煤矿巷道三维激光扫描关键技术及工程实践

智能化、无人化开采是煤炭行业发展的必然趋势,精准地质信息探测是当前智慧煤矿建设中的重点研发方向之一,其中巷道信息的精准探测和巷道三维模型的快速获取是地质透明化的重要数据来源。对比分析传统巷道建模方法及其优缺点,提出利用三维激光扫描重建技术构建高精度透明工作面巷道模型的技术思路。在分析煤矿井下工况环境长距离三维激光扫描面临的技术难题的基础上,研究三维激光扫描原理和空间点坐标计算方法,并提出透明工作面巷道三维激光扫描重建技术流程,其关键技术包括:三维激光扫描系统动态标定和坐标转换方法;点云预处理技术中基于统计滤波法的大尺度噪声滤波方法和基于移动最小二乘的小尺度噪声滤波算法;点云关键点提取与特征描述技术中SIFT特征检测算法和FPFH特征描述算法;点云配准技术中基于FPFH特征描述算法的粗配准技术和基于迭代最近点算法的精配准技术。以准格尔煤田唐家会煤矿某工作面为研究对象,利用自主研发的移动式三维激光扫描系统从三维激光扫描施工流程、巷道点云数据采集、边界轮廓线提取、巷道与工作面联合建模等方面进行实践应用。结果表明,提出的基于三维激光扫描技术的工作面巷道三维重建思路在技术上是可行的,能为复杂巷道的快速三维扫描、重建提供一条可行的技术路径。      

三维激光扫描技术及其在岩土工程中的应用

地面三维激光扫描技术是一项较新的数据收集与分析技术,它可以快速扫描目标,获得高密度,高精度的目标空间坐标,配合后处理软件,进行各种测绘、分析、仿真工作。介绍了三维激光扫描技术的原理,对目前的主要激光扫描硬件进行了比较,最后介绍了三维激光扫描技术在岩土工程应用的主要两个方面：边坡变形监测与岩石裂隙面勘察。相比常规监测和地质调查技术,三维激光扫描技术具有高精度、速度快、节省人工的优势,具有较大的应用潜力。     

基于综合改进ICP算法的三维激光扫描技术在露天矿边坡测绘中的应用

以先后发生过两次大规模滑坡的中煤平朔公司东露天矿边坡为研究背景,利用三维激光扫描技术测绘速度快、测量精度高、数据量大的特点,对该露天矿边坡进行三维激光扫描,尤其是对发生过滑坡的两个重点区域进行精细扫描。基于综合改进ICP算法,将扫描得到的多站点云数据进行拼接处理,完成了长约2 km的露天矿边坡三维模型重建。研究结果表明,三维激光扫描结果符合工程实际特征,是一种快速建立矿山边坡数字模型的有效手段。      

一种基于数字岩心技术的岩石等效电参数计算方法

研究储层岩石的等效电学参数有助于判断地下油气储藏分布和鉴别油水层,以数字化方法开展精确岩石模型的等效电学参数计算及评价工作对岩石物理理论、实验方法发展及电测井应用等都具有重要的意义。数字岩心技术作为一种新兴的岩心分析方法,已逐渐成为研究岩石等效电学参数的有效方法之一。笔者基于数字岩心及电磁仿真技术,系统性地开展了样本图像数据处理、三维岩石数值模型转化及其等效电学参数计算等工作,对砂岩、页岩等4种岩石样本进行计算和分析,这一套针对扫描岩心图像的数据处理、数值模型转换以及电磁参数计算方法可应用于高效、精确分析不同类型数字岩心的介电常数、电导率等电磁学特性,可为岩石物理、测井解释、储层评价等领域提供重要的参考依据。     

基于CT扫描的三维数字岩心孔隙结构表征方法及应用——以莫北油田116井区三工河组为例

为真实、精确、直观地表征储集层岩石的孔隙结构特征,对不同岩性的岩心样品进行CT扫描成像并构建三维数字岩心,应用最大球算法提取数字岩心的孔隙网络模型,最终实现岩心孔隙结构特征的三维显示和定量表征。该方法在莫北油田116井区三工河组储层应用取得良好效果,研究表明:该区储层孔隙类型以粒间孔、溶蚀孔和少量晶间孔为主,平均孔隙半径33.11μm,平均喉道半径1.47μm,喉道细小是造成研究区储层渗透率低的主要原因;与核磁共振Coates模型渗透率计算结果相比,数字岩心技术对于渗透率的计算更加精确;数字岩心孔隙结构表征结果与常规压汞资料对比,一致性较好,该技术还可定量识别孔隙和喉道,并具有形象直观、样品无损等特点,对于岩石孔隙结构的表征具有更大的优势。     

基于CT扫描试验的珊瑚骨架灰岩孔隙结构特征研究

为了探究分布于某岛礁珊瑚骨架灰岩的微观孔隙结构特征及其定性定量分析,选取6块有代表性的珊瑚骨架灰岩岩样,开展CT扫描试验,建立珊瑚骨架灰岩三维立体数字模型,获得三维数据体并开展孔隙结构特征的研究。结果表明:6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%,孔隙发育程度较小;岩样逐层面孔隙率有较大程度波动,面孔隙率较小,但其标准差却较大,体现了岩样较强的非均质性;对岩样三维模型中所提取的孔隙进行标记筛分,同时对孔隙体积与数量进行概率统计,结果表明珊瑚骨架灰岩中大孔隙数量虽少,但体积占比很大,存在极个别超大孔隙;通过球棒模型分析可知,配位数主要分布区间为0~2,说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差,主要以独立孔隙和单连通孔隙为主,孔隙在x/y/z方向均无连通性,不存在潜在的流体运移通道。     

基于点云数据对齐技术的岩体结构面三维吻合度求取

为了更好地描述岩体结构面的吻合程度,引入点云数据对齐技术,计算获得岩体结构面三维吻合度参数(JMC3D)。采用三维激光扫描技术,获取岩体结构面上下盘点云数据,基于迭代最近算法(ICP),将结构面参考面和测试面点云数据统一到全局坐标系中并实现对齐,计算对齐后的测试面与参考面之间的Z坐标高差;然后,将高差位于对齐误差区间的点云数据作为吻合部分予以定量化,计算岩体结构面上下盘吻合面积百分比,从而获取三维吻合度参数。最后,根据JRC-JMC模型公式求取岩体结构面剪切强度,与室内岩体结构面直剪试验结果对比分析进行方法验证。4组试验对比结果误差分别为7.38%、3.21%、9.03%、10.02%,表明基于点云数据对齐技术求取的岩体结构面三维吻合度具有一定可行性和实用性,同时也进一步印证岩体结构面三维吻合度与剪切强度之间的相互联系。     

基于3DMine的断面法与距离幂次反比法对比

以坦桑尼亚纳钦圭阿大型晶质石墨矿南部矿体为研究对象,基于3DMine软件平台,通过垂直断面法、距离幂次反比法进行资源量估算,对比研究2种资源量估算方法在矿体的体积、品位、资源量方面的区别。结果表明：2种估算方法体积相对误差为6.30%,品位相对误差为1.45%,资源量结果相对误差为7.83%,资源量验算结果在误差范围之内;3DMine中的断面法计算过程自动、准确、高效,利用三维模型体积替代传统公式计算体积,计算结果更加精准;采用距离幂次反比法时,运用三维模型计算矿体体积,用全局验证和交叉验证对搜索椭球体参数的合理性进行验证,最终选择最优搜索椭球体参数,是进行资源量准确估算的关键。综上所述,用距离幂次反比法估算的资源量结果更加准确,计算过程高效、便捷,并可为后期矿山数字化建设提供基础,是今后矿山发展的趋势。     

基于X-Ray CT试验的塌陷区回填体孔隙结构研究

为了研究地表塌陷区回填体破坏过程中的孔隙结构演化规律,利用医用X-Ray CT及小型加载装置开展了废石/尾砂混合回填体实时单轴压缩扫描试验,重构了不同应力状态下回填体的多组分结构模型。试验结果表明:随应力值增大,回填体孔隙率增加,应力超过峰值应力80%后,孔隙率陡增,孔隙主要以X型共轭面分布;回填体孔隙率随含石量增加而增大;回填体细观结构演化过程可划分孔洞持续压密、孔洞先压密后扩容、孔洞持续扩容、相邻微裂隙的贯通、不均质区的孔隙扩展6种模式;回填体在峰值应力80%以前,CT数、孔隙率变化幅度小,回填体中并未出现显著的贯穿性裂缝,主要以原生孔隙的压缩与扩容、次生孔隙的萌生与扩展两种状态为主;应力超过峰值应力80%后,CT数急剧降低,孔隙率陡增,回填体中的原生、次生孔隙结构逐渐贯通,形成贯穿性裂缝,回填体破坏。     

气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与单轴压缩力学行为研究

为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明：计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。     

三维激光扫描技术在施工地质编录中的应用

三维激光扫描技术在地质编录中的应用,改变了传统的“皮尺＋罗盘”的地质编录模式,使地质编录同时具有高效率、高精度和高效益的独特优势。论文对三维激光扫描技术做了简要的介绍,应用该技术与工程实践相结合,论述了三维激光扫描技术在地质编录过程中对扫描信息的解译过程与方法,对编录区域做出了岩体质量评价,证明了三维激光扫描技术的在地质编录中的实用性和有效性,充分展示了该项技术在地质应用中的光明前景。     

成像测井岩心空间归位方法及效果分析

钻井取心是研究地下地质情况的直接资料,但钻井时为节省成本,通常采用非定向取心技术,无法确定准确的岩心深度和方位信息,为了充分利用岩心资料进行科学研究,需要用测井资料对其进行深度归位和方位定向。通过阐述成像测井地质构造识别原理,结合岩心空间归位方法和评定标准,利用成像-岩心扫描图像综合处理软件,比对岩心与成像测井资料,完成了GW-1、GW-2及XL2井1 093块岩心图像的空间归位工作,列出了部分井段的归位实例,并将每块岩心按AA、AB、AC、BB、BC和CC 6个等级进行空间归位质量分级,对空间归位的整体效果进行分析。结果表明,岩心深度误差随井深的增加逐渐增大;空间归位质量为AA级、AB级的岩心占总数63.2%,总体质量较高,为进一步地质构造分析奠定了基础。     

三维激光扫描技术获取高精度DTM的应用研究

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命,它突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据,因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。本文将以一工程边坡为例讨论利用三维激光扫描技术快速获取数字地形模型的方法,着重论述三维点云数据的获取、拼接、坐标校正、去噪及数字高程模型的生成方法,由此得出在一定空间范围内利用三维激光扫描技术快速获取高精度高分辨率的数字地形模型具有可行性。     

基于点云数据的围岩力学参数反演方法研究

依托南昌地铁1号线盾构工程,探讨基于三维扫描检测技术的围岩力学参数反演方法应用在隧道施工过程中的可行性。具体流程如下:三维扫描获取测点的点云数据并分析计算出管片的位移场,选取周边收敛作为反演的目标值;建立有限元模型,选取敏感性参数弹性模量、内摩擦角、黏聚力建立多个工况并进行反演计算。结果表明:基于三维扫描技术的监测方式较传统监测方式更高效且精确;同时,当围岩弹性模量取值8GPa、黏聚力为700kPa、内摩擦角为28°时,隧道周边收敛值与检测值最为吻合。反演得到的围岩参数值较勘察设计参数值偏低,因此将围岩参数反演方法应用在隧道施工过程参数动态调整中,可以降低隧道施工成本。     

三维激光扫描技术在建设用地复垦监管中的应用

三维激光扫描技术是基于高密度点云数据直接生成正射影像的一种技术,它广泛应用于复杂矿山开采储量计算、不规则图形面积计算、古建筑复制及考古工作,能对各种复杂的地形、地物进行面积和体积的量算,同时提供可套合的全景影像图片,从而达到图像、数据和实际地形地貌状态的高度一致。     

基于变渗透系数的地下水开采-地面沉降三维模拟研究

在地面沉降过程中伴随着土体孔隙率和渗透系数的变化,但在模拟计算中为了降低计算量而忽略其变化,因而在一定程度上造成模拟结果与实际偏离。为了研究地面沉降数值模拟过程中孔隙率和渗透系数变化对模拟结果的具体影响,在Biot固结理论的基础上,耦合了Kozeny-Carman方程,建立了考虑固结过程中渗透系数变化的三维固结模型。以北京平原区的典型含水层结构为模拟对象,分别在考虑和忽略渗透系数变化的情况下进行抽水模拟,发现在考虑渗透系数变化的情况下,抽水后地层的渗透率体现了不均匀变化,在抽水井井壁附近渗透系数有所降低;考虑渗透系数变化下的地表最终形变量大于忽略渗透系数变化的情况;忽略渗透系数变化导致的模拟误差在沉降初期较小且具有继续发展的趋势,中后期较大并逐渐趋于平稳,且这一误差与抽水量正相关,与承压含水层压缩模量和渗透系数负相关,且随着承压含水层厚度的增加呈现先增大后减小的趋势。     

天然水驱油藏水淹层微观变化特征:以文昌油田珠江组为例

以文昌油田不同开发时期密闭取心井的岩心为例,依据物性、薄片分析、压汞测试等分析化验方法,研究了其珠江组天然水驱油藏不同开发阶段的储层微观变化特征及机理。研究结果表明,储层孔隙度在水淹过程中变化不大,而渗透率在水淹前期以减小为主,水淹中后期以增大为主;水淹后储层泥质含量增加,喉道平均值和微喉道体积都是先减小后增大,退汞效率在前期水淹平均降低30%,水淹中后期约降低8%。储层特征发生变化的主要机理是:储层内颗粒和填隙物在水侵作用下发生溶蚀、破碎和迁移,导致储层非均质性增强,到水淹中后期阶段黏土矿物类型发生明显的变化,部分地层微粒被生产带走,储层内可流动喉道的体积分数增多,导致渗透率变大。因此认为泥质含量、细孔喉堵塞环境及可流通喉道体积的发育程度是影响水淹后储层参数变化的主要因素。     

大型崩滑灾害变形三维激光扫描监测技术研究

三维激光扫描技术突破了传统单点测量方法采样点有限、覆盖范围小的不足,实现了对观测对象面的测量。受制于扫描速率和扫测距离的限制,该技术目前在地质灾害领域应用有限,因此也成为热点研究课题。本文针对高陡危岩、大型滑坡等复杂地质环境下地质灾害的三维激光扫描技术,系统探讨了地形构建、DEM建模和几何量测等快速调查方法,并提出了点、线、面相结合的灾害地质体形变监测方法;结合应用案例系统比较和分析了三维激光扫描技术在滑坡、崩塌调查监测中的技术优势和局限性,展望了该项技术在地质灾害领域的应用与发展趋势。     

不同岩相泥页岩数字岩心构建方法研究——以东营凹陷为例

针对泥页岩储层低孔特低渗、结构致密、非均质性强的特点,多采用三维数字岩心来直观显示各组分空间分布和表征微观结构。物理数字岩心虽更真实准确,但往往局限于特定岩石样品物性特征,因此需构建具有一定普适性、受多参数约束的、代表某一类岩性或岩相的简约数字岩心。同时,目前的图像分割方法难以对综合多样品特征、代表某类岩相样品进行组分划分。提出一种基于图像像素点累计分布函数,结合各组分百分含量及灰度序列进行阈值分割的方法,并基于X射线CT扫描成像,综合运用扫描电镜成像及能谱分析等手段,结合东营凹陷不同岩相泥页岩矿物组分及孔隙度特征,构建不同岩相(包括富长英质、长英质、富钙质、钙质和富泥质)泥页岩数字岩心。结果显示,东营凹陷泥页岩储层组分按灰度值由小到大依次为孔裂隙、有机质、黏土矿物、长英质矿物、钙质矿物、铁质矿物;基于不同岩相各组分体积百分含量及灰度分布序列,以CT灰度图像像素点累计分布函数表征不同岩相各组分体积百分含量分布函数,可依次划分各组分阈值,该方法可以实现其他分割方法难以完成的针对某一岩相进行阈值划分;采用先构建单组分数字岩心再嵌套组合的方法可构建具有一定普适性、受矿物组分和孔隙度等参数约束的泥页岩数字岩心。     

基于微米焦点CT技术的煤岩数字岩石物理分析方法——以沁水盆地伯方3号煤为例

数字岩石物理技术既可实现煤体孔隙的三维空间表征及重构,又可模拟孔裂隙系统中流体的流动和绝对渗透率的计算。以伯方矿3号煤层为研究对象,基于微米焦点CT扫描与图像处理技术相结合,建立了真实的三维数字岩心模型;应用MATLAB编程及AVIZO软件内含的多种形态学算法,进行了数字岩心孔隙结构量化和表征,建立了等价孔隙网络模型;将AVIZO与COMSOL完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟、绝对渗透率计算,并探讨了流体运移过程中的压力场及速度场的分布。研究方法丰富了现有数字岩石物理研究手段,为微观尺度上的煤体孔隙结构及流体运移研究提供了一种新的途径。