基于3GSM 的露天采場邊坡巖體結(jié)構(gòu)面識別與分析

亢建民，鐘小宇，衣瑛，楊雷，霍本用

(1.鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司， 遼寧 鞍山市 114000；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

露天采場開挖形成高陡巖體邊坡，為了系統(tǒng)分析采場邊坡穩(wěn)定性，需要對邊坡巖體結(jié)構(gòu)、裂隙分布和發(fā)育情況進行調(diào)查分析[1]。傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場接觸測量法存在低效、費力、耗時較長等缺點，難以滿足現(xiàn)代快速施工的要求。因此，在邊坡巖體結(jié)構(gòu)面測量和調(diào)查方面，國內(nèi)外學(xué)者先后提出和應(yīng)用了一些快速、高效、先進的非接觸性測量方法。例如，劉昌軍等[2]以力丘河某邊坡裸露巖體結(jié)構(gòu)面為例，綜合實地測量、資料整理以及數(shù)據(jù)分析對三維激光掃描儀測得邊坡巖體數(shù)據(jù)進行半自動快速統(tǒng)計，實現(xiàn)對邊坡快速精確測量。周春霖等[3]利用改進的攝像機姿態(tài)獲取方法對隧道及邊坡進行現(xiàn)場測試，實現(xiàn)了對工作面巖體狀況簡便、精確的非接觸測量。劉子俠等[4]采用數(shù)字近景測量法對長春市凈月北山二采石場邊坡進行現(xiàn)場測量，獲取三維地質(zhì)信息，并基于三維信息進行建模和分析。朱承金等[5]為提高邊坡結(jié)構(gòu)面信息獲取過程的安全性及測量結(jié)果的準確性，采用無人機多角度攝影測量技術(shù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息，得出邊坡結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)以及出露跡線長度。

三維不接觸測量系統(tǒng)是一種可用于地球科學(xué)、土木工程、水利工程等領(lǐng)域的物理性能測試儀器，可實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)及變形的遠程不接觸測量。本文擬利用3GSM巖體結(jié)構(gòu)面三維不接觸測量系統(tǒng)對鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場邊坡巖體結(jié)構(gòu)面空間分布特征進行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，實現(xiàn)邊坡巖體結(jié)構(gòu)空間三維重構(gòu)和可視化分析。

1 3GSM 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由JointMetriX3D 和ShapeMetriX3D 兩部分組成，包含一個可進行高分辨率立體攝像的照相機、可生成三維圖像的模型重建軟件和實現(xiàn)三維圖像交互式空間可視化分析的軟件包。軟件系統(tǒng)可擔(dān)任不同角度的圖像處理工作，實現(xiàn)邊坡巖體表面真三維模型的重構(gòu)。在計算機可視化屏幕上對測得的三維實體圖像進行全方位觀察，利用計算機進行交互式操作，以實現(xiàn)邊坡巖體獨立結(jié)構(gòu)面的識別、定位、擬追蹤以及幾何形態(tài)參數(shù)的獲取工作，并對相交冗雜的巖體結(jié)構(gòu)進行分級、分組以及幾何參數(shù)統(tǒng)計。

1.2 成像系統(tǒng)和圖像處理

ShapeMetriX3D 使用一個無支架的校準單反相機從兩個角度對指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)成像，并利用像素匹配技術(shù)對三維幾何圖像進行合成，其中幾何圖像分辨率是測量區(qū)域面積毫米/3872×2592 像素。JointMetriX3D 是由基于旋轉(zhuǎn)的CCD 線掃描照相機（10000 萬像素）和分析軟件構(gòu)成。成像系統(tǒng)安裝在一個三腳架上，當(dāng)輪換單位轉(zhuǎn)動折線傳感器時，該系統(tǒng)可逐步進行全景圖像的獲取。

當(dāng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的幾何形狀較為龐大復(fù)雜時，需要兩個系統(tǒng)組合使用，其中 JointMetriX3D系統(tǒng)用來制作全面積的三維基準（定位）模型，而ShapeMetriX3D 系統(tǒng)對三維圖像進行細節(jié)處的精細化測量。

2 結(jié)構(gòu)面測量

2.1 調(diào)查點位置選取

啞巴嶺露天采場位于太古代鞍山群變質(zhì)巖系組成的鞍山復(fù)向斜的東北翼，呈北西—南東走向。露天采場內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，礦區(qū)內(nèi)規(guī)模不大的斷裂構(gòu)造比較發(fā)育。

啞巴嶺采區(qū)全長1215 m，一期露天底標(biāo)高為?132 m，礦區(qū)地層主要為前震旦紀鞍山群、遼河群變質(zhì)巖系、混合巖及第四系地層。邊坡裂隙測量地點主要選擇沒有被堆積體覆蓋或很少覆蓋、結(jié)構(gòu)面裂隙比較清晰的邊坡面。根據(jù)實際情況，選取位于啞巴嶺采場西南幫的C 區(qū)進行結(jié)構(gòu)面裂隙的調(diào)查和分析。圖1 為啞巴嶺采場的測點分布圖。重點針對C區(qū)1#～3#、10#～14#測點進行測量，其中1#～3#測點為千枚巖區(qū)域，10#～14#測點為假象赤鐵石英巖區(qū)域。

圖1 巷道支護斷面圖

2.2 采場結(jié)構(gòu)面測量

攝影測量前，先用羅盤量出巖體表面上一塊較為明顯平滑的結(jié)構(gòu)面傾向，以此作為其他結(jié)構(gòu)面的參考方位。調(diào)整標(biāo)桿三腳架長度，使標(biāo)桿與地面垂直，然后在結(jié)構(gòu)面的左側(cè)和右側(cè)選取一相對平整的表面，將三腳架架在穩(wěn)固安全地帶，使兩次攝影時的標(biāo)桿位置盡可能處于同一水平，每次掃描中最好布置兩個在同一條直線上的靶標(biāo)點，同時在兩次相鄰掃描數(shù)據(jù)中至少應(yīng)有一個重合點，只有這樣才能保證數(shù)據(jù)的正確拼接。從左右兩個視角對該結(jié)構(gòu)面范圍區(qū)域進行攝影，鏡頭所測巖體的距離D以及2次成像位置之間的距離B應(yīng)滿足B=D/8～D/5，故選取D為6 m，B為1 m。攝影結(jié)束后，將左右視圖導(dǎo)入軟件系統(tǒng)并通過像素匹配技術(shù)將左右兩個角度拍攝的影像進行三維模型合成，再根據(jù)三維模型信息繪制赤平投影圖和各組結(jié)構(gòu)面跡線分布圖。

以測點1 為例（其余測點均按照測點1 的測量方法測量和數(shù)據(jù)處理方式進行分析），圖2 為測點1的實測圖片，生成的三維模型見圖3，邊坡巖體內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面分布如圖4 所示，圖5、圖6 分別為巖體結(jié)構(gòu)面分組情況及統(tǒng)計分析結(jié)果。

圖2 測點1 實測照片

圖3 測點1 結(jié)構(gòu)面三維模型

圖4 測點1 結(jié)構(gòu)面分布

圖5 結(jié)構(gòu)面的赤平投影

圖6 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析結(jié)果

3 測量結(jié)果及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計研究

3.1 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析

為了統(tǒng)一比較，所有測點的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀三維不接觸測量結(jié)果匯總見表1，其中1#～3#測點為千枚巖區(qū)域，10#～14#測點為假象赤鐵石英巖區(qū)域。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析結(jié)果匯總

3.2 測量結(jié)果分析

根據(jù)分析結(jié)果，從整體來看，測點1#～3#范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)面存在一定的規(guī)律性，主要集中分布在NW、SE 兩個方向。其中，結(jié)構(gòu)面組數(shù)最多的為傾向NW，結(jié)構(gòu)面普遍較陡，優(yōu)勢傾角為87°；而傾向SE 方向的結(jié)構(gòu)面較陡，優(yōu)勢傾角為89°；次產(chǎn)狀主要分布在SW 方向，傾角為59°?？傮w來講，優(yōu)勢產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面分布為307°∠87°、134°∠89°，次產(chǎn)狀為266°∠59°。

測點10#～14#范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)面亦存在一定的規(guī)律性，主要集中分布于NW、NE 兩個方向。其中，結(jié)構(gòu)面組數(shù)最多的為傾向NW，結(jié)構(gòu)面普遍較陡，優(yōu)勢傾角為60°；而傾向NE 方向的結(jié)構(gòu)面亦較陡，優(yōu)勢傾角為74°；次產(chǎn)狀主要分布在SW方向，傾角為87°?？傮w來講，優(yōu)勢產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面分布為344°∠60°、22°∠74°，次產(chǎn)狀為207°∠87°。

4 結(jié)論

（1）3GSM 三維不接觸測量系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工現(xiàn)場接觸測量法存在低效、費力、耗時較長等缺點，快速實現(xiàn)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面不接觸測量以及巖體結(jié)構(gòu)的空間三維重構(gòu)和可視化分析。

（2）采用3GSM 三維不接觸測量系統(tǒng)，獲得了啞巴嶺露天采場C區(qū)不同巖性區(qū)域測點的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)和幾何特征，揭示了不同巖性區(qū)域巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布規(guī)律與特征，為露天采場破碎巖體邊坡穩(wěn)定性分析與變形防控提供基礎(chǔ)支撐。