基于數字攝影測量的巖體結構面信息獲取及巖體質量評價

徐 東，范文濤

(1.赤峰柴胡欄子黃金礦業有限公司； 2.錫林郭勒盟山金白音呼布礦業有限公司)

引 言

在地質構造作用影響下，巖體中往往存在著大量的軟弱結構面，這些結構面很大程度上決定巖體的力學特征和穩固程度，一直都是工程巖體質量評價中的重點關注對象。許多學者進行了相關報道，胡德茂等[1]利用分形理論對巖體內部原生節理的分布特征進行了研究，結果表明分形維數(D)可以作為巖體質量評價的分級指標。白志華等[2]采用三維激光掃描技術識別了震損邊坡的巖體結構面和節理裂隙，應用BQ巖體質量評價體系，建立了震損邊坡工程巖體質量評價方法。江飛飛等[3]利用測線法對軟弱破碎巖體進行了工程地質調查和分析，并采用MRMR-2000分級系統和Q分級系統分別對礦體上下盤圍巖進行了巖體質量評價。

目前，國內外常用結構面信息獲取方法有測線法、三維激光掃描技術、精測法、鉆孔巖心節理采集法等，但這些測量方法在現場實際測量時往往具有工作量大、不易操作、誤差大、耗時長、測量結果差等問題，很難滿足現代化施工進度要求[4]。基于此，數字攝影測量技術應運而生。數字攝影測量技術是一種全新、高效、準確、不接觸的巖體結構面信息獲取技術[5-7]。其顯著優點是根據攝影測量結果，可直接獲取巖體結構面的傾角、跡長等信息數據，并建立攝影測量范圍內巖體表面的三維模型。通過建立的三維模型可直接反映所測范圍內巖體表面的結構面發育情況和延展信息。

本文通過應用數字攝影測量技術，對赤峰柴胡欄子黃金礦業有限公司(下稱“柴胡欄子金礦”)Ⅴ號脈礦巖進行結構面信息調查，再結合巖石力學試驗結果，采用BQ巖體質量評價體系對Ⅴ號脈礦巖進行工程巖體質量分級研究，以期為采礦方法選擇提供技術支撐。

1 工程背景

柴胡欄子金礦位于內蒙古自治區赤峰市松山區初頭朗鎮，礦區標高為850～1 280 m，相對高差為430 m，氣候屬于半干旱大陸性氣候，年降水量405.30～740 mm，平均530 mm。礦區及其外圍褶皺發育，斷層主要為北西向。

礦區Ⅴ號脈位于區域成礦構造破碎帶內，平均傾角大于70°，厚度變化較大，絕大部分為薄礦體，局部有中厚礦體存在，屬于急傾斜薄—中厚礦體。根據礦區地質報告，Ⅴ號脈礦體和圍巖均較破碎，上盤圍巖內有破碎帶，下盤圍巖內有F1斷層，礦巖穩固性差。采場回采時，頂板存在冒落的安全隱患，給礦山的安全生產造成了很大壓力。

基于此，為了確保采場內施工人員和設備的安全，必須對Ⅴ號脈礦巖進行結構面信息測量和工程巖體質量評價，以便選擇更加安全的采場結構參數和采礦工藝，從而實現柴胡欄子金礦更安全、更高效的生產目標。

2 結構面信息獲取

2.1 數字攝影測量原理

利用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統獲?、跆柮}礦巖結構面信息，該測量系統實質是基于數字圖像相關技術，將巖體數字信息進行整理，進而得到巖體結構、產狀等信息。其原理是從巖體不同角度對指定區域進行數字成像，利用三維重構技術建立巖體表面三維模型，經后期處理獲取巖體結構面信息，主要包括節理傾向、傾角、跡長、間距、斷距、線密度、體積節理和分布率等參數信息，三維圖像合成原理見圖1。

圖1 ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統三維圖像合成原理

2.2 礦巖結構面信息測量及結果

2.2.1 測點布置

此次礦巖結構面信息調查區域位于Ⅴ號脈13中段至14中段26勘探線—28勘探線，測點涵蓋區域包括采場、上下盤圍巖及部分探礦穿脈等。

2.2.2 測量結果

利用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統分別對Ⅴ號脈礦巖13中段至14中段各測點進行現場測量，將得到的各測點左、右視圖分別導入ShapeMetrix3D軟件分析系統進行后期處理。在進行處理時，ShapeMetrix3D軟件會圈定出重點測量區域，并利用像素點匹配、圖像變形偏差糾正等一系列技術，對三維模型的距離及方位進行真實化處理，進而得到巖體表面的三維實體模型，此次礦巖結構面調查中測點11的巖體表面三維實體模型見圖2。

圖2 測點11巖體表面三維實體模型

在合成的巖體表面三維實體模型上進行節理識別，識別完成后，ShapeMetrix3D軟件會根據分組原理對節理識別結果進行自動分組，并以不同的顏色進行組別區分。另外，ShapeMetrix3D軟件還會基于節理分組識別結果對每組節理信息進行統計分析，獲取結構面的傾向、傾角、跡長、間距和線密度等信息。

測點11的節理分組識別結果見圖3。由識別結果可以看出，測點11處有3組節理信息：第一組節理用紅色標示，第二組節理用綠色標示，第三組節理用藍色標示。測點11處每條節理的傾向、傾角和跡長的詳細信息見表1。

圖3 節理分組識別結果

表1 測點11結構面參數信息

將結構面參數進行統計分析，獲取各節理組參數的均值情況，測點11處礦巖結構面信息統計分析結果見表2。從表2可以看出，測點11處統計結構面的優勢產狀有3組，分別為353.21°∠48.60°，274.93°∠80.44°，197.59°∠44.48°。

表2 測點11處礦巖結構面特征參數

2.2.3 數理統計分析

結構面密度是指單位尺度范圍內結構面的數目，它反映了結構面發育的密集程度及巖體的完整性，是巖體質量評價的基本內容之一。根據結構面的空間展布，對其進行數理統計計算，計算結構面的體密度。經測量，測點11處的結構面信息：第一組節理結構面共11條，線密度為4.76條/m；第二組節理結構面共12條，線密度為5.85條/m；第三組節理結構面共9條，線密度為7.16條/m。根據經驗公式，體密度為17.77條/m3。

根據結構面的空間展布，可繪制出測點11處的赤平極射投影圖(見圖4)。根據圖4可以清晰地看出測點11處每組結構面的產狀分布。限于篇幅，就不再對其他測點處結構面信息的獲取過程及結果進行一一敘述。

圖4 測點11赤平極射投影圖

3 巖體力學試驗

采礦工程涉及到的巖土工程往往規模巨大，而且條件極其復雜。不論是地下采礦工程，還是露天采礦工程，都是以具有地質構造的巖石為對象，巖體力學問題貫穿于采礦工程的各個角落。一方面，采礦工程中的巖體是地質體，它經過多次反復地質作用，經受過變形，遭受過破壞，形成一定的巖石成分和結構，賦存于一定的地質環境中，巖石的力學性質，包括強度特征、變形特征和穩定性特征等均會對采礦活動產生影響。另一方面，由于采礦工程是一個動態開挖過程，巖體力學性質會隨著工程尺寸和開挖方向的不同而變化，同時環境因素也是影響其性質的重要因素。巖石的物理力學性質能夠為地下開采中巷道和采場圍巖的穩定性及開采優化設計提供基礎數據。基于此，開展了柴胡欄子金礦巖體力學性質測試。

巖體物理力學性質的測定特別是強度指標的測定主要分為2類：一類是現場點荷載試驗，另一類是室內巖石力學試驗。此次研究中，通過對Ⅴ號脈礦巖結構面測量區域進行點荷載試驗，分別獲得了不同測量區域礦巖的單軸抗壓強度。

3.1 點荷載試驗

3.1.1 試驗原理

點荷載試驗是將巖石試件置于2個球形圓錐狀壓板之間，對試件施加集中荷載，直至破壞，然后根據破壞荷載求得巖石的點荷載強度。在點荷載作用下，巖石試樣中同時形成拉應力區和壓應力區。點荷載試驗巖石破壞原理見圖5。

圖5 點荷載試驗巖石破壞原理示意圖

1)在距加載點一定距離內的巖石所受力接近壓應力，形成壓應力區。

2)在距加載點一定距離之外，巖石受到了垂直加載軸方向的彈性拉應力，形成彈性拉應力區。

在拉應力區，加載點附近的巖石產生彎曲狀排列的雁行式裂紋。當荷載增大時，這些裂紋互相靠攏而形成滑動線，隨著荷載的進一步作用，這種裂紋逐步發展，并最終與彈性拉應力區相連接，試樣在拉應力作用下發生劈裂。

3.1.2 點荷載試驗過程

1)試驗設備。點荷載試驗儀，直尺，地質錘，數碼相機。

2)試驗方法和步驟：

(1)試驗試件采集。點荷載試件的采集區域與巖體結構面的測量區域一致，根據現場情況，每個測點內用地質錘采集多個試件，試件采集應盡量具有代表性。試件尺寸符合國標對點荷載不規則試件的規定，即加載兩點間距宜為30～50 mm；加載兩點間距與加載處平均寬度之比宜為0.3～1.0。對每個試件尺寸進行測量記錄。

(2)現場點荷載試驗。將巖心試件放入球端圓錐之間，使上下錐端位于巖心試件的圓心處并與試件緊密接觸。測量加載點間距及通過兩加載點最小截面的平均寬度。穩定地施加荷載至破壞，記錄破壞時的荷載及其破壞面，并根據破壞面篩選有效數據。采集試件及其破壞情況見圖6。

圖6 試件及點荷載破壞形式

3)試驗結果整理。按下式計算巖石點荷載強度：

(1)

式中：Is為未修正的巖石點荷載強度(MPa)；p為破壞荷載(N)；De為等價巖心直徑(mm)。

等價巖心直徑De計算公式為：

(2)

式中：D為加載點間距(mm)；W為通過兩加載點最小截面的平均寬度(mm)。

由于加載點間距不等于50 mm，按照下式計算點荷載強度：

Is(50)=FIs

(3)

(4)

式中：F為修正系數；m為修正指數，這里取0.45。

3.2 點荷載試驗結果

本次現場點荷載試驗共取試件83個，典型的點破壞類型見圖7。根據試件破壞形式篩選點荷載試驗是否有效，最終得到有效數據75個。其中,13中段取樣15個，14中段501采場取樣38個，14中段502采場取樣22個。

圖7 典型的點破壞類型

由點荷載試驗結果可知:13中段測點處單軸抗壓強度為95.51～119.38 MPa，14中段測點處單軸抗壓強度為90.56～122.88 MPa。從以上數據可以得出,柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖的單軸抗壓強度較高，但這并不表示巖體的強度或穩定性也相應較高。節理對巖體的穩定性有很大影響，評價巖體的整體強度和穩定性還需結合巖體結構面調查的結果。

4 巖體質量評價

巖體質量和巖體穩定性評價與巖體工程設計、施工是相互作用、相輔相成的關系。在巖體工程設計之前，對巖體質量和穩定性評價是必不可少的工作。正確地對工程巖體穩定性作出評價，是巖體開挖和加固支護設計、快速施工及保證生產安全必不可少的條件。采礦方法、采場結構參數選擇等都是直接建立在工程巖體質量等級和穩定性評價的基礎上。因此，開展巖體質量評價工作，對礦山的安全高效開采具有重要的意義。

4.1 BQ巖體質量評價體系

由GB/T 50218—2014 《工程巖體分級標準》可知[8-9]，BQ巖體質量評價體系主要考慮了巖石堅硬程度和巖體完整程度對圍巖穩定的影響，用2個指標計算出巖體基本質量指標BQ值。巖體基本質量指標BQ按下式計算:

BQ=90+3σc+250Kv

(5)

式中：σc為飽和巖石的單軸抗壓強度(MPa);Kv為巖體完整性系數，可由巖體結構面參數計算得出，計算公式如下[10]：

(6)

式中：Jv為巖體體積節理數，指單位體積內所含節理(結構面)條數，可由三維不接觸測量系統(ShapeMetrix3D)得到。

在使用式(5)時，應遵守2個限制條件：①σc>90Kv+30時，應以σc=90Kv+30代入式(5)計算BQ值；②Kv>0.04σc+0.4時，應以Kv=0.04σc+0.4代入式(5)計算BQ值。BQ巖體基本質量分級標準見表3。

表3 BQ巖體基本質量分級標準

4.2 Ⅴ號脈礦巖質量評價結果

將前面得到的巖體結構面參數結果和巖體力學參數分別代入BQ巖體質量評價體系，便可得到柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖的巖體質量評價結果。各測點巖體質量評價結果見表4。

表4 Ⅴ號脈礦巖各測點巖體質量評價結果

由以上巖體質量分級結果可知：柴胡欄子金礦Ⅴ號脈上盤圍巖為Ⅳ級巖體，巖石堅硬，巖體破碎，巖壁部分區域有明顯水滴出現。下盤圍巖為Ⅲ級巖體，巖石堅硬，巖體較完整，水環境比較潮濕。Ⅴ號脈礦體整體為Ⅲ級巖體，局部破碎區域為Ⅳ級巖體，巖石堅硬，巖體較破碎，部分區域有明顯斷層穿過。

5 工程應用

由Ⅴ號脈礦巖巖體質量評價結果可知：礦體上盤圍巖破碎，屬于Ⅳ級巖體，應用原有的采礦方法——淺孔留礦采礦法回采局部礦體時存在較大的安全隱患，且礦石貧化率和采礦損失率較大，需對采礦工藝進行改革。

眾所周知，充填采礦法能有效控制圍巖，防止圍巖大量冒落，回采作業時具有很大的靈活作業空間，且能有效控制采礦損失貧化。另外，充填采礦法也將尾砂等固體廢料填充至井下，成功解決了廢料的地面堆存問題，實現了廢料的重復利用，屬于一種綠色的開采方法。

基于上述論述，在開采柴胡欄子金礦Ⅴ號脈局部礦體時建議優先選用充填采礦法，后續具體選擇何種工藝及何種采場結構參數可根據巖體質量分級結果進行進一步探究。

6 結 論

本文對柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖分別進行了巖體結構面調查和現場點荷載試驗，得到了巖體的結構面特征參數和巖體的基本力學參數，并采用BQ巖體質量評價體系對Ⅴ號脈礦巖進行了巖體質量分級研究。具體結論如下：

1)采用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統對柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖進行了結構面參數調查，獲得了各測點巖體結構面傾向、傾角、線密度等特征參數，為巖體質量分級提供了基礎數據。

2)通過現場開展點荷載試驗，獲得了Ⅴ號脈礦巖的巖體力學參數。Ⅴ號脈礦巖的單軸抗壓強度較高，屬于硬巖，但這并不表示巖體的強度或穩定性也相應較高。節理對巖體的穩定性有很大的影響，評價巖體的整體強度和穩定性還需要結合巖體結構面調查的結果，為后續巖體質量評價工作做準備。

3)采用BQ巖體質量評價體系對柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖進行了巖體質量評價。Ⅴ號脈上盤圍巖為Ⅳ級巖體，巖體破碎，巖壁部分區域有明顯水滴出現。下盤圍巖為Ⅲ級巖體，巖體較完整，水環境比較潮濕。礦體整體為Ⅲ級巖體，局部破碎區域為Ⅳ級巖體，巖石堅硬，巖體較破碎，部分區域有明顯斷層穿過。

4)由巖體質量分級結果可知，采用淺孔留礦采礦法回采Ⅴ號脈局部礦體存在安全隱患，且不能有效控制采礦損失貧化，建議根據巖體質量分級結果選擇充填采礦法作為Ⅴ號脈局部礦體的采礦方案。