一. 應(yīng)用背景

礦山開采造成的地表沉陷對(duì)人類的巨大影響越來越受到關(guān)注和廣泛的研究。相似模擬實(shí)驗(yàn)作為礦山開采室內(nèi)模型研究的主要方法之一，其傳統(tǒng)觀測(cè)方法主要是物理測(cè)量或者機(jī)械測(cè)量，存在觀測(cè)裝置或傳感器安裝繁瑣、工作量大、采樣點(diǎn)有限等缺點(diǎn)。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步及研究問題的深入，對(duì)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的簡(jiǎn)單化、高效性及全面性的要求越來越高。一種全面快速觀測(cè)方法的引入顯得尤為重要。

二. 研究目的

攝影測(cè)量和光柵測(cè)量方法相結(jié)合的三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)由于其非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，可以快速準(zhǔn)確的獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。新拓三維技術(shù)（深圳）有限公司研發(fā)的工業(yè)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)（XTDP）可進(jìn)行移動(dòng)式測(cè)量，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面工件關(guān)鍵點(diǎn)的提取以及全尺寸的檢查。廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、船舶工業(yè)、建筑業(yè)等，通過三維坐標(biāo)可以質(zhì)量檢測(cè)、變形測(cè)量、逆向工程等。

本次實(shí)驗(yàn)會(huì)將XTDP系統(tǒng)引入到相似模型的觀測(cè)中，一方面可以拓展XTDP的應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面可以為礦山開采相似模型實(shí)驗(yàn)提供便捷的測(cè)量方法。

三. 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

XTDP系統(tǒng)是工業(yè)非接觸式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，可精確的獲得離散的目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，這是一種便攜式、移動(dòng)式的三坐標(biāo)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，可用于靜態(tài)工件的質(zhì)量控制和靜態(tài)變形分析實(shí)時(shí)測(cè)量。

XTDP系統(tǒng)標(biāo)稱單點(diǎn)位移精度為0.03mm-0.1mm，可測(cè)量0.1m-10m的柔性物體，精度達(dá)到1/70000-1/150000，相當(dāng)于1米長(zhǎng)度工件的測(cè)量精度為0.01mm。對(duì)于1:200的相似材料模型，10mmde 實(shí)際觀測(cè)誤差在模型中表現(xiàn)為0.05mm，由XTDP系統(tǒng)標(biāo)稱的1m長(zhǎng)度工件測(cè)量精度為0.01mm可得出，該套系統(tǒng)滿足相似測(cè)量模型觀測(cè)時(shí)的精度要求。由此推測(cè)三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在開采沉降相似模型觀測(cè)中將有很好的應(yīng)用前景。

四. XTDP三維攝影測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

本次實(shí)驗(yàn)將會(huì)搭配一套完整的XTDP系統(tǒng)。XTDP系統(tǒng)主要由負(fù)責(zé)圖像采集的硬件系統(tǒng)和負(fù)責(zé)圖像處理分析的軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要包括一臺(tái)單反相機(jī)、閃光燈、標(biāo)定尺、編碼點(diǎn)、非編碼點(diǎn)等；軟件系統(tǒng)功能包括圖像的捆綁調(diào)整、自標(biāo)定、三維解算及后處理等。如圖所示。

五. 實(shí)驗(yàn)方案

煤礦采煤工作面相似模擬在研究礦壓和“三下”采煤巖層移動(dòng)規(guī)律等方面都得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的模型觀測(cè)通常是物理測(cè)量或機(jī)械測(cè)量，安裝繁瑣、工作量大。而XTDP系統(tǒng)克服傳統(tǒng)檢測(cè)的缺點(diǎn)，具有精度高、信息量大、方便易行的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)和以影像記錄模型破壞形態(tài)，自動(dòng)化程度高。

應(yīng)用該系統(tǒng)分別對(duì)不同煤層傾角的相似材料模型進(jìn)行觀測(cè)，本次實(shí)驗(yàn)將選取水平煤層的相似材料模型進(jìn)行分析。其中模型比例為1:200，模擬的工作面采高為4m，采深約為180m，開采長(zhǎng)度為400m。

XTDP系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多層位布點(diǎn)，盡可能多的采集模型信息，以實(shí)現(xiàn)模型測(cè)量的最大價(jià)值。如圖，對(duì)于地表、表土及各模擬地層層間等關(guān)鍵層位布設(shè)了8層標(biāo)志點(diǎn)（非編碼點(diǎn)），每層相鄰的標(biāo)志點(diǎn)間距在5cm左右，對(duì)厚度較大的巖層也布設(shè)了間隔為10cm左右的標(biāo)志點(diǎn)。在外圍框架上粘貼編碼點(diǎn)作為不動(dòng)點(diǎn)。由于標(biāo)志點(diǎn)材質(zhì)輕，不會(huì)對(duì)模型另外施壓，因此不會(huì)影響到模型自身變化。

六. 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

模型布點(diǎn)準(zhǔn)備就緒后，首先用單反相機(jī)圍繞模型進(jìn)行一組多角度的拍攝獲取被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，而后，每開采一次到達(dá)靜止后，再圍繞模型進(jìn)行拍照，作為對(duì)照組。選取模型外的不動(dòng)點(diǎn)作為多次拍攝坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的全局控制點(diǎn)，將每次觀測(cè)所得的不同坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)下，這樣就可以獲得關(guān)鍵點(diǎn)的下沉值和水平位移值，為模型分析提供數(shù)據(jù)支持。

提取解算結(jié)果中的一條水平觀測(cè)線上所有坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)比分析模型開采前后該觀測(cè)線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，可得出該層的下沉曲線及水平位移曲線，由此可看出，應(yīng)用該工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)相似材料模型，數(shù)據(jù)結(jié)果符合開采沉降規(guī)律。

七. 結(jié)論

XTDP系統(tǒng)用于相似材料模型變形的觀測(cè)與其他手段相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：它能夠快速獲取被拍攝物體的大量物理信息和幾何信息，特別適合觀測(cè)點(diǎn)眾多的目標(biāo)，它是一種非接觸式的測(cè)量手段，對(duì)模型本身不會(huì)產(chǎn)生附加影響。而且數(shù)碼相片是一種直觀可靠的資料，可在任何時(shí)候進(jìn)行核驗(yàn)，并記錄下測(cè)量瞬間任何點(diǎn)的移動(dòng)情況，可為動(dòng)態(tài)目標(biāo)提供運(yùn)動(dòng)軌跡。