基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的井下礦巷道巖體結(jié)構(gòu)特征分析

田迎春， 李文， 馬東， 陳小偉， 李宗武， 謝盛青， 宮國(guó)慧， 王恒濤

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)嶺有限公司, 遼寧 遼陽(yáng) 111007; 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

自然界中巖體內(nèi)部發(fā)育著大量規(guī)模和形態(tài)各異的結(jié)構(gòu)面，巖體結(jié)構(gòu)面共同影響著工程巖體的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性，控制著地下結(jié)構(gòu)施工期和運(yùn)行期的圍巖穩(wěn)定和工程安全。大量工程實(shí)踐表明，巖體失穩(wěn)破壞主要沿巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生[1]。因此，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查及特征研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的裂隙描述方法，主要采用8個(gè)指標(biāo)(分別為產(chǎn)狀、間距、延續(xù)性、跡長(zhǎng)、粗糙度、張開(kāi)度、充填物、地下水)對(duì)巖體節(jié)理進(jìn)行定量或定性描述。其中，巖體結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀和幾何信息是評(píng)價(jià)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育的重要指標(biāo)[2]。傳統(tǒng)巖體結(jié)構(gòu)面特征采集大多是以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師采用皮尺、地質(zhì)羅盤、游標(biāo)卡尺等基礎(chǔ)工具在現(xiàn)場(chǎng)接觸測(cè)量，需要直接暴露在裸露巖體之下，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)(塌方)；而且調(diào)查過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，不能滿足快速作業(yè)需要。此外，地質(zhì)素描結(jié)果很大程度上取決于人的主觀判斷以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以攝影測(cè)量和激光測(cè)量為代表的現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于巖體工程結(jié)構(gòu)面信息采集，其優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)可以快速高效、非接觸地進(jìn)行巖體信息采集，特別是對(duì)于人員難以接觸或靠近的區(qū)域。(2)采集的信息易于保存和共享[3]。三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍、高精度的獲取巖體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)，是巖體結(jié)構(gòu)面信息采集的重要技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[4-5]在這方面已開(kāi)展了較多研究。劉昌軍等[6]應(yīng)用三維激光測(cè)量技術(shù)獲取高陡邊坡的高密度點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立高邊坡表面模型并提取了高陡邊坡的巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和幾何信息數(shù)據(jù)。荊洪迪等[7]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)與地質(zhì)構(gòu)造分析相結(jié)合的研究手段，將巖體結(jié)構(gòu)面信息提取和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)集成。葛云峰等[8]采用三維激光掃描技術(shù)獲取巖體露頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)法與解析幾何理論實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面智能識(shí)別與信息提取。

弓長(zhǎng)嶺井下礦是我國(guó)最早開(kāi)采的大型地下鐵礦山之一[9]，在生產(chǎn)過(guò)程中曾試用過(guò)多種采礦方法，現(xiàn)階段主要采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)。由于當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中井下礦石(尤其是富礦石，品位>65%)回收率低(50%左右)嚴(yán)重影響礦山經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)井下礦回采方法進(jìn)行優(yōu)化。為了有效指導(dǎo)弓長(zhǎng)嶺井下礦采礦方法優(yōu)化研究，通過(guò)開(kāi)展井下巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查及特征分析，為井下礦巖體質(zhì)量及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦山采礦設(shè)計(jì)及后續(xù)施工。

2 工程概況

弓長(zhǎng)嶺井下礦地處遼寧省中南部，礦區(qū)位于弓長(zhǎng)嶺背斜北翼，西北至寒嶺斷裂，全長(zhǎng)4 850m，寬750m，面積3.6km2。礦區(qū)礦體為沉積變質(zhì)型磁鐵礦，主要采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，階段高度60m，分段高度12m。弓長(zhǎng)嶺井下礦富礦體主要分布在中央?yún)^(qū)-220m水平以下，目前正在開(kāi)采的-280m中段富礦體沿走向長(zhǎng)約1 550m，礦體厚度18～57m，傾角71°～81°，平爐富礦品位在65%以上，高爐富礦品位在55%以上，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高?，F(xiàn)有采礦方法在回采過(guò)程中富礦回收率僅50%左右，造成大量富礦損失于地下，亟需對(duì)現(xiàn)有采礦方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高富礦回收率。

為了指導(dǎo)礦山開(kāi)展采礦方法優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對(duì)區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)特征有深入了解，以保障巷道工程及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)礦石礦體賦存條件以及現(xiàn)階段生產(chǎn)現(xiàn)狀，初步擬定針對(duì)-280m水平巷道開(kāi)展巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查，調(diào)查巷道兼顧穿脈和沿脈，總長(zhǎng)度約450m。圖1所示為水平巷道工程平面布置。

圖1 弓長(zhǎng)嶺井下礦-280m水平巷道工程平面布置

3 技術(shù)方法

3.1 三維激光掃描技術(shù)

圖2 三維激光掃描儀

三維激光掃描是利用一組脈沖激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光并獲取來(lái)自物體表面的反射信號(hào)進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)測(cè)量方法。由于其獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息量大、精度高、速度快等特點(diǎn)，現(xiàn)被應(yīng)用在了建筑、隧道、礦山等眾多行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)外均有較成熟的產(chǎn)品，本次礦山井下調(diào)查采用澳大利亞Maptek公司開(kāi)發(fā)的I-Site SR3三維激光掃描儀，具體如圖2所示。該掃描儀的垂直掃描范圍為-40°至90°，水平掃描范圍為360°，數(shù)據(jù)采集速率為100～200kHz，距離精度為4mm。選裝的全景線性數(shù)碼相機(jī)可以與點(diǎn)云同步采集，拍攝角度范圍為水平360°，垂直80°，圖片像素14 700萬(wàn)。為了適應(yīng)井下光線昏暗環(huán)境，在掃描儀支架上安裝有補(bǔ)光照片燈。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作主要在-280m水平中央?yún)^(qū)，由于受粉塵、地下水以及閑置時(shí)間長(zhǎng)等因素影響，部分巷道壁面原生節(jié)理裂隙已模糊辨識(shí)不清，現(xiàn)場(chǎng)掃描過(guò)程中對(duì)這些巷道進(jìn)行了剔除。采用固定站式掃描方法開(kāi)展了巷道掃描如圖3所示，按照如下步驟開(kāi)展：(1)確定站點(diǎn)并架設(shè)三腳架及掃描儀。(2)掃描儀調(diào)平及參數(shù)設(shè)置。(3)掃描及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。(4)移站。掃描過(guò)程中站點(diǎn)間距不超過(guò)10m。首站點(diǎn)掃描前需進(jìn)行站點(diǎn)位置確定，即以站點(diǎn)附近巷道中的兩個(gè)或以上基準(zhǔn)點(diǎn)作為后視點(diǎn)進(jìn)行定位。

3.3 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于激光測(cè)量獲取的激光點(diǎn)云坐標(biāo)是相對(duì)儀器本身的相對(duì)坐標(biāo)，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)前，需要將相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地空間直角坐標(biāo)[7]。在將I-Site SR3三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Maptek配套點(diǎn)云處理軟件Point Studio中，通過(guò)內(nèi)置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系之中，通過(guò)后視基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正完成首站點(diǎn)定位及后續(xù)站點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2)數(shù)據(jù)拼接與預(yù)處理

圖4 -280m水平42#站點(diǎn)拍攝的全景圖像

井下巷道環(huán)境復(fù)雜，為了避免掃描視角遮擋產(chǎn)生的盲區(qū)，通過(guò)控制測(cè)站間距使相鄰兩測(cè)站掃描測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在部分重疊，通過(guò)Point Studio軟件拼接算法將全部測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，全面地顯示掃描巷道巖體結(jié)構(gòu)。在井下巷道掃描過(guò)程中，由于光線、遮擋、振動(dòng)等因素的干擾，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要對(duì)這些噪點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除預(yù)處理。

3)結(jié)構(gòu)面識(shí)別與產(chǎn)狀信息獲取

基于拼接完成的巷道點(diǎn)云模型，為了便于對(duì)巷道壁面結(jié)構(gòu)面的觀察和識(shí)別，通常需對(duì)三維點(diǎn)云模型進(jìn)行剖面切割以及視角轉(zhuǎn)換等操作，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)面處部分點(diǎn)云進(jìn)行框選軟件可自動(dòng)識(shí)別結(jié)構(gòu)面，進(jìn)而通過(guò)平面法向量求得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。將獲取的結(jié)構(gòu)面幾何信息(跡長(zhǎng)、間距、產(chǎn)狀和空間分布)進(jìn)行分組和分類，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組。

4 結(jié)果分析

4.1 基于數(shù)字圖像的典型結(jié)構(gòu)面特征分析

圖4所示是三維掃描過(guò)程中全景線性數(shù)碼相機(jī)拍攝的站點(diǎn)360°全景圖像，該圖像可采用360°全景瀏覽工具進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景在室內(nèi)復(fù)原，同時(shí)可與點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的巷道模型對(duì)照進(jìn)行結(jié)構(gòu)面識(shí)別驗(yàn)證。圖5所示是井下礦-280 m水平巷道掃描過(guò)程中拍攝的部分典型巖體結(jié)構(gòu)面。圖5a所示巖體被傾斜節(jié)理切割成似層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育(可達(dá)8～10條/m)，巖體完整性較差。圖5b中所示巖體中含一夾層，可見(jiàn)明顯的夾層面。

圖5 井下巷道巖體典型結(jié)構(gòu)面

4.2 結(jié)構(gòu)面特征分析

圖6所示是基于Point Studio軟件建立的三維激光掃描點(diǎn)云巷道局部模型，基于巷道模型開(kāi)展結(jié)構(gòu)面識(shí)取。圖7所示圖中標(biāo)識(shí)了部分識(shí)別的結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息。通過(guò)對(duì)全部掃描巷道進(jìn)行結(jié)構(gòu)面識(shí)別并提取節(jié)理面特征數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1?；诠?jié)理特征數(shù)據(jù)，采用DIPS軟件繪制了節(jié)理極點(diǎn)密度圖，具體如圖8所示。從圖中可以看出，區(qū)域節(jié)理大致可分為3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，產(chǎn)狀分別為235°∠32°、63°∠70°和195°∠83°，與現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果基本符合。

圖6 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接建立的巷道三維模型

圖7 井下礦-280 m水平巷道局部點(diǎn)云模型

4.3 巷道支護(hù)策略及建議

通過(guò)對(duì)弓長(zhǎng)嶺井下礦巷道開(kāi)展巖體結(jié)構(gòu)特征調(diào)查，認(rèn)為該礦山巖體完整性整體較好，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。大部分巷道可以保持自穩(wěn)狀態(tài)無(wú)需支護(hù)，局部巷道因貫穿斷層或軟破夾層(綠泥巖)發(fā)生垮塌，

表1 井下礦-280m水平巷道巖體結(jié)構(gòu)面特征統(tǒng)計(jì)表

圖8 節(jié)理極點(diǎn)密度圖

采取了鋼筋混凝土襯砌或金屬拱架支護(hù)；部分與節(jié)理面走向平行的沿脈巷道因節(jié)理傾角陡立且呈層狀，存在片幫風(fēng)險(xiǎn)采用了錨桿支護(hù)。以上支護(hù)措施在弓長(zhǎng)嶺井下礦日常生產(chǎn)過(guò)程中解決上述特殊巖體結(jié)構(gòu)時(shí)起到了較好的效果，建議在后續(xù)的巷道及其他巖體工程施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行超前鉆孔探測(cè)，通過(guò)鉆孔巖芯了解工作面前方巖體結(jié)構(gòu)特征，為鉆爆參數(shù)優(yōu)化、及時(shí)制定合理支護(hù)方式提供依據(jù)，避免因爆破參數(shù)不合理導(dǎo)致的巷道壁面巖體過(guò)度損傷以及支護(hù)處理措施不及時(shí)導(dǎo)致的工期延誤影響正常生產(chǎn)。

5 結(jié)論

弓長(zhǎng)嶺井下礦是一座采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采的鐵礦山，高品質(zhì)富礦有效回收是礦山經(jīng)濟(jì)效益的有利保障。為了開(kāi)展深部富礦高效回采方法優(yōu)化研究，需要對(duì)區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)特征有深入了解。本文通過(guò)采用三維激光掃描方法對(duì)井下礦-280m水平主要巷道進(jìn)行了掃描并識(shí)別提取結(jié)構(gòu)面特征，得出以下結(jié)論：

(1)三維激光掃描技術(shù)可有效提高井下礦山巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查作業(yè)效率及安全性，值得在地下礦山中推廣應(yīng)用。

(2)掃描區(qū)域巷道優(yōu)勢(shì)節(jié)理可分3組，產(chǎn)狀分別為235°∠32°、63°∠70°和195°∠83°。

(3)弓長(zhǎng)嶺井下礦區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)以節(jié)理面為主，部分區(qū)域受斷層或軟破夾層影響穩(wěn)定性較差，需采取加強(qiáng)支護(hù)。