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三维激光扫描监测相似材料模型含水率研究
2019-11-04
相似材料模拟是研究岩层移动与破坏的主要手段,相似材料模型的含水率与模型强度密切相关。高 效监测相似材料模型含水率变化是相似材料模拟试验是否成功的关键。探讨了采用三维激光扫描技术进行相似 材料模型含水率监测的可行性。首先分析了激光反射强度值与相似材料含水率之间的关系,进而讨论了三维激光 扫描监测相似材料模型含水率的精度。研究表明:激光反射强度值对相似材料含水率较为敏感,两者之间为指数 关系,三维激光扫描监测相似材料模型含水率的精度可达到 0.23%,能够满足相似材料模型含水率监测的精度要 求,为相似材料模型含水率监测提供了一条新途径。
Series No. 520 October 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 520 期 2019 年第 10 期 三维激光扫描监测相似材料模型含水率研究 韩 磊1 陈伟强2 查剑锋1 仲崇武3 朱鹏程1 李思豪11 ( 1. 江苏省资源环境信息工程重点实验室,江苏 徐州 221116;2. 皖北煤电集团有限责任公司五沟煤矿,安徽 淮北 235131;3. 兖州煤业股份有限公司南屯煤矿,山东 济宁 273515) 摘 要 相似材料模拟是研究岩层移动与破坏的主要手段,相似材料模型的含水率与模型强度密切相关。高 效监测相似材料模型含水率变化是相似材料模拟试验是否成功的关键。探讨了采用三维激光扫描技术进行相似 材料模型含水率监测的可行性。首先分析了激光反射强度值与相似材料含水率之间的关系,进而讨论了三维激光 扫描监测相似材料模型含水率的精度。研究表明:激光反射强度值对相似材料含水率较为敏感,两者之间为指数 关系,三维激光扫描监测相似材料模型含水率的精度可达到 0.23%,能够满足相似材料模型含水率监测的精度要 求,为相似材料模型含水率监测提供了一条新途径。 关键词 相似材料模型 三维激光扫描 激光反射强度 含水率 中图分类号 TD325 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-10-194-04 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201910031 Study on Moisture Monitoring of Similar Model Materials by 3D Laser Scanning Han Lei Chen Weiqiang Zha Jianfeng1 Zhong Chongwu3 Zhu Pengcheng1 Li Sihao12 1 2 ( 1. Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering,Xuzhou 221116,China; 2 . Wugou Coal Mine,Wanbei Coal and Electricity Group Co.,Ltd.,Huaibei 235131,China; 3 . Nantun Coal Mine,Yanzhou Coal Mining Co.,Ltd.,Jining 273515,China) Abstract Similar material simulation is the main method to study the movement and destruction of rock formation,and the moisture of similar material model is closely related to the model strength.How to effectively monitor the moisture change of similar material model quickly and efficiently is the key to the success of similar simulation experiment.The feasibility of us⁃ ing 3D laser scanning technology was explored to monitor moisture content of similar material model.Firstly,the relationship between the laser reflection intensity value and the moisture of similar materials is analyzed,and then the accuracy of 3D laser scanning to monitor the moisture of similar materials is studied.The study results show that the laser reflection intensity is sen⁃ sitive to the moisture of similar materials,and they have an exponential relationship.The accuracy of 3D laser scanning to mon⁃ itor the moisture of similar materials can reach 0.23%,which can fully meet the precise requirements of monitoring the mois⁃ ture of similar materials model.The study results provide a new way for monitoring the moisture content of similar material model. Keywords Similar materials model,3D laser scanning,Laser reflection intensity,Moisture [ 7] 相似材料模型以其直能够观观察岩体内部移动 变化而变化 。当含水率过低时,会导致其强度随着 含水率的缓慢降低而急剧增加,致使模型中岩层的 设计强度显著偏离设计值,进而降低相似材料模拟 与变形、模拟各种连续或非连续的变形和破坏特征, [ 1-5] 成为岩层移动与破坏方面的重要研究手段 。相似 材料模型通常由沙子、石膏、石灰等制成,其中石膏、 石灰是胶结物,石膏、石灰的含量决定了模拟材料所 [8] 的准确性。李怀展等 分析了相似材料含水率与其 抗压强度、抗拉强度的关系,并进一步讨论了相似材 料水分挥发量与材料抗压强度近似呈指数关系,材 [ 6] 代表的岩层种类 。由于石膏、石灰是气硬性材料, 导致了该类复合材料的强度会随着其自身含水率的 [9] 料水分挥发量显著影响模型的模拟结果;覃双煜等 基收稿金项日目期 国201家9自-0然9-科09学基金项目(编号:41641036)。 作者简介 韩 磊(1995—),男,硕士研究生。通讯作者 查剑锋(1982—),男,副教授,博士,硕士研究生导师。 · 194 · 韩 磊等:三维激光扫描监测相似材料模型含水率研究 2019年第10期 研究了模型含水率与模型强度之间的关系,认为当 模型含水率为 2%~4%时,模型岩层强度变化趋于稳 定,此时为模型监测的有效时间段。 相似材料模型中的水分在自然环境中逐步挥发, 相应的含水率也逐渐降低,如何快速、高效监测相似 材料模型含水率,并在模型的有效时间段内开展试验 是保证相似材料模型试验成功的关键。相似材料模 型含水率监测的传统方法是用湿度计进行检测,精度 较低,仅能进行定点检测,得到的数据量少,不具备代 表性,并且对模型有一定的破坏性,无法有效监测模 型含水率的整体变化。一般来说,激光反射强度与被 期进行正射监测,获取不同含水率条件下试块表面 的反射强度值。试验过程中,三维激光扫描仪与试 块之间的距离设定为 4 m,如图 2 所示。根据文献 [14]研究结果,设计两次观测时长间隔为12 h。试验 [10] 测物体的含水率有关 ,当被测物体的含水率较高 时,其对激光能量有较强的吸收作用,从而导致反射 强度低。从这一物理现象出发,理论上讲,可以通过 探究激光反射强度与被测物体含水率之间的关系来 反演被测物体的含水率,这一思路在古建筑物含水率 采用的三维激光扫描仪型号为Rigel VZ-1000。 [11] [12] 反演 、植被含水率监测 等方面得到了一定程度的 研究;而关于三维激光扫描仪监测相似材料模型含 水率方面的研究,成果较少。三维激光扫描技术是 否能够有效监测相似模型材料含水率变化,需要解 决两个问题:①激光反射强度是否对含水率变化敏 感;②三维激光扫描监测相似材料含水率的精度是 否能够满足相似材料模型试验的精度要求。本研究 采用室内试验方法对上述问题进行分析。 为获取试块的含水率,采用物理方法测定了扫 描时刻试块的含水率。具体而言,相似材料试块含 水率测定步骤如下: ( 1)将制作完成的试块放置在预先编号的托盘 中,托盘质量为 M托盘 ,用精密电子秤(0.1 g)进行称重。 2)每次试块观测完成后,将放置在托盘中的试 ( 块进行称重并记录 Mi,n(i 为试件编号,n 为观测次 1 激光反射强度与相似材料含水率的关系 数)。将试块和托盘一同放置在干燥箱中进行烘干, 由于托盘是合金材料,故在烘干过程中其质量不会发 生变化,得出烘干后放置在托盘中的试块质量 Mi末 。 1 . 1 相似材料模型试块制作 在岩层移动与破坏研究中通常将岩层分为软岩 [ 13] 层、中硬岩层和硬岩层 。本研究选择的3种岩性配 比如表1所示。 ( 3)据下式计算试块的含水率ρ: M - M i,n i,末 ρ = × 100 % . (1) M - M i,末 托盘 1 . 3 试块含水率与激光反射强度的关系 本研究针对 3 种不同岩性试块进行三维激光扫 描,共进行了30次扫描,获取了不同含水率条件下试 块表面的反射强度;同时称取了不同扫描时刻试块 的质量,计算出了相应的含水率,两者之间的关系如 图3所示。 注:骨料为沙子;配料为石膏和碳酸钙。 根据表1中列举的配比,针对软岩、中硬岩、硬岩 分析图3可知:不同岩性的相似材料试块在反射 强度值上都显示出了相似的变化过程。随着相似材 料试块含水率的减少,激光反射强度值逐渐增大,相 似材料含水率与激光反射强度值近似呈指数关系;3 种岩性的相似材料试块在相同的含水率时有着不同 的激光反射强度值,当 3 种相似材料含水率相同时, 硬岩的反射强度值最大,中硬岩次之,软岩最小,且 当含水率为 2%~4%时,激光反射强度值差异显著。 3 种岩性各制作了 10 个长、宽、高均为 15 cm 的正方 体试块,如图 1 所示,将试块分别放入预先编号的托 盘中,方便后续称重操作。 1 . 2 相似材料试块含水率监测的三维激光扫描方法 试验在温度为 24℃、湿度为 70%的恒温恒湿室 内环境下进行。试块被放置在与三维激光扫描仪中 心相同的高度上,将被测面对准三维激光扫描仪,定 · 195 · 总第520期 金 属 矿 山 2019年第10期 含水率、物理方法测定的含水率以及相应的残差如 表3所示。 因此可以认为,激光反射强度值对于相似材料模型 试块的含水率是极为敏感的,采用该方法进行相似 材料模型含水率监测具有可行性。 采用Origin软件的拟合工具箱进行数据拟合,获 取了不同配比的试块含水率与激光反射强度值之间 的关系,如图3所示,其拟合公式为 式中,参数 a 、by、=ca取ex值p 以及函+数c ,拟合结果见表2。 ( -x b ) (2) 根据表 3 绘制了两种不同方法获取的残差分 布图(图 4)。由图 4 分析可知:采用三维激光扫描 监测获取的含水率与物理方法获取的含水率残差 值分布不具有显著的规律性,残差值的分布区间为 [ -0.44%,0.39%]。因而可以认为采用三维激光扫描 方法获取的含水率与实际含水率之间不存在系统偏 差,残差主要为偶然误差。 2 三维激光扫描监测相似模型试块的精度分 析 2 . 1 试验方案 前述试验表明,不同相似材料的含水率与激光 反射强度值具有密切关系,为进一步探究三维激光 扫描仪监测相似材料模型含水率的可行性,还需对 三维激光扫描仪监测相似材料含水率的精度进行分 析。本研究设计了一组试验,根据表 1 中的配比,针 对每种岩性各制作了 5 件试块。将三维激光扫描仪 中心与试块的距离同样设置为4 m,分别对试块进行 了正射扫描监测,获取了反射强度,进而反演出相应 的试块含水率,即三维激光扫描监测含水率;同时对 试块进行称重,然后烘干,采用式(2)计算出试块的 实际含水率,即物理方法监测含水率。根据两种不 同方法监测数据的差异性评估三维激光扫描监测相 似材料试块含水率的精度。 经过计算,采用三维激光扫描方法监测相似材 料试块含水率的中误差为0.23%。文献[9]提出的模 型含水率理想值为 2%~4%,相应的含水率变化率为 2%。本研究三维激光扫描监测相似材料模型含水率 的中误差约为该值的 1/9,因此可认为该方法的测量 精度完全能够满足相似材料模型含水率监测的精度 要求。 2 . 2 试验结果分析 试验共进行了 15 次,三维激光扫描监测获取的 3 结 语 相似材料模拟是研究岩层移动与破坏的主要手 · 196 · 韩 磊等:三维激光扫描监测相似材料模型含水率研究 2019年第10期 社,1998. 段,而相似材料模型的含水率与模型强度密切相 关。提出了采用三维激光扫描方法监测相似材料模 型含水率的方案。研究表明:三维激光扫描监测相 似材料模型含水率的精度为 0.23%,远高于模型监测 精度要求,较湿度计监测优势显著,为相似材料模型 含水率监测提供了一条新途径。 Li Hongchang.Similar Simulation Experiment of Mine Pressure[M]. 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