用相似材料实验的方法模拟矿山煤层开采引起的地表移动和变形情况，用三维激光扫描仪来观测与分析地表移动和变形。通过三维激光扫描仪对模拟试验的观测可以得出很好的变形监测数据，实现了对相似材料试验变形数据的快速、非接触、大面积和高精度的观测，对提高实验变形观测效益、精度和数据处理的整体效果具有重大的促进作用。
0 引言
随着国家对资源和人民财产的重视，对矿山开采沉降区和边坡观测显得日益重要。本文正是用相似材料来模拟矿山煤层及其周围的真实实体，用三维激光扫描仪对模拟岩体进行监测与分析实验。通过模拟试验得出了很好的变形监测分析预报结果，体现了三维激光扫描仪在相似材料试验中的应用。
1 三维激光扫描仪
实验中采用的三维激光扫描系统是由Cyrax2500激光扫描仪和Cyclone软件组成。考虑到实验数据获取的需要，测量中控制精度指标如下：水平方向为0.5mm，垂直方向为10mm，在1.5m~5m范围，测距精度为±1mm，角度为±0.5″，形成模型表面控制点的精度为±2mm，垂直方向和水平方向最大40°角。
三维激光扫描系统的工作流程为：测站设计、扫描、控制标靶中心的获取、坐标配准和三维建模。
2 相似材料模拟实验
2.1 相似材料实验原理
相似材料实验是一种以相似理论为基础，通过用一定的相似材料构造物理参数与实际开采条件相似的模型来研究实际工程问题。采用相似材料模型法模拟地下煤层的开采引起的覆岩与地表移动、变形和破坏规律的实质是采用原型的物理力学性质相似的人工材料，按几何相似常数、运动相似常数、动力相似常数及相似指标与相似判据，将原型缩制成一定比例的模型。在保证原形与模型的初始状态和边界条件相似的情况下，对模型进行模拟开采，观测模型在模拟开采过程中的覆岩的断裂破坏、弯曲和移动与变形规律，地表的移动与变形规律及其影响范围，然后按照相似指标将模型得到的观测结果推算到原型上去，确定原型的破坏、移动和变形的规律。
本次实验某矿区某工作面为相似材料模拟基本原型，由于实验的需要在设计模型时作了必要的简化，以便和理论模型近似。该工作面从地表至800m采深，煤层开采厚度为10m～30m，可采煤层为2层，煤层间距120m。相似材料模拟实验为急倾斜煤层开采。由实际开采工作面地质采矿条件进行必要的简化，采用类比法确定煤岩的物理力学参数。本次实验选用的比例尺为比例尺1:1000。
2.2 模型设计
模型设计长2m，宽0.2m，高1.2m。模拟的急倾斜煤层平均倾角为60?，煤层厚度10 m，两层煤间距100 m，开采上限采深300 m，下限采深800 m，分多阶段开采，阶段采高不等。
2.3 测量点的布置
根据急倾斜煤层开采岩层移动与变形的特点和实验目的的需要，本实验采用三维激光扫描仪进行观测，从模型的前后两个面各自独立进行观测。其中主要是针对地表移动和顶、底板的变形进行监测，地表观测线1条，共计13个测点，测点间距10~16cm。顶、底板观测线各1条，顶板共计测点7个，测点间距12~17cm。底板共计测点5个，测点间距10~20cm，测点布设如图3.2所示。三维激光扫描仪观测法是利用cyrax2500三维激光扫描仪对模型进行全面监测，共布设13条观测线，其中水平观测线6条，顶板观测线各6条，底板观测线1条。测点共256个。观测三次。
第一次观测是在煤层开采前，以获取模型在没有采动情况下的原始空间位置数据，为以后的变形数据进行比较。第二次实施对模型全面的观测在1＃煤层由-200m水平开采至-1100m水平变形稳定后。第三次全面的观测在2煤层由-200m水平开采至-1100m水平模型变形稳定后，共进行了三次对模型的全面观测，获取了相应的数据。
同时在观测前，在模型的周围还布置了4个固定的控制点t1、t2、t3、t4，主要通过水平观测线来观测在不同的岩层平面内地层的下沉变化情况，这些不同岩层在水平面的下沉情况反映了岩层下沉移动向地表传递的过程，这6条水平观测线分别为Sw1～Sw6。而倾斜观测线是沿岩层的层面布置的，其中在顶板内共布置了6条观测线，观测顶板在法向方向位移的变化，同时在底板中也布置了一条观测线，观测顶、底板受采动的影响。
3 实验观测数据处理
通过Cyclone软件首先对三次扫描的点的模型数据建立一个统一的局部坐标系，并利用固定的控制标靶中心t1、t2、t3、t4作为建立局部坐标的依据。
通过三次观测数据的对比可以得到模型受采动影响下观测点的下沉和水平移动情况。在特征点的提取过程中，分别将对应的特征点进行标识，以便可以对变形前后的变化情况进行对比。特征点用sw4－、sw6－和sw7－加点号表示。从上至下布置的水平观测线上的观测点号依次为1－19，30－52，70－97，123－149，172－197和220－245。而模型倾斜方向布设的观测线主要是在开采煤层的附近，方向和煤层近似平行，其中煤层顶板中布设了4条观测线，1＃煤层和2＃之间共布设1条观测线，在底板中布设了2条观测线，各倾斜观测线间距不等。
（1）水平观测线上观测点下沉分布特点
图1是模型中各水平观测线各水平观测点的下沉曲线图。从距地面最近的观测线sw－1来看，主要的下沉主要集中在11点和15点之间，而在第二次冒落前地表下沉值较小。观测线sw－2的主要下沉点集中在观测点39和45点之间，下沉值呈现较均匀的对称分布。Sw－4观测线的下沉主要集中在137到142点之间。观测点的下沉呈现上山下沉值比下山方向要大。而sw－5和sw－6的观测点下沉值变化大，而且各观测线的下沉几乎沿采空区的岩层变化，对覆岩内的下沉则向下山方向扩展。
（2）各倾斜观测线上观测点下沉的特点见图2～图5，表示采场顶板上布置观测点的下沉情况。图中可以看出距采场越近，则下沉值越大，而距采场较远的下沉值较小。在倾斜线1的最大下沉值分布为-0.03m和-0.06m，第4条倾斜观测线上的最大值为-0.06m到-0.12m。
