基于Sirovision的節理巖體調查及穩定性分析

張 馳 徐 帥 張小輝 何國強

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；3.山東黃金礦業(萊州)有限公司，山東 煙臺 261441)

基于Sirovision的節理巖體調查及穩定性分析

張 馳1,2徐 帥1,2張小輝1,2何國強3

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；3.山東黃金礦業(萊州)有限公司，山東 煙臺 261441)

針對人工近距離接觸測量獲取巖體結構面信息工作效率低，勞動強度大等問題，開展了Sirovision巖體結構面三維不接觸測量系統的研究。介紹了該系統的硬件組成及后處理軟件的具體功能，提出了一套適用于該系統的巖體結構面信息采集方法與數據處理流程，并成功應用于鐵蛋山鐵礦的節理巖體調查與分析中。首先根據現場采集的調查區內原始格式二維圖片，獲得了真實坐標定位的巷道三維空間模型數據；然后進行了巖體結構面的數字化識別，并將得到的統計數據依據產狀特征進行了分組，獲得了不同節理組的空間方位統計信息；最后根據不同節理組間的相互位置關系，進行了基于后處理軟件系統的楔形體結構分析，確定了危險塊體的位置。上述研究成果可為礦山安全生產及工程參數優化提供參考。

Sirovision測量系統 巖體穩定性分析 巖體結構面參數 產狀特征 三維空間模型

節理廣泛存在于地殼巖石中，是一種十分復雜的地質結構，由于節理強度和剛度大大低于完整巖石[1-5]，因此系統研究節理巖體的幾何及力學性質，調查結構面的分布規律、表面特征、連續特征以及空間組合形式對于判定和分析巖體的穩定性顯得十分重要。常用的巖體結構面信息采集的方法有鉆孔巖芯節理采集法[6-9]、測線法、精測線法[10]、取樣窗法[11-12]等。其中鉆孔巖芯法獲取的結構面方位信息規模小、應用效果不佳；測線法與精測線法雖然能保證較好的量測精度，但野外測量工作量大，受地形環境因素的影響，很難獲得高效、全面的結構面信息；取樣窗法一般用于統計單位面積內的節理條數，由于在測量時尺寸偏差、截短誤差以及截長誤差[13]的存在影響了該方法的應用效果。

隨著信息時代的到來，采用攝影測量技術[14-18]解算結構面產狀、間距、粗糙程度等巖體規模信息成為當前比較流行的方法。王鳳艷等[19]建立了基于空間坐標的結構面跡線三維模型，任一投影展示面的跡線二維模型和詳細判據的產狀解算模型，該法要求攝影精度較高，現場使用偶然性大，精度較難保證。楊天鴻等[20]采用3GSM系統在巖體結構面空間幾何信息分布及巖面三維模型構建方面的研究取得了一些進展，由于該系統在現場使用時需要外界提供光照條件，而且對巷道頂板巖面圖像的識別相對困難，因此其在地下礦山節理巖體調查中的應用具有一定的局限性。為此，在深入分析Sirovision巖體結構面三維不接觸測量系統組成的基礎上，研究了使用該系統進行地下礦山巖體結構面信息采集與數據處理的流程，并將其應用于鐵蛋山礦區的節理巖體調查與分析中，成效較為顯著。

1 巖體結構面三維不接觸測量系統

CAE SirovisionTM是由澳大利亞聯邦科學與工業組織(CSIRO)開發的專門用于巖體結構面調查與分析的一套三維不接觸測量系統。該系統包含2個部分：①CAE立體圖像采集儀，集成2臺高分辨率工業相機對指定區域進行圖像采集，可獲得2張高清晰度二維圖像；②對三維圖像進行交互式空間可視化模型重建與分析的軟件，實現巖體表面三維模型的重建，識別巖體的結構面信息，獲得準確的巖體穩定性分析結果。

Sirovision系統優點在于：①測量設備采用單支架半固定式支撐可實現水平及垂直方向360°旋轉；②自帶可調強度閃光燈，滿足無光條件下的正常拍攝；③實現原始二維圖像對到三維圖像的高效合成，大幅度縮短后處理所需時間。

2 巖體結構面信息采集與數據處理流程

2.1 巖體結構面信息采集流程

采集巖體結構面信息的前提是根據巖體穩定性分析的要求確定圖像采集區域，為了確保統計分析結果具有一定的代表性，圖像采集區域選擇應需具備以下條件：①調查應以巖體失穩破壞區域為中心向四周均勻展開；②應盡可能選取巖體結構面出露較明顯的區域；③對于節理較發育的區域應重點調查。在圖像采集區域確定的情況下，根據成像系統的技術要求，在地下礦山巷道中采集圖像時通常所能獲得的巖面實際控制范圍為4 m×4 m，因此，在進行現場圖像采集時，首先按照4 m間隔布置測點，在任意一個測點范圍內布置3～4個控制點定位巖面空間方位，然后按照后方交會的測量方法獲取控制點的空間坐標數據。根據以上思路，建立了巖體結構面信息采集流程，見圖1。

圖1 巖體結構面信息采集流程

2.2 數據處理流程

根據外業測量所得到巖面情況的數據特點，首先按照循環成組(需要進行拼接的三維圖片放在1個循環內完成拍攝)的方式將測量數據進行分類整理；然后通過Sirovision三維軟件系統將同一拍攝區域內的左右2張圖片按照掃描、識別、匹配的過程合成為單張三維圖片；最后導入現場實測的控制點坐標數據并與巖面上標識的控制點進行匹配，將相對定位的三維圖片轉化為與現場一致的巖面空間位置圖像。

為了獲得更加完整的巷道拱三維實體模型，首先選擇同一循環內的側幫單幅三維圖片進行拼接，如圖2(a)所示；然后逐一將側幫與頂板的部分拼接圖進一步合成得到如圖2(b)所示的完整巷道拼接圖；最后完成巖體結構面信息的數字識別得到調查區域內巖體結構面的空間方位分布數據，按照結構面空間幾何參數的不同將其劃分為不同的節理組，結合工業試驗獲得的巖石力學參數并分析不同節理組間的相互作用關系，從而得到巖體的穩定性分析結果。結合以上分析，建立了巖體結構面數據處理流程，見圖3。

3 應用實例

3.1 礦區地質概況

鐵蛋山礦區位于遼寧省西部，礦體賦存條件復雜，巖質松軟穩定性差。巷道施工完畢后不久即產生開裂變形，進而產生片幫、冒落和沉降變形，嚴重影響了礦山的開采和運輸。為此，針對鐵蛋山礦區圍巖的地質條件開展破碎巖體的節理調查分析研究，查明該礦區主節理的方位，節理面的組數、平均間距，推測巖體中危險塊體的位置。

圖2 Sirovision軟件處理后的工程實例模型

圖3 Sirovision系統數據處理流程

3.2 巖體結構三維合成結果

采用Sirovision系統對鐵蛋山鐵礦+35 m分段2122、2124回采進路及聯通該2條進路的切割巷道裸露巖面進行了調查，共布置測點16個，并按照測點的分布特征將其劃分為7個區域，即1#～2#測點、3#～5#測點、6#～8#測點、9#測點、10#測點、11#～13#測點、14#～16#測點，測點布置情況見圖4。

根據調查區內測點的分布情況，依次獲取同一指定區域內巖面的二維圖像對，見圖5。

圖4 Sirovision調查區域測點分布

圖5 +35 m水平2122回采進路巖面圖像對

在合成的三維圖上，根據主要節理裂隙的發育特征及結構面的延伸趨勢，基于Sirovision后處理軟件對節理裂隙進行了數字化識別，獲得了如圖6所示的節理面分布圖。

圖6 調查區節理裂隙分布(局部)

對節理巖體結構面幾何參數進行統計，結果如表1所示。

由表1可知，在+35 m分段存在3組優勢結構面，分別為29°∠48°、66°∠80°、170°∠46°；節理面間距均值小于0.5 m，跡線長度均值均相對較小，表明在該區域內節理面高度發育，巖體比較破碎。

表1 節理巖體結構面幾何參數Table 1 Geometry parameters of joint rock structural surface

3.3 巖體穩定性分析

地下巷道頂板受垂直應力作用，其下方形成了楔形體組成面的臨空面，在該方向重力勢能有減小的趨勢。為了確定相同分區內的不同節理組間能否形成楔形體結構，借助以太沙基理論為基礎的Sirovision系統，輸入調查區內巖石的黏著力值及摩擦系數，獲得了如圖7和表2所示的巖體穩定性分析結果。

圖7 巖體穩定性分析

測 點邊 幫頂 板1#～2#存在3#～5#存在6#～8#存在9#存在10#存在11#～13#存在14#～17#

由表2可知，調查區域內3#～5#，9#所在位置的頂板中存在危險體結構，并會對地下開采生產的安全產生較大的威脅；1#～2#，6#～8#，10#，11#～13#測點所在位置的邊幫存在危險體結構，但由于該礦區范圍內的水平應力較小，發生危險的可能性較小。

4 結 語

基于Sirovision巖體結構面三維不接觸測量系統，探索了一套使用該系統進行外業測量與內業數據處理的操作流程。將Sirovision系統成功應用于鐵蛋山鐵礦的節理巖體調查與分析中，獲取了能夠真實描述巖體宏觀結構的數字圖像，提取了節理幾何形態空間分布信息，并得到了結構面幾何統計參數。通過進行基于節理面分組結果的巖體穩定性分析，獲取了調查區內巖體的不穩定表征現象，對于礦山進行安全防護以及優化工程參數有一定的參考價值。

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(責任編輯 王小兵)

Jointed Rock Survey and Stability Analysis Based on Sirovision

Zhang Chi1,2Xu Shuai1,2Zhang Xiaohui1,2He Guoqiang3

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China;3.ShandongGoldMingIndustry(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai261441，China)

Aiming at the low efficiency and labor-intensive of obtaining the information of rock mass structural surface by artificial close contact measurement，the Sirovision three-dimensional and non-contact measurement system of rock mass structural surface is researched.The hardware composition and specific features of post-processing software of the system are introduced，the suitable method of obtaining rock mass structure surface information and the flow of data processing are proposed and applied to survey and analyze the jointed rock in Tiedanshan iron mine successfully.Firstly，according to the original formation of two-dimensional images obtained in the investigation area，the three-dimensional roadway space model data with real coordinates is got.Then，the rock mass structure surface is digitally identified，the obtained indentified data are grouped on the basis of occurrence so as to obtain the spatial orientation of different joints group.Finally，according to the positional relationship among different joints group，the wedge of the structure is analyzed based on the post-processing software system to determine the location of dangerous structural body.The above research can provide some reference for the mine safety production and optimization of engineering parameters.

Sirovision measurement system，Stability analysis of rock mass，Parameters of rock mass structural surface，Occurrence characteristics，Three-dimensional space model

2015-03-04

國家自然科學基金項目(編號：51204031，51274055)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAB02B03)，教育部基本科研業務費項目(編號：N130401007，N120701001)，遼寧省教育廳一般項目(編號：L2014100)。

張 馳(1990—)，男，碩士研究生。

TD76,TD853

A

1001-1250(2015)-05-140-05