每条应力观测线由独立的间距为30厘米的各应力传感片组成，每个应力传感片末端有传输线，所有传输线顺着应力观测线从工作面收作端孔中牵出。

步骤ⅱ、应变信息采集

将每层的应力传输线与各自的应力传感转换器连接，并连接至电脑，从煤层开采时开始实时记录应力变化情况，待煤层开采结束时选取T1、T2、T3对应的应力变化曲线提取应变信息。

附图说明

图1为技术流程图。

图2为技术1所涉及的三维激光扫描仪安置位置和相对坐标系统。

图3为技术2所涉及的a、b剖面侧移动式数码照相机安置位置和剖面分区。

图4为b剖面侧沉降观测线布设情况。

图5为技术3所涉及的某一层应力观测线布置情况。

具体实施方式

为了更加细致说明该发明的目的、实施方式，以下结合附图对近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法做进一步详细说明。

技术1、三维激光扫描仪室内数据采集技术

步骤1、三维激光扫描仪的安置及坐标系建立

三维激光扫描仪配合三脚架安装三维激光扫描仪，扫描仪所在位置必须位于工作面开切眼侧倾向延伸线上，以扫描仪对中点为相对坐标系原点，建立相对坐标系统，倾向方向建立x轴，以原点垂直x轴建立y轴，将所建真三维相似材料模型上表面作为扫描区，选择扫描仪标靶。扫描仪安置及坐标系统的建立如图2所示

步骤2、采前扫描

三维激光扫描仪采集煤层未开采前工作面地表的三维点位信息作为初始点云数据。

步骤3、采中扫描

分别在煤层推进到顶板垮落时、覆岩断裂时、弯曲带出现轻微弯曲时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采中点云数据。

步骤4、采后扫描

分别在煤层开采结束后的24小时和48小时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采后点云数据，并取两次独立观测的点位信息平均值作为最终的采后工作面地表点云数据。

技术2、移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息技术及剖面沉降信息

步骤Ⅰ、移动式数码照相机安置

在a、b两侧分别布置移动式数码相机的移动平台，将试验装置有效工作面走向长等分六个部分并布置垂向大头针标记，取每部分中点以垂直工作面走向朝两侧延伸至移动平台，并在平台上标记这六个拍摄位置为aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3。标记好拍摄位置后在六个标记位置安装移动式数码照相机。相机的安置与剖面分区及拍摄位置如图3所示。

步骤Ⅰ、煤层开采前照相

煤层开采前，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，进行照片拼接获得剖面全貌作为煤层采前剖面原貌宏观信息。

步骤Ⅱ、顶板垮落时照相

煤层开采一定距离后出现顶板垮落现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上顶板层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L1，此时的时间点记录为T1。

步骤Ⅲ、覆岩断裂时照相

煤层开采继续推进出现覆岩断裂破断现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L2，此时的时间点记录为T2。

步骤Ⅳ、弯曲带出现轻微弯曲且覆岩进一步破坏时照相

煤层继续推进出现弯曲带轻微弯曲且覆岩进一步破坏现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，将六台移动数码照相机拍照参数(焦距、光圈、ISO等参数)设置相同，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层及松散层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L3，此时的时间点记录为T3。

步骤Ⅴ、沉降信息提取

对步骤Ⅰ～Ⅳ中拍摄的八张照片建立二维坐标系，以工作面剖面开切眼方向与两侧剖面交点处为坐标系原点，剖面开切眼侧边界向下建立Y轴，沿走向方向建立X轴，提取观测线(大头针标记)下沉信息。沉降观测线的布设情况与坐标系统的建立如图4所示。

技术3、覆岩内部应力变化信息提取技术

步骤ⅰ、应力传感片布置

分别在顶板层、覆岩层、松散层从剖面侧a到剖面侧b等距离布设5条应力观测线，每条应力观测线由独立的间距为30cm的各应力传感片组成，每个应力传感片末端有传输线，所有传输线顺着应力观测线从工作面收作端孔中牵出。以覆岩层为例，该层的应力观测线布设情况如图5所示。

步骤ⅱ、应力信息采集

将每层的应力传输线与各自的应力传感转换器连接，并连接至电脑，从煤层开采时开始实时记录应力变化情况，待煤层开采结束时选取T1、T2、T3对应的应力变化曲线提取应变信息。

Claims (4)

1.近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法，其特征在于通过三种技术完成，包括三维激光扫描仪室内数据采集技术、移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息及剖面沉降信息技术、覆岩内部应力变化信息提取技术。

2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪室内数据采集技术，其特征包含以下几个步骤：

步骤1、三维激光扫描仪的安置及坐标系建立：

三维激光扫描仪配合三脚架安装三维激光扫描仪，扫描仪所在位置必须位于工作面开切眼侧倾向延伸线上，以扫描仪对中点为相对坐标系原点，建立相对坐标系统，倾向方向建立x轴，以原点垂直x轴建立y轴，将所建真三维相似材料模型上表面作为扫描区，选择扫描仪标靶。

步骤2、采前扫描：

三维激光扫描仪采集煤层未开采前工作面地表的三维点位信息作为初始点云数据。

步骤3、采中扫描：

分别在煤层推进到顶板垮落时、覆岩断裂时、弯曲带出现轻微弯曲时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采中点云数据。

步骤4、采后扫描：

分别在煤层开采结束后的24小时和48小时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采后点云数据，并取两次独立观测的点位信息平均值作为最终的采后工作面地表点云数据。

3.根据权利要求1所述的移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息及剖面沉降信息技术，其特征包含以下几个步骤：

步骤Ⅰ、移动式数码照相机安置：

在a、b两侧分别布置移动式数码相机的移动平台，将试验装置有效工作面走向长等分三个部分并布置垂向大头针标记，取每部分中点以垂直工作面走向朝两侧延伸至移动平台，并在平台上标记这三个拍摄位置为aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3。标记好拍摄位置后安装移动式数码照相机。

步骤Ⅱ、煤层开采前照相：

煤层开采前，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面全貌作为煤层采前剖面原貌宏观信息。

步骤Ⅲ、顶板垮落时照相：

煤层开采一定距离后出现顶板垮落现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上顶板层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L1，此时的时间点记录为T1。

步骤Ⅳ、覆岩断裂时照相：

煤层开采继续推进出现覆岩断裂破断现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L2，此时的时间点记录为T2。

步骤Ⅴ、弯曲带出现轻微弯曲且覆岩进一步破坏时照相：

煤层继续推进出现弯曲带轻微弯曲且覆岩进一步破坏现象时，将移动式数码照相机分别安置在aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3位置，同时拍摄剖面六个部分aⅠ、aⅡ、aⅢ、bⅠ、bⅡ、bⅢ照片，进行照片拼接获得剖面上覆岩层及松散层的宏观形变信息，并记录此时的煤层开采推进距离为L3，此时的时间点记录为T3。

步骤Ⅵ、沉降信息提取：

对步骤Ⅱ～Ⅴ中拍摄的八张拼接照片建立二维坐标系，以工作面剖面开切眼方向与两侧剖面交点处为坐标系原点，剖面开切眼侧边界向下建立Y轴，沿走向方向建立X轴，提取观测线(大头针标记)下沉信息。

4.根据权利要求1所述的覆岩内部应力变化信息提取技术，其特征包含以下几个步骤：

步骤ⅰ、应力传感片布置：

分别在顶板层、覆岩层、松散层从剖面侧a到剖面侧b等距离布设5条应力观测线，每条应力观测线由独立的间距为30厘米的各应力传感片组成，每个应力传感片末端有传输线，所有传输线顺着应力观测线从工作面收作端孔中牵出。

步骤ⅱ、应变信息采集：

将每层的应力传输线与各自的应力传感转换器连接，并连接至电脑，从煤层开采时开始实时记录应力变化情况，待煤层开采结束时选取T1、T2、T3对应的应力变化曲线提取应变信息。

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