高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字識別及分析

毛權(quán)生 曹紀(jì)剛

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000)

目前巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取主要以人工現(xiàn)場接觸測量為主，這種方法一是野外現(xiàn)場作業(yè)的工作量極大，二是采集的信息有限，不能滿足對結(jié)構(gòu)面做數(shù)理統(tǒng)計分析足夠的樣本。巖體三維非接觸測量系統(tǒng)是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等多學(xué)科的理論與方法，是一種非接觸式的測量手段［1］。該系統(tǒng)由可以進(jìn)行高分辨率立體攝像的照相機、進(jìn)行三維圖像生成的模型重建軟件和對三維圖像進(jìn)行交互式空間可視化分析的分析軟件包組成。軟件系統(tǒng)對不同角度的圖像進(jìn)行一系列的技術(shù)處理，實現(xiàn)實體表面真三維模型重構(gòu)，在計算機可視化屏幕上從任何方位觀察三維實體圖像，使用電腦鼠標(biāo)進(jìn)行交互式操作來實現(xiàn)每個結(jié)構(gòu)面?zhèn)€體的識別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態(tài)信息參數(shù)(產(chǎn)狀、跡長、間距、斷距等)的獲取，并進(jìn)行紛繁復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的分級、分組、幾何參數(shù)統(tǒng)計［2］。本研究采用奧地利3GSM 公司生產(chǎn)的ShapeMetriX3D 數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)對南泥湖鉬礦采場高陡邊坡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面采集和分析。

1 ShapeMetriX3D 系統(tǒng)工作原理［2-3］

(1)使用標(biāo)定的照相機，從2 個不同的角度來對指定的區(qū)域進(jìn)行成像。如圖1，完整的數(shù)據(jù)采集過程如下:選定測點，樹立范圍桿，確保自由視角，在左邊O1處拍攝第1 張照片，在右邊O2處拍攝第2 張照片，移除范圍桿。

圖1 ShapeMetriX3D 圖像合成原理Fig.1 Principle of ShapeMetriX3D image synthesis

(2)站點的數(shù)據(jù)采集完成后，該圖像被轉(zhuǎn)到電腦上，使用標(biāo)桿系統(tǒng)設(shè)置3D 模型的距離模式以及方向信息對現(xiàn)場拍攝的同一部分邊坡的2 個角度的照片進(jìn)行3D 模型合成(見圖2)，3D 模型重構(gòu)完成后，在計算機屏幕上從任何方位觀察生成的3D 模型。

圖2 合成3D 地質(zhì)模型Fig.2 Synthesis of 3D geological model

(3)使用JMX Analyst 模塊對生成的3D 模型進(jìn)行巖面以及裂隙等進(jìn)行標(biāo)識解譯，標(biāo)識解譯后的三維模型(見圖3)，使用電腦對結(jié)構(gòu)面分組以及結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識別、定位、擬合、追蹤，獲取結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)參數(shù)(產(chǎn)狀、跡長、間距、斷距等)，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行幾何形態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，為巖體結(jié)構(gòu)面的模擬提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

圖3 3D 邊坡模型節(jié)理裂隙標(biāo)注結(jié)果Fig.3 Joint and fracture marking at 3D slope model

2 工程應(yīng)用

南泥湖鉬礦采場目前主要揭露北幫及東幫的首采區(qū)位置，西幫、南幫及東南幫尚未開采。北幫(一區(qū))最高點標(biāo)高為+1 495 m，已開采至+1 330 m 標(biāo)高，邊坡最大垂直高度達(dá)到165 m，+1 390 m 以上邊坡已經(jīng)靠幫，現(xiàn)狀邊坡屬于本次節(jié)理裂隙測量的主要范圍，集中在北幫(一區(qū))。根據(jù)邊坡現(xiàn)狀，臺階邊坡角達(dá)到了75°，安全平臺局部已塌落，局部坡面上節(jié)理裂隙沒有辦法采用現(xiàn)場測線法進(jìn)行測量，針對這部分節(jié)理裂隙本次采用了ShapeMetriX3D 進(jìn)行了測量。根據(jù)南泥湖鉬礦采場現(xiàn)狀，首先在邊坡各分區(qū)選擇具有代表性的巖體邊坡(測線法觀測點)，通過現(xiàn)場數(shù)字?jǐn)z影測量，進(jìn)行室內(nèi)三維邊坡節(jié)理裂隙模型合成、編譯和圖片資料判譯，統(tǒng)計分析生成不連續(xù)面測量成果資料。

2.1 巖體邊坡ShapeMetriX3D 測量合成模型

將現(xiàn)場同一邊坡面所獲取的2 張照片導(dǎo)入ShapeMetriX3D 軟件分析系統(tǒng)，圈定出重點測量區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)像素點匹配、圖像變形偏差糾正等一系列技術(shù)，對三維模型進(jìn)行合成以及方位、距離的真實化，得到巖體表面的3D 模型，南泥湖鉬礦采場北幫(一區(qū))Ⅰ號測點、Ⅲ號測點的3D 模型見圖4、圖5。

圖4 Ⅰ號測點合成3D 模型Fig.4 3D models of measuring pointⅠ

圖5 Ⅲ號測點合成3D 模型Fig.5 3D models of measuring point Ⅲ

2.2 ShapeMetriX3D 測量節(jié)理裂隙標(biāo)識解譯圖

在合成的3D 模型上，根據(jù)主要結(jié)構(gòu)面的分布情況，對其結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，不同顏色代表不同的組，主要的結(jié)構(gòu)面分布有3 組，圖6、圖7 中和紅色組、藍(lán)色組、綠色組分別代表了Ⅰ號測點、Ⅲ號測點的3 組結(jié)構(gòu)面。

2.3 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)理統(tǒng)計分析

(1)ShapeMetriX3D 系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面的空間展布及分組情況，繪制出結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖。Ⅰ號測點、Ⅲ號測點的赤平投影圖如圖8、圖9 所示。

圖6 Ⅰ號測點結(jié)構(gòu)面標(biāo)識解譯Fig.6 Discontinuities identification and interpretation of pointⅠ

圖7 Ⅲ號測點結(jié)構(gòu)面標(biāo)識解譯Fig.7 Discontinuities identification and interpretation of point Ⅲ

圖8 Ⅰ號測點結(jié)構(gòu)面極點分布圖Fig.8 Discontinuities pole distribution map of pointⅠ

圖9 Ⅲ號測點結(jié)構(gòu)面極點分布圖Fig.9 Discontinuities pole distribution map of point Ⅲ

(2)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面分析統(tǒng)計成果。根據(jù)Ⅰ號測點、Ⅲ號測點3D 模型上的3 組節(jié)理，統(tǒng)計出3 組節(jié)理的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面之間對的間距和跡長，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果表Table 1 Statistical analysis of discontinuities geometrical parameters

通過ShapeMetriX3D 數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)對南泥湖鉬礦采場北幫(一區(qū))的巖石邊坡進(jìn)行結(jié)構(gòu)面測量、形成3D 模型、對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了統(tǒng)計分析，在邊坡有條件的位置也采取了人工測量并統(tǒng)計分析，分析得出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和ShapeMetriX3D 系統(tǒng)的統(tǒng)計出的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀非常相近，可以代表本區(qū)進(jìn)行邊坡破壞模型的判別和運用到巖體質(zhì)量分級、巖體力學(xué)參數(shù)提取中。

3 結(jié) 論

目前巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取主要以人工現(xiàn)場接觸測量為主，勞動強度大、效率低下，本次采用了巖體三維非接觸測量系統(tǒng)對南泥湖鉬礦高陡邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行測量，解決了傳統(tǒng)的測線法低效、費力、耗時、不安全的弊端。同時該方法更加精細(xì)、準(zhǔn)確地反映了巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面分布情況，為后續(xù)的采場穩(wěn)定性分析等工作提供了更加真實可靠的數(shù)據(jù)。

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