基于多线激光雷达的井下斜坡道无人矿卡定位与建图方法

井下斜坡道的定位与建图是实现井下斜坡道无人驾驶的关键技术之一,矿山井下斜坡道区域为典型非结构化环境特征,且道路具有一定倾斜角度,采用传统SLAM算法无法获得精确里程计信息,导致定位与建图精度难以满足无人矿卡行驶需求。针对上述问题,通过研究激光SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法LeGO-LOAM,笔者提出一种适用于矿山井下斜坡道环境的定位与建图方法。首先,针对井下斜坡道口两侧均为光滑水泥墙壁,特征点稀少问题,设计了基于人工路标的辅助增强定位方法,有效增加点云特征数量,从而优化位姿估计结果,避免建图漂移现象;然后在特征预处理阶段,提出了一种基于激光点云高度差与坡度信息融合的提取地面点高效算法,通过改善地面地点的选取策略,针对倾斜坑洼路面仍能有效识别地面点,解决了井下斜坡道定位与建图倾斜角度大、误差大等问题;其次,基于CVC(Curved-Voxel Clustering)聚类算法设计了一种斜坡道点云曲率体素聚类算法,采用曲率体素和基于哈希的数据结构对点云进行分割,大幅提高在井下稀疏、噪声环境下点云聚类的鲁棒性;最后,运用Scan-To-Map进行点云匹配,同时兼顾点云配准的性能与速度。在中钢集团山东某井下斜坡道的现场实验证明:与原算法相比精度提升13.15%,Z轴误差降低22.3%,地图质量明显提升,能有效解决井下无人驾驶建图及定位的难题。

道路地下空洞探地雷达波场和时频特性

根据城市道路地下介质的分布特征和电性参数设计模型,采用时域有限差分法和广义S变换,对道路地下存在的充气空洞、充水空洞、回填不密实、埋藏金属物状态进行探地雷达正演模拟和时频特征提取。结果表明,地下空洞顶界面的反射波同相轴均呈弧形反射形态,但充气空洞的反射波能量强于充水空洞;地下空洞发育区域的中心频率集中在某个低频区间,其余频率成分分布较均匀;埋藏金属物区域出现两簇高幅值能量团,频率分布较分散;回填不密实区域频率未能显示出较明显的规律。最后,通过工程实测验证了数值模拟的可靠性。

改进YOLOv5的探地雷达常见地下管线识别

针对当前探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)图像识别准确率低,且小目标识别困难等问题,本文将YOLOv5(You Only Look Once)和ConvNeXt网络相结合,提出一种适用于GPR图像的常见地下管线识别网络ConvNeXt-YOLOv5,显著提高了雷达图像中小目标的识别精度.同时,为了解决因地下管线原始信息不足而导致的模型训练精度低的问题,使用实测GPR图像、时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)与混类增强算法Mixup模拟图像构建数据集.然后,在此数据集上验证了本文所提方法对常见地下管线的识别效果,并用识别后的二维GPR B-scan图像还原出地下管线的三维图像.实验结果表明,对镀锌输水钢管、PVC管、电缆线和含水塑料瓶等常见地下管线进行识别时,ConvNeXt-YOLOv5表现出优良的识别性能.尤其是对PVC管的识别精度提升明显.与YOLOv4、YOLOv5、YOLOv7和Faster R-CNN模型相比,其平均精度均值分别提高了3.83%、2.82%、1.9%和3.72%.同时,三维探地雷达图像更直观的还原了地下管线信息.

城市地下空间盾构隧道穿越工程研究综述

对盾构隧道穿越既有地铁线、各类建筑物桩基、地下管线等穿越工程研究动态进行归纳总结,讨论有待解决的主要问题及未来重点研究方向。首先,深入探讨盾构隧道穿越工程在复杂城市地下环境中面临的地质条件多样性、地下结构物复杂性及施工过程中可能引起的地层变形和结构损伤等问题。其次,阐述关于盾构隧道穿越复杂地下环境的研究成果,总结不同研究方法和监测手段在解决盾构隧道施工引起地下结构变形和安全问题中的应用情况,并讨论其优缺点。最后,归纳盾构隧道穿越工程引起结构变形问题的控制难点,从盾构隧道掘进参数和注浆控制、既有建筑物加固措施、监控量测等方面提出控制结构变形的可行方案。

深部地下空间储能安全与应急保障技术现状与发展趋势

伴随“三深引领”的科技攻关目标,我国油气资源勘探正由浅表地层向深部地层进发,千米级深部地下工程建设已成常态。随着深地工程的探索,枯竭油气藏、盐穴、采空区等可利用的深部地下空间涌现,深部地下空间在大规模能源储存利用上已被证明具有储量大、分布广、安全性高、经济成本低和环境友好等优势,深部地下空间工业化储能应用是优化我国能源储存结构、保障国家能源储存战略需求的有力手段。然而,我国对深部地下空间储能安全与应急保障技术研究起步较晚,目前常用的地面油气储存手段受限于地理环境、工程建设以及运输方式等条件,同时地面油气储备库事故存在致因因素复杂、关联性强、受灾波及范围广等安全难题,深部地下空间能源安全储存迫在眉睫。当下我国对深部地下空间储能的利用聚焦于枯竭油气藏的再开发,现有的深地安全保障技术落后于深地储能基础设施安全保障的现实需求。因此,本文系统性总结了深地储气、储氢、碳封存以及压缩空气蓄能等深地储能技术研究现状,以能源行业绿色转型兼备战略能源安全储存为目标,强调能源储存、碳封存以及资源深度开采的三位一体,提出了深地空间储能利用双碳循环架构。同时系统性辨识了深地储能设备设施面临的风险,涵盖深地储能设计期、施工期、运行期和废弃期的全生命周期,揭示我国深地储能安全与应急保障技术发展需求、发展难点,构建了深地储能全生命周期安全与应急保障技术框架,提出我国2024—2050年期间深部地下空间储能安全与应急保障技术发展建议,为完善我国深部地下空间储能安全与应急保障技术体系提供参考。

地下结构抗震设计反应位移法的研究综述

近年来,反应位移法在地下结构抗震分析中的应用渐趋广泛。简要介绍了反应位移法的基本原理和应用现状,从地层变形、地基弹簧和结构模型等关键因素的角度详细总结了反应位移法的发展过程和最新研究进展,厘清了方法的完善思路,指出地层-结构相互作用是影响计算精度的重要误差来源。此外,在上述基础上论述了当前反应位移法应用过程中存在的突出问题,提出了反应位移法在进一步拓展应用场景、提升结果代表性过程中需要深入研究的关键问题。

地质雷达法在城市道路塌陷病害探测中的应用

从地质雷达原理出发,分析地下病害体的地球物理特征及其反映在地质雷达信号中的波组特征,同时总结城市道路常见电磁干扰物及其在地质雷达信号中的特征。结果显示:地质雷达解译中,正确识别有用信号、排除干扰信号,对提高地质雷达解译的准确性至关重要;结合工程实践,地质雷达法可在城市道路塌陷病害探测中取得较好效果。

煤矿区固废矿化固定封存CO_(2)与减污降碳协同处置利用的研究进展

“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体,已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念,探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径,创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO_(2)捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术,是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明:煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展,为矿区固废固定封存CO_(2)研究提供了基础和启示,但矿区固废固定封存CO_(2)的工程化技术研究亟待加强;矿区固废矿化固定与封存CO_(2)潜力大、具有工程可行性,正在形成矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填新的技术体系;矿区固废与CO_(2)基气-液-固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO_(2)密闭封存、采空区充填固定封存CO_(2)潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO_(2)环境与安全性评价等将构成固废处置-煤基CCUS-采空区充填技术体系的核心内涵;矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工-矿区固废处置-高效矿化固碳与CO_(2)封存-地下空间充填与利用-矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键,矿区固废+CO_(2)基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

给排水管线渗漏对地铁盾构施工影响的模拟分析

针对排水管线渗漏会导致地表沉降,从而影响地铁施工的问题。建立给排水管线渗漏模型,计算管线渗漏的二维渗流场,获取有限元离散化单元渗流方程。建立地铁盾构施工下土体力学模型,得到应力场控制方程,计算地铁盾构施工过程中土体荷载,仿真分析给排水管线渗漏时对地铁盾构施工的影响。仿真结果表明,在管线未渗漏条件下,地铁盾构施工会产生地表沉降;在地铁盾构施工过程中,地表沉降受到管线渗漏范围和地表位置等影响,距渗漏中心点越近,渗漏范围越大,地表沉降值越大;地铁盾构施工结束后,给排水管线发生渗漏时,地表的沉降值会呈现出先增加后趋于不变的趋势。

集成多维度注意力的地下病害图像分类网络

探地雷达技术(ground penetrating radar,GPR)是一种利用高频超宽带信号探测地下目标和介质分布的勘探技术。具有无损、高效、高分辨率等优点,被广泛运用于城市道路的地下病害探测任务。GPR的B-scan图像反映地下结构的回波信息,是判定地下病害的主要依据;但相对于自然图像,除噪声较大外,其中同物异谱、异物同谱情况也十分普遍,导致人工解译困难。针对目前基于B-scan数据的地下病害自动分类方法精度较低,基于ResNeXt50结合多维度注意力机制和空洞空间金字塔池化,提出了MA-ResNeXt网络以实现地下病害的自动分类。模型训练、测试数据使用空洞(void)、脱空(cavity underneath pavement,CUP)和疏松(loosely infilled void,LIV)三种常见道路地下病害的真实探地雷达数据,分类准确率到达98.2%,实现了道路地下病害的自动识别。

竖进平出型地埋管群换热器结构与控制优化

【目的】为提高浅层地热能利用效率,亟须对影响地源热泵系统性能的地埋管换热器结构和控制开展优化设计。【方法】建立了一种竖进平出型地埋管群换热器模型,研究其换热系统性能,探究其最佳结构及运行方式。【结果】管群布置横纵比越低,单位面积换热量越大,横纵比超过0.15后对系统影响较小;换热器间距越小,土壤利用率越高,但热短路损失越大;双列双出型埋管每延米换热量相较于双列单出型结构提升7%以上;负荷较大工况下叉排布置结构的换热效果更好;整个夏季优化结构的平均出口温度下降2.28℃,换热器周围土壤温度下降1℃以上;实际运行过程中应优先考虑采用流速随负荷变化控制模式。【结论】研究结果可为地源热泵换热器的设计、制造提供理论依据。

地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

为研究地下综合管廊结构的抗外部爆炸性能,针对整体现浇管廊和预制节段拼装管廊结构在地面爆炸作用下的动力响应特性和破坏模式开展了野外爆炸实验研究。通过11个工况的野外爆炸实验,观测了现浇管廊和预制节段拼装管廊在不同比例距离爆炸工况下的破坏特征和动力响应,对比分析了现浇管廊和预制节段拼装管廊的抗爆性能。结果表明:在地面爆炸作用下,现浇管廊和预制节段拼装管廊的顶板最终均出现弯剪破坏,整体现浇管廊的抗爆性能总体上优于预制节段拼装管廊。起爆位置对预制节段拼装管廊爆炸响应的影响较大,在节段中心上方起爆时结构损伤最严重。在小比例距离地面爆炸作用下,现浇管廊的损伤区域大于预制节段拼装管廊,预制节段拼装管廊的损伤集中在近爆心下方所在的节段或连接接缝处,节段间可产生较大残余滑移。

高地应力下双江口地下厂房围岩破坏特征及影响因素分析

双江口水电站作为大渡河流域水电梯级开发的上游控制性重点水库工程,受深山峡谷地域条件影响,地下厂房存在埋深大且地应力高的工程特点。以主厂房为研究对象,统计归纳了爆破开挖中现场围岩变形及破坏特征,并阐释了高地应力条件下岩体破坏机制及影响因素。研究结果表明,双江口水电站地下厂房爆破开挖过程中围岩主要发生板裂、板片状破裂、V型破裂以及应力与结构协同作用破坏四种主要类型。其中,板状破裂主要发育在边墙、顶拱及掌子面;板片状破裂和V型破裂主要发育在拱肩部位,破裂深度一般大于40 cm;应力与结构协同破坏围绕断层或节理聚集区,破坏规模不等且可预见性较差。

高压富水硬岩地层双护盾TBM前置式超前注浆堵水技术研究

晋中引黄输水隧洞双护盾TBM施工穿越高压富水裂隙,掌子面高压大流量突涌水严重,采用常规后置式超前注浆技术对掌子面突涌水进行超前处置效果不佳,主要原因是受外插角影响,采用常规后置式超前注浆存在注浆目标区域受限、钻探效率低、超前注浆控制难度大等问题,难以形成有效的止水帷幕结构。对隧洞水文地质条件、突涌水情况及超前注浆技术进行系统研究分析,提出双护盾TBM前置式超前注浆堵水工艺,通过优化注浆设备,在掌子面处实施超前注浆堵水。开展现场注浆试验,对坚硬岩面钻孔施工、注浆材料、注浆参数控制及注浆段长优化等技术进行研究,并根据现场试验信息,不断优化注浆设备及工艺。通过对晋中引黄输水隧洞实施前置式超前注浆堵水技术,洞内平均出水量降至3 702m~3/d,降幅达75.9%,同时在一定程度上提高了TBM施工效率。实践证明该技术方法有效。

含断层金属矿地压显现规律研究与防控措施

断层是金属矿山采空区稳定性的薄弱环节,也是地压显现治理的难点。以金山店铁矿为背景,基于现场调研结果,借助微震监测与数值模拟相结合的方法,对含断层金属矿山的地压显现规律进行分析。结果表明,在构造应力和自重应力双重作用下,采空区附近断层对空区围岩稳定性有显著影响。断层位于采空区内部时,主要表现为穿过断层巷道的局部破坏,而对上下盘巷道影响较小;断层位于空区上盘时,随着空区面积增大或隔离矿柱宽度减小,会导致断层与空区间的矿柱应力集中区叠加,出现大范围屈服破坏。建议对过断层的巷道局部破坏部位采取二次支护的应对措施;对于断层与空区内的矿柱大范围屈服部位,则应尽量避开在应力集中区布设开拓和采准巷道。该研究结果可为治理含断层矿山地压显现提供参考。

城市地下综合体出地面设施布置的优化研究

近些年,随着城市化的快速发展,许多城市开始综合统筹地上、地下建筑,沿城市枢纽场站、轨道交通等公共设施随周边规划了城市地下综合体建设,考虑到人行、消防、通风、排烟等功能的需要,地下综合体上方地面设置有出入口、疏散楼梯、排风口等出地面设施,由于出地面设施通常体量较大、凸出地面较高,对城市道路的安全通行和沿街面环境影响大。基于此,研究结合工程实例,针对城市地下综合体出地面设施的布置问题进行探讨和分析,并提出相应的优化措施,以期为类似地下工程的规划建设提供一定的指导意义。

地上地下一体化线性工程选址论证研究与应用

针对线性工程因线路长、范围广、自然环境复杂的特点,导致规划论证阶段难以快速掌握沿线自然条件的问题,本文以实景三维数据作为地上空间基底、三维地质模型数据作为地下空间基底、专题数据作为数据要素底板,构建了地上地下一体化的三维空间场景,并基于三维场景制定了线性工程三维选址论证分析的流程方法。以青岛规划高速公路为例,三维选址论证分析可快速掌握沿线的地上实景现状、地下地层断裂构造及各类专题要素等情况,有效提高了线性工程选址论证的效率和质量,为线性工程提供了地上地下一体化的三维选址论证新模式。

混凝土支柱支护技术在预掘回撤通道支护中的应用

为了评价混凝土支柱在预掘回撤通道支护中的应用效果,采用相似材料模拟试验的方法对混凝土支柱的力学性能进行了测试,并以此为基础,在何家塔煤矿50103工作面预掘回撤通道进行了工业性试验,同时对工作面回采过程中的矿压规律进行了监测。试验中主回撤通道共安装了2排直径800 mm的混凝土支柱,配合锚网梯梁组合支护系统对顶板进行支护。试验结果表明,混凝土支柱能够有效的保证工作面末采期间回撤通道的安全,显著提高搬家效率,并大幅降低搬家过程中的支护成本。

眼前山铁矿采区稳定性微震监测可行性研究

文章介绍了眼前山铁矿工程背景及回采过程中面临的地压问题,结合多通道微震监测技术特点,制定了覆盖采区的48通道微震监测系统技术方案。采用D值最优设计理论,对传感器进行了优化布置,确定的采区微震监测技术方案可实现回采过程中采区稳定性实时、在线和全方位立体监测,为采区安全回采提供技术支撑。

基于数据和知识双驱动的储气库地面管道腐蚀风险评价

储气库设备繁多,工艺流程复杂,风险因素众多,对其进行风险分析与评价的研究与应用尤为重要。近年来,储气库地面工艺管道腐蚀失效事故频发,准确有效地分析储气库地面工艺管道腐蚀失效的原因对其安全运行至关重要。采用数据和知识融合双驱动的风险评价方法,首先,对储气库地面工艺管道腐蚀失效数据进行统计分析,并建立贝叶斯腐蚀预测模型,在此基础上分析导致储气库地面工艺管道腐蚀失效的基本事件。其次,建立了腐蚀失效的知识模型,利用储气库地面工艺管道的腐蚀失效故障树详细分析了导致腐蚀失效的原因。通过各个基本事件的结构重要度系数,确定了各个基本事件在故障树结构上的重要性。最后,将储气库地面工艺管道腐蚀失效的影响因素总结为四大类,生成判断矩阵并确定不同影响因素的相对权重值,为模糊综合评价中权重因子的确定提供依据,得出储气库地面工艺管道腐蚀失效的风险级别。通过储气库地面工艺管道腐蚀风险评价实例应用,研究可为储气库的安全管理与运行提供科学依据。