基于巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字識(shí)別技術(shù)的露天礦山邊坡生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)選

陸世東 張 棟 涂美義 周洪文 潘若寒 柯 波

（1.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430071；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

礦山開采對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)，是國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。礦山開采造成了不容忽視的生態(tài)環(huán)境問題。就露天礦而言，目前國內(nèi)大多數(shù)露天礦山邊坡的生態(tài)重建工作都未開始進(jìn)行或者缺乏適宜的生態(tài)重建方案，導(dǎo)致大部分的露天礦山邊坡造成的生態(tài)破壞問題一直未能得到有效解決，無法達(dá)到綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。縱觀國外其他國家的礦山開采歷程，從20世紀(jì)開始，歐美和日本等一些發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始著手進(jìn)行露天礦邊坡的生態(tài)修復(fù)和生態(tài)重建工作［1］。發(fā)達(dá)國家實(shí)行露天礦邊坡治理的主要方法是將已經(jīng)成熟的公路邊坡修復(fù)治理技術(shù)運(yùn)用到露天礦邊坡上，常用的修復(fù)技術(shù)有厚層基材噴播技術(shù)、三維網(wǎng)植被技術(shù)、客土噴播技術(shù)等［2-6］，實(shí)現(xiàn)了邊坡的生態(tài)修復(fù)。這些修復(fù)方法和修復(fù)技術(shù)值得我國露天礦山借鑒。

對(duì)于同一地區(qū)的露天礦山邊坡的生態(tài)修復(fù)方案，邊坡的高度、角度、巖體結(jié)構(gòu)等方面存在差異，使得所采用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)不盡相同。例如邊坡角度越大，高度越高，常規(guī)的厚層基質(zhì)材料噴播技術(shù)的實(shí)踐效果不理想，整體施工難度也越大，遇到強(qiáng)降雨后，噴播的修復(fù)材料破壞嚴(yán)重。此外，巖體裂隙越發(fā)育，為植物根系提供的生長空間越充沛，水分與養(yǎng)分的交換和遷移也越充足。但一般情況下，巖體裂隙越發(fā)育，越不穩(wěn)定，不利于生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施。由此可見，在礦區(qū)土壤及氣象條件確定的條件下，邊坡生態(tài)修復(fù)的主要影響因素應(yīng)包含邊坡幾何特征、巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)特征。在該類主要影響因素獲取方面，傳統(tǒng)方法主要有精測線法［7-8］、定向取芯［9］、孔內(nèi)照相［10］、孔內(nèi)視頻［11］和取樣窗法［12-13］等。精測線法受地形因素影響效率低；孔內(nèi)照相、孔內(nèi)視頻和取芯法對(duì)于大范圍巖體結(jié)構(gòu)的空間精細(xì)刻畫程度不足，且存在成本高、效率低等缺點(diǎn)；取樣窗法只是單一的統(tǒng)計(jì)單位面積內(nèi)的節(jié)理信息，局限性也很明顯。綜上所述，如何快速且較全面地識(shí)別邊坡的高度、角度、巖體結(jié)構(gòu)等特征信息需要深入研究。

本研究以銅山口礦山為例，采用三維激光掃描技術(shù)［14-15］和巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字識(shí)別技術(shù)［16］建立礦山 DTM模型，快速全面地識(shí)別邊坡的高度、角度、巖體結(jié)構(gòu)等特征；通過綜合分析該礦巖體地質(zhì)條件，根據(jù)巖層分布等因素，將該礦開采邊坡分為7個(gè)區(qū)域，進(jìn)而根據(jù)不同的邊坡區(qū)域分別提出相應(yīng)的邊坡分區(qū)方案。研究結(jié)果可為大型露天巖質(zhì)邊坡生態(tài)重建技術(shù)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供新思路。

1 工程概況

大冶有色金屬公司銅山口銅礦位于大冶市陳貴鎮(zhèn)，礦山于1984年建成投產(chǎn)，采選綜合能力為990 kt/a。經(jīng)過三十多年的開采，目前已形成多級(jí)終了臺(tái)階，礦山露采境界內(nèi)資源量開采年限不足4 a。礦山邊坡主要分布的巖石類型有透輝石細(xì)脈化白云巖、白云巖、大理巖、花崗閃長斑巖、矽卡白云巖、石榴石細(xì)脈化大理巖等。礦區(qū)內(nèi)植被數(shù)量較少，邊坡表面主要是裸露的巖石，山坡上覆蓋有原生的灌木林。礦區(qū)屬于亞熱帶大陸氣候，雨水充足，年均降雨量為1 411 mm。礦山現(xiàn)狀如圖1所示。

2 礦山邊坡DTM模型構(gòu)建與分區(qū)

2.1 邊坡DTM模型構(gòu)建

銅山口礦山邊坡DTM模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用長距離三維激光掃描儀獲取，由澳大利亞Maptek公司生產(chǎn)，型號(hào)為I-SITE 8810，工作方式如圖2所示。通過構(gòu)建的DTM模型，可以在計(jì)算機(jī)上直觀地分析銅山口礦山邊坡的地形地貌現(xiàn)狀，使后續(xù)分區(qū)方案的規(guī)劃更加直觀、便捷。

本研究構(gòu)建的銅山口礦山三維高精度DTM模型可以使研究人員快速獲取邊坡角度、高度和巖體節(jié)理裂隙密度等參數(shù)，邊坡三維重構(gòu)結(jié)果如圖3所示。

2.2 邊坡分區(qū)

通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分析，得到了邊坡影像圖與邊坡DTM模型，結(jié)合地層巖性、邊坡走向、邊坡角度等特征，可對(duì)露天邊坡進(jìn)行分區(qū)研究。本研究在3DMine軟件中快速測量出了各個(gè)邊坡的坡面角和邊坡高度，如圖4所示。

參考銅山口礦山地質(zhì)剖面圖，結(jié)合邊坡角度和高度，根據(jù)巖性的不同對(duì)邊坡進(jìn)行區(qū)域劃分。邊坡朝向北偏東85°方向區(qū)域主要分布透輝石細(xì)脈化白云巖，南偏東18°朝向主要分布白云巖，南偏西45°朝向主要分布矽卡巖化白云巖，北偏西65°朝向主要分布石榴石細(xì)脈化大理巖，北偏東7°朝向分布花崗閃長斑巖，北偏東64°朝向分布白云巖，北偏東35°方向主要分布花崗閃長斑巖。依據(jù)地質(zhì)剖面圖上的巖性分布線在邊坡DTM模型中找到對(duì)應(yīng)的區(qū)域，并劃分成塊，編號(hào)為1～7區(qū)。各個(gè)分區(qū)邊坡的巖性、高度、朝向和角度參數(shù)見表1，邊坡分區(qū)結(jié)果如圖5所示。

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3 邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

本研究在銅山口礦山各個(gè)邊坡分區(qū)選取7處測量區(qū)域，確保得到各個(gè)分區(qū)真實(shí)的巖石結(jié)構(gòu)信息數(shù)值。通過三維軟件對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別獲取節(jié)理裂隙的寬度和數(shù)量。巖體表面標(biāo)注邊坡信息的三維效果如圖6所示。

結(jié)構(gòu)面密度可反映巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，根據(jù)結(jié)構(gòu)面空間分布信息，可計(jì)算結(jié)構(gòu)面的面密度。但在實(shí)際應(yīng)用中，常采用體密度表征巖體的完整性，經(jīng)過對(duì)比實(shí)際巖體狀況，精確計(jì)算出巖體體密度較為困難，而巖體線密度的數(shù)值與體密度較為相近［17］，故而在計(jì)算中使用線密度的數(shù)值代替體密度。采用上述方法，統(tǒng)計(jì)出每一測量區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面線密度的平均值，邊坡角由三維軟件中測量得出，風(fēng)化程度通過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查得出，最終得出的邊坡巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)見表2。

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由于近年來銅山口礦山的開采規(guī)劃與采區(qū)并未產(chǎn)生較大變化，因此本研究巖石飽和水下單軸抗壓強(qiáng)度采用該礦地質(zhì)報(bào)告中試驗(yàn)得出的數(shù)值，并按照其取樣位置和巖性的不同對(duì)應(yīng)1～7區(qū)，得到了各分區(qū)的巖石飽和水下單軸抗壓強(qiáng)度，見表3。

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《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218-94）對(duì)巖石的等級(jí)進(jìn)行了劃分，不同的BQ值對(duì)應(yīng)的巖石特征不同。共分為5級(jí)，具體如表4所示［18］。

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巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ可根據(jù)飽和水巖石單軸抗壓強(qiáng)度σw、巖石節(jié)理裂隙體密度Kv計(jì)算，公式為

根據(jù)表1、表2和表3可計(jì)算BQ值，用所得BQ值對(duì)應(yīng)巖體質(zhì)量分級(jí)表（表4），確定巖石質(zhì)量等級(jí)，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

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由表5可知：5區(qū)和7區(qū)巖石體質(zhì)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，1、2、4、6區(qū)巖石體質(zhì)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，3區(qū)邊坡等級(jí)為Ⅲ級(jí)，礦山西南方向的5區(qū)和7區(qū)邊坡巖石強(qiáng)度較好。

4 銅山口礦邊坡修復(fù)方案推薦

文獻(xiàn)［19］通過BQ法得出了1～7區(qū)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)結(jié)果，本研究對(duì)銅山口礦山邊坡的巖體質(zhì)量有了宏觀的了解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山邊坡分區(qū)范圍與礦區(qū)自然資源條件、氣候條件、土壤情況、地下水等情況對(duì)各個(gè)級(jí)別的邊坡提出相應(yīng)的生態(tài)重建方案［20］。

4.1 Ⅰ級(jí)巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)

通過巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果（表4和表5）可知，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)的為5區(qū)和7區(qū)邊坡的巖體為堅(jiān)硬巖，因此本研究將5區(qū)邊坡和7區(qū)邊坡的生態(tài)重建工作一并進(jìn)行規(guī)劃。5區(qū)邊坡和7區(qū)邊坡的主要巖性為花崗閃長斑巖，節(jié)理裂隙數(shù)量較少，巖石比較堅(jiān)硬。依據(jù)以上邊坡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推薦采用厚層基材噴播技術(shù)。

厚層基材噴播技術(shù)重點(diǎn)是在堅(jiān)硬的巖石上形成穩(wěn)定的植被，并且具有較強(qiáng)的抗沖刷能力。要保證噴播后植物能良好地生存在邊坡上，形成獨(dú)立的礦區(qū)生態(tài)。需采用特定的噴播設(shè)備使生態(tài)修復(fù)所需要的肥料、土壤、具有黏性的沾合劑、植物種子等，可以給植物提供充足的水分和營養(yǎng)成分，保證植物能夠正常生長［21］。厚層基材噴播技術(shù)的施工流程如圖7所示。

厚基料噴播技術(shù)能有效解決裸露礦山邊坡生態(tài)修復(fù)問題，特別是對(duì)于大型邊坡的優(yōu)勢更加明顯，有助于保護(hù)礦山邊坡生態(tài)系統(tǒng)。

4.2 Ⅱ級(jí)巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)

依據(jù)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果（表5）可得，1、2、4、6區(qū)邊坡巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)，巖石較堅(jiān)硬，巖體較完整，邊坡區(qū)域內(nèi)主要分布的巖石巖性：1區(qū)為透輝石細(xì)脈化白云巖，2區(qū)為白云巖，4區(qū)為石榴石細(xì)脈化大理巖，6區(qū)為白云巖，節(jié)理裂隙條數(shù)平均值為4.8條/m。這4個(gè)區(qū)域的巖石性質(zhì)較為相似，為提高生態(tài)重建工作效率，減少經(jīng)濟(jì)成本，依據(jù)其性質(zhì)統(tǒng)一進(jìn)行生態(tài)重建，根據(jù)其節(jié)理裂隙發(fā)育情況以及現(xiàn)場土質(zhì)調(diào)查結(jié)果，采用三維網(wǎng)植被技術(shù)對(duì)其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)［22］。

三維植被網(wǎng)護(hù)坡技術(shù)基本原理是在邊坡的坡面增加一層人工合成的復(fù)合材料，植物種植過程中按一定的組合進(jìn)行排列分布，通過不同植物之間生長過程中的相互配合、相互影響，在巖石邊坡上形成堅(jiān)固牢靠的根系，繼而擁有一定程度的抗雨水沖刷能力，最終形成邊坡自身的防護(hù)體系。三維植被網(wǎng)護(hù)坡施工工藝如圖8所示。

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)處理后，坡面可形成良好的植被覆蓋，可在很大程度上抵抗雨水對(duì)邊坡植被的影響，從而有助于提高邊坡植被的穩(wěn)定性。

4.3 Ⅲ級(jí)巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)

根據(jù)表5，3區(qū)邊坡巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，該區(qū)邊坡主要分布的巖性為矽卡巖化白云巖，節(jié)理裂隙密度為3.6條/m，巖體基本質(zhì)量為較軟巖，巖石較破碎。根據(jù)其地質(zhì)剖面圖中給出的地質(zhì)信息，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的節(jié)理裂隙條數(shù)寬度、深度等條件，判斷該區(qū)域邊坡長期穩(wěn)定性不強(qiáng)，不適合采用傳統(tǒng)的厚基質(zhì)噴播技術(shù)，不利于高效建立起該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。因此為減少成本，提高邊坡生態(tài)重建的經(jīng)濟(jì)效益，3區(qū)邊坡推薦采用客土噴播技術(shù)［23］。

客土噴播技術(shù)以往多用于公路邊坡的生態(tài)重建，但由于礦山邊坡在邊坡高度、邊坡巖石力學(xué)性質(zhì)方面與公路邊坡存在一定的差異，因此，需要根據(jù)礦山邊坡巖石特征從工藝流程角度對(duì)客土噴播技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

適用于礦山邊坡的客土噴播防護(hù)技術(shù)的主要施工流程為，首先將植物種子、植物生長基礎(chǔ)材料、客土、植物所需肥料等按照適合的比例進(jìn)行混合，再通過噴射機(jī)器噴射到邊坡的坡面上，最終形成穩(wěn)定的邊坡生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。3區(qū)邊坡利用客土噴播技術(shù)，可以給草類植物提供良好的生存環(huán)境，以恢復(fù)邊坡的生態(tài)功能?？屯羾姴ナ┕すに嚵鞒倘鐖D9所示。

5 結(jié)論

（1）利用三維激光掃描技術(shù)，構(gòu)建了銅山口礦山DTM模型，并根據(jù)邊坡地層巖性，將該礦邊坡劃分為1～7區(qū)。依據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果，優(yōu)選了各分區(qū)最適宜的生態(tài)修復(fù)方案：5區(qū)和7區(qū)邊坡采用厚層基材噴播技術(shù)，1、2、4、6區(qū)邊坡采用三維網(wǎng)植被技術(shù)，3區(qū)邊坡采用客土噴播技術(shù)。

（2）基于巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字識(shí)別技術(shù)的邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了邊坡的科學(xué)分區(qū)，在此基礎(chǔ)上使用BQ分類法對(duì)巖體進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)結(jié)果優(yōu)選合理的生態(tài)修復(fù)方案。該方法為礦山邊坡生態(tài)修復(fù)工作提供了一種新思路。

（3）本研究生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)選結(jié)果有助于銅山口礦山實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的生態(tài)修復(fù)，但所推薦的生態(tài)修復(fù)方案的普適性還需要結(jié)合大量實(shí)踐進(jìn)一步研究。