虛擬現(xiàn)實技術在露天礦邊坡工程中的應用

何 祥 楊天鴻 南世卿 黃慶云 李 洋

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819;⒉東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819;3.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司，河北 唐山063701)

近年來，隨著資源的不斷開發(fā)利用，深凹露天礦成為世界上露天礦山的發(fā)展趨勢［1］。深凹開采過程中，隨著邊坡的加高和開采深度的增加，合理評價露天礦邊坡穩(wěn)定性，對礦山回收資源，控制成本和保障安全生產(chǎn)具有重要意義。露天礦邊坡工程是一個集“勘探—評價—治理—監(jiān)測”于一體的循環(huán)的動態(tài)過程，它貫穿于露天礦開采的整個生命周期。隨著露天開采的進行，邊坡不斷被揭露，各種地質、巖石力學相關信息越來越豐富。這些不斷增加的信息與工程、施工和監(jiān)測等數(shù)據(jù)構成的多元數(shù)據(jù)集對于我們科學合理評價露天礦邊坡穩(wěn)定性與治理方案具有重大意義。然而在多數(shù)情況下人們僅僅利用了其中一小部分數(shù)據(jù)作出工程決策，這很難作出高質量的決策［2］。同時現(xiàn)代數(shù)字化勘察手段(如，三維巖體不接觸測量、三維激光掃描、鉆孔攝像和地質雷達等)的豐富為快速、精確勘察提供了新的有效途徑。

近年來，國內(nèi)外學者將虛擬現(xiàn)實應用于礦業(yè)工程、水電工程中取得了一系列成果。英國諾丁漢大學開發(fā)出一系列的礦山虛擬現(xiàn)實模型，如礦山安全系統(tǒng)，井下房柱式開采系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)－ VR －MINE，露天礦單斗卡車作業(yè)系統(tǒng)、礦井開采系統(tǒng)模擬模型等［3］。德國DMT 大學開發(fā)出采礦專業(yè)學生的訓練軟件礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG［4］。加拿大勞倫森大學提出共通地質模型的概念，并將虛擬現(xiàn)實技術用于地下工程規(guī)劃設計中取得巨大成功［2］。美國西部礦業(yè)健康安全培訓和轉化中心聯(lián)合匹茲堡大學開發(fā)出用于對頂板錨桿支護工人進行培訓的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在我國，安葳鵬、曾偉、王兵建等分別基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出井下人員培訓和礦工安全培訓系統(tǒng)［5-7］。東北大學楊天鴻等開發(fā)出一系列礦山虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用于礦山巖石力學研究、災害監(jiān)測與預警以及教學中，取得良好效果［8-9］。在水利水電邊坡工程方面，鐘登華提出了一種新的基于NURBS 算法的巖體結構三維可視化構造技術［10］。孟永東、徐衛(wèi)亞等發(fā)展了該技術，實現(xiàn)了基于X3D 技術的邊坡工程虛擬現(xiàn)實場景實時動態(tài)可視化、虛擬現(xiàn)實場景對象可視化交互式查詢，并提出邊坡工程中監(jiān)測數(shù)據(jù)三維云圖實時動態(tài)可視化方法［11］。此外，虛擬現(xiàn)實技術還在礦井火災和瓦斯爆炸、圍巖穩(wěn)定性評價等方面也得到較廣泛應用。

本研究通過多種數(shù)字化勘察手段，以東北大學虛擬現(xiàn)實平臺為基礎，建立了露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實信息集成系統(tǒng)。以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例，對其邊坡工程勘察、現(xiàn)場工程和分析計算等多元數(shù)據(jù)的融合分析與虛擬可視化。開發(fā)出帶有虛擬漫游、數(shù)據(jù)庫查詢和交互控制功能的一整套虛擬礦山系統(tǒng)。實現(xiàn)了地質模型的三維可視化顯示和解析，對邊坡工程多元數(shù)據(jù)信息的可視化融合，以增強人們同時解讀和分析多種數(shù)據(jù)能力，加強項目小組成員合作，準確、高效地對邊坡穩(wěn)定性做出評價，達到預測地質災害的目的［2］。

1 司家營鐵礦露天邊坡工程概況

司家營鐵礦位于河北省唐山市灤縣，隨著開采深度的增加，目前該礦東幫巖質邊坡高度已達200 余m。自2012 年以來一期工程露天采場扒豆山東北部巖質邊坡和西幫中部土質邊坡相繼發(fā)生不同規(guī)模滑坡災害。目前，東幫邊坡坡頂及部分已經(jīng)靠幫臺階出現(xiàn)大量張裂縫表明，急需對該礦邊坡進行補充勘察，對穩(wěn)定性做出合理評價從而提出治理和監(jiān)測方案，保障安全、高效生產(chǎn)。

工程地質勘查表明:邊坡淺部主要巖性為石英砂巖、混合巖化黑云變粒巖。根據(jù)風化程度的不同可分為:強風化、中風化和微風化3 種。總體產(chǎn)狀為傾向變化在260° ～320°之間，傾角變化在50° ～60°之間，屬順傾邊坡。其中由北部邊坡巖體節(jié)理較中部發(fā)育，巖體較破碎，巖體強度總體上呈由北向南逐漸降低趨勢。邊坡深部主要巖性為黑云變粒巖和礦石(磁鐵石英巖)，巖體質量較好。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立

露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立流程如圖1 所示，主要分為以下4 個部分［5］。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立流程Fig.1 Flow chart for the establishment of VR system

(1)三維場景建模。根據(jù)搜集的地質、測量數(shù)據(jù)和工程勘察數(shù)據(jù)，利用礦業(yè)工程軟件建立三維地質模型、采場模型和工程建構筑物等三維模型。將三維模型導入虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺為后續(xù)工作準備。

(2)信息集成與查詢。對外部數(shù)據(jù)如結構面攝影測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)雷達等多元勘探數(shù)據(jù)的三維重構。對重構后的三維模型，集成到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之中。建立搜集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，通過虛擬現(xiàn)實平臺模型與數(shù)據(jù)庫ADO 接口，將模型與數(shù)據(jù)庫進行連接。

(3)建立交互控制系統(tǒng)。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)自帶腳本語言，實現(xiàn)利用鼠標鍵盤等外設實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互控制，如模型的顯示與隱藏、動畫播放、虛擬漫游和屬性查詢。

(4)真三維立體展示。通過背投等真三維展示立體設備，為項目合作各單位展示虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，以便復雜的多元空間數(shù)據(jù)得到充分理解，實現(xiàn)項目范圍內(nèi)數(shù)據(jù)綜合化，改善三維理解，減少錯誤判斷，加強項目各專業(yè)的合作。

2.1 基于三維激光掃描的露天采場三維建模

露天采場空間幾何形狀復雜多變，同時采場揭露邊坡具有豐富的地質及巖體力學信息，掌握這些信息對合理評價邊坡穩(wěn)定性大有裨益。三維激光掃描技術具有連續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)，高精度與快速等優(yōu)勢，能夠快速獲得露天采場數(shù)字高程模型(DEM)。結合衛(wèi)星影像和現(xiàn)場采集影像，對DEM 模型進行紋理映射，從而實現(xiàn)露天采場逼真的虛擬可視化。因此，三維激光掃描技術為快速獲取露天采場動態(tài)的空間幾何輪廓和揭露地質信息，建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種新的高效手段。

通過三維激光掃描得到采場DEM 模型如圖2(a)所示。該模型只有空間幾何信息沒有紋理信息，通過對該模型進行紋理映射操作，進一步得到露天采場虛擬三維模型如圖2(b)所示。該虛擬模型不僅具有采場空間幾何信息，而且能反映巖體巖性，巖體質量等直觀的紋理信息，能夠指導露天礦邊坡工程勘察與評價治理。

圖2 露天采場三維模型Fig.2 3D model of open-pit stope

2.2 礦山三維地質模型構建

三維地質建模包括三維地質模型的生成、可視化、空間分析和應用等［12］，本研究具體指建立地層、斷裂、礦體和露天采場的三維模型和進行空間拓撲分析。

將露天邊坡三維模型和工程地質調(diào)查成果，如巖性、巖性分界線、產(chǎn)狀等地質信息綜合集成到露天采場三維模型中，得到包含空間幾何信息，紋理信息和工程地質信息的露天邊坡虛擬現(xiàn)實三維模型如圖3所示。

圖3 采場邊坡三維模型Fig.3 3D model of open-pit slope

對搜集的鉆孔數(shù)據(jù)、地質剖面圖等地質資料分析整理，利用礦業(yè)工程軟件3DMine 建立礦體、開采境界、斷層和工程建構筑物等一整套三維地質模型。將模型導入3Ds Max 中進行紋理貼圖和渲染，使其滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構建需要，如圖4 所示。

圖4 礦山三維地質模型Fig.4 3D geological model of mine

2.3 巖體結構面三維重構與信息集成

邊坡巖體結構面對于邊坡穩(wěn)定性具有重要意義，相對傳統(tǒng)現(xiàn)場測線法測量，數(shù)字化勘察手段，如:三維巖體不接觸測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)地質雷達等技術的廣泛應用使邊坡巖體結構調(diào)查近年取得巨大進展［13］。與傳統(tǒng)勘察手段相比，數(shù)字化勘察手段更加快速、精確和全面，同時，相應的數(shù)字化成果(如節(jié)理產(chǎn)狀、節(jié)理間距和斷距等)可以更加方便地通過軟件接口與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)融合。

本研究通過三維巖體不接觸測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)地質雷達技術綜合勘察，查明邊坡巖體結構面空間展布。通過各軟件接口進行三維重構后集成到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，以便于直觀展示結構面與邊坡巖體空間拓撲關系。

2.3.1 基于3GSM 的結構面調(diào)查與三維重構

借助先進的3GSM 三維巖體不接觸測量技術，對司家營鐵礦邊坡巖體結構面進行現(xiàn)場測量，獲取一系列真實描述巖體宏觀結構的數(shù)字圖像，提取節(jié)理幾何形態(tài)空間分布信息，建立巖體結構面空間分布模型。以23 號測量點為例，建模過程簡述如下:首先，利用ShapeMetrix 3D 軟件分析系統(tǒng)得到巖體表面的三維視圖。其次，在合成的三維圖上，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙的分布情況及3GSM 分組的原則將該測點結構面分為2 組，優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀分別為:262.35°∠26.65°，149.65°∠78.03°，分別如圖5 中的深、淺面所示。最后，將該模型移植到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，并添加其產(chǎn)狀、斷距等信息查詢功能。

圖5 巖體中節(jié)理分布情況Fig.5 The distribution of the joints in rock mass

2.3.2 結構面調(diào)查與三維重構

鉆孔攝像技術可用于結構面產(chǎn)狀測量、巖性區(qū)分、風化帶和破碎帶調(diào)查、超前勘探等，彌補了勘探和場地調(diào)查的不足［14-15］。鉆孔雷達測量可以提供斷裂構造在巖體中橫向的延展特征［15］。通過兩者結合，將獲得的產(chǎn)狀信息與結構面空間延展性相互結合，共同確定了巖體結構面幾何參數(shù)，更好發(fā)揮各自優(yōu)勢。

圖6 為鉆孔攝像與孔內(nèi)雷達測試結果的對比分析。由圖6 可知，2 鉆孔處邊坡巖體結構面較發(fā)育，其中N17 －2 鉆孔處破碎帶尤為發(fā)育，順層節(jié)理發(fā)育，N12 －2 鉆孔處巖體質量稍好，順傾節(jié)理相對較少。根據(jù)地質雷達數(shù)據(jù)還可初步確定巖體結構面空間延展情況。

圖6 鉆孔攝像與孔內(nèi)雷達測試結果的對比分析Fig.6 Comparison and analysis of digital borehole camera result and borehole radar result

對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行二次開發(fā)，使其三維可視化集成巖體結構面信息，同時具有查詢功能。圖7 為鉆孔處巖體的結構面三維展布的虛擬三維模型。

圖7 邊坡巖體結構面三維模型Fig.7 3D model of discontinuity in slope rock mass

2.4 露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)系統(tǒng)構建

在建立的三維場景基礎之上，通過對數(shù)字化勘察數(shù)據(jù)(工程地質勘探、物探數(shù)據(jù))，分析計算數(shù)據(jù)(關鍵塊體、安全系數(shù)等)等進行數(shù)據(jù)集成與融合。并開發(fā)具有信息查詢和交互控制的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)集成主要通過數(shù)據(jù)庫的方式，數(shù)據(jù)查詢通過虛擬現(xiàn)實平臺模型與數(shù)據(jù)庫ADO 接口，將模型與數(shù)據(jù)庫進行連接，實現(xiàn)雙擊模型查詢對應數(shù)據(jù)信息。圖8 所示即為該系統(tǒng)鉆孔結構面信息的查詢界面。

圖8 數(shù)據(jù)庫查詢界面Fig.8 The database query interface

交互控制系統(tǒng)實現(xiàn)用戶自主控制虛擬場景的目的。例如:模型的顯示與隱藏、虛擬漫游、動畫播放、數(shù)據(jù)查詢等，如圖9 所示。

3 系統(tǒng)在露天邊坡工程中的應用

露天礦邊坡虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過將三維地質模型與多元勘察數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算模擬數(shù)據(jù)等綜合分析，以解決露天礦邊坡工程中的實際問題，以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例說明。

圖9 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)交互界面Fig.9 Virtual reality system interface

首先，對邊坡巖體結構面統(tǒng)計分析，點荷載試驗和巖體質量評價，通過廣義Hoek － Brown 準則對邊坡巖體強度進行估值并進行工程巖體質量分級，結果如表1 所示，這些數(shù)據(jù)為邊坡穩(wěn)定性評價和治理提供基本依據(jù)。

表1 各邊坡穩(wěn)定性分區(qū)內(nèi)巖體質量和強度Table 1 The rock quality and rockmass strength of each slope stability division

其次，通過極限平衡法計算該礦邊坡不同區(qū)域安全系數(shù)，綜合分析提出對應治理措施，如表2 所示。由表2 可知:自然狀態(tài)下，東幫邊坡在N9 ～N15 勘探線之間安全系數(shù)不能達到1.15 的要求，疏干排水條件下，N10 ～N15 區(qū)域不能達到1.15 的安全系數(shù)要求，需要采取其他必要措施。基于以上分析，對該邊坡提出削坡放緩加疏干排水的治理方案。此外，上述方案可以降低邊坡整體滑坡風險，但是由于其地質復雜性仍需要進一步通過雷達監(jiān)測、位移監(jiān)測和微震監(jiān)測等多手內(nèi)外段協(xié)同監(jiān)測邊坡變形和破壞。

最后，綜合以上分析得出邊坡安全性分區(qū)如圖10 所示。對不同分區(qū)的地質信息，巖體力學信息，評價結果及治理方案等集成于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，方便在露天礦整個生命周期中對邊坡工程信息進行管理與查詢。同時，該分區(qū)可為礦山露天開采境界優(yōu)化設計提供依據(jù)，確定邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域，為后續(xù)監(jiān)測重點區(qū)域確定提供依據(jù)，從而指導工程實踐，提高礦山生產(chǎn)安全性以及礦山經(jīng)濟效益。

綜上所述，結合數(shù)字化勘察成果與虛擬現(xiàn)實技術，可以快速構建露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，指導露天礦邊坡評價與治理。虛擬現(xiàn)實在三維地質模型展示，多元勘探數(shù)據(jù)可視化，邊坡工程綜合信息集成等方面具有巨大優(yōu)勢。通過進一步開發(fā)，可為實時監(jiān)測與監(jiān)控的預警平臺打下基礎。

表2 各邊坡穩(wěn)定性分區(qū)安全系數(shù)和治理措施Table 2 The safety factor and prevention measures of each slope stability division

圖10 司家營鐵礦東幫邊坡穩(wěn)定性分區(qū)Fig.10 Analysis of slope stability by sub-regions in open-pit of Sijiaying Iron Mine

4 結 論

(1)通過虛擬現(xiàn)實技術集成數(shù)字化勘察(巖體結構三維不接觸測量、采場三維激光掃描、鉆孔攝像和地質雷達探測)成果，以東北大學虛擬現(xiàn)實平臺為基礎，建立了集三維地質模型、工程模型等虛擬場景與具有數(shù)據(jù)查詢和交互控制于一體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，豐富了虛擬現(xiàn)實的內(nèi)涵，拓寬了虛擬現(xiàn)實在露天礦邊坡工程中的應用。

(2)以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例，通過虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對邊坡工程勘察、現(xiàn)場工程和分析計算等多元數(shù)據(jù)的融合分析與虛擬可視化，綜合分析得到邊坡穩(wěn)定性分區(qū)與治理方案，對該礦露天礦邊坡穩(wěn)定性進行評價得出合理治理措施。

(3)虛擬現(xiàn)實技術與數(shù)字勘察手段的結合，實現(xiàn)了多元勘察數(shù)據(jù)的融合分析，較傳統(tǒng)勘探數(shù)據(jù)平面、三維地質模型表達更進一步，提升了其沉浸感和交互性。該系統(tǒng)可進一步與邊坡表面內(nèi)部系統(tǒng)監(jiān)測成果相結合升級為礦山監(jiān)測預警平臺。

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