基于立體成像技術(shù)的礦山巖體質(zhì)量快速分級(jí)方法研究

王培濤，馬馳，劉智超，蔡美峰

摘要：巖體質(zhì)量分級(jí)是判斷巖體質(zhì)量好壞，保障礦山工程安全和合理開展的重要基礎(chǔ)工作。采用立體成像技術(shù)，從巖體圖像信息分析和三維點(diǎn)云信息識(shí)別出發(fā)，通過分析點(diǎn)云空間三維信息得到了巖體的結(jié)構(gòu)面分布情況，基于巖體表面圖像信息分析得到了節(jié)理形態(tài)、風(fēng)化程度等信息;提出了基于RMR法的節(jié)理巖體質(zhì)量快速分級(jí)方法，并結(jié)合節(jié)理巖體實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用可行性探討。該方法能夠?yàn)閹r體質(zhì)量分級(jí)初步的快速判別和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué);巖體質(zhì)量分級(jí);立體成像;三維點(diǎn)云;RMR法

中圖分類號(hào)：TD235文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2022）03-0027-06doi：10.11792/hj20220306

引 言

隨著淺部礦產(chǎn)資源逐年減少，深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用正成為獲取資源的主要途徑。節(jié)理巖體所處的深部地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，處在“三高”（高應(yīng)力、高地溫、高水壓）環(huán)境下，查清其力學(xué)性質(zhì)是開展工程穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體的巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和水文環(huán)境等條件，通過一定的量化方法進(jìn)行分級(jí)的工作，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程巖體進(jìn)行初判的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，是預(yù)測(cè)巖體力學(xué)性質(zhì)的重要途徑之一，受到越來越多巖土工作者的重視[1-6]。

開展巖體質(zhì)量分級(jí)的前提是各項(xiàng)指標(biāo)要簡(jiǎn)單易測(cè)，以便能夠方便地應(yīng)用于巖體工程。常見的巖體分級(jí)方法包括巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD法（RQD法）、巖體評(píng)分RMR法（RMR法）、Q系統(tǒng)分類法、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ法（BQ法）及基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)法（GSI法）等。這些方法主要考慮的參數(shù)指標(biāo)分為3個(gè)方面：①結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度，即完整巖石的強(qiáng)度;②結(jié)構(gòu)面的條件，包括結(jié)構(gòu)面的密集程度、風(fēng)化程度、填充物強(qiáng)度等;③巖體所處的水文應(yīng)力環(huán)境，如地應(yīng)力、滲水等情況。不同方法所考慮的指標(biāo)及權(quán)重不同，如RQD法從鉆孔取心的完整性角度來判斷巖體的質(zhì)量，這一方法能夠反映巖石的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距（密集程度）及結(jié)構(gòu)面填充物的強(qiáng)弱等信息;RMR法則是既考慮了RQD指標(biāo)，還考慮了巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面密集程度、節(jié)理?xiàng)l件、滲水條件和節(jié)理與工程的走向關(guān)系，其包含6項(xiàng)計(jì)算指標(biāo);GSI法主要考慮了結(jié)構(gòu)面的密集程度（或巖體被不連續(xù)面切割程度）和風(fēng)化狀況。

進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)的常規(guī)方法是開展巖石的室內(nèi)力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)合測(cè)線法或結(jié)構(gòu)面攝影測(cè)量技術(shù)開展結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)的常規(guī)獲取方法，得到目標(biāo)指標(biāo)的計(jì)算值。陳贊成等[7]對(duì)呼的合銅礦巖體開展了巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)工作，采用測(cè)線法對(duì)礦區(qū)巖體開展了長(zhǎng)度52 m、總計(jì)277條節(jié)理裂隙的調(diào)查分析。王樂華等[8]針對(duì)RMR法評(píng)價(jià)體系中的巖石強(qiáng)度、RQD值和結(jié)構(gòu)面間距取值進(jìn)行了修正，實(shí)現(xiàn)了評(píng)分的連續(xù)性。岳中琦[9]提出了利用鉆孔全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的鉆孔過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)來完善和提升現(xiàn)有的工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，能夠快捷地測(cè)量或計(jì)算得到巖石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度，界面斷面的產(chǎn)狀、延伸、平整度、厚度和充填物質(zhì)的物理和力學(xué)性質(zhì)。學(xué)者針對(duì)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了一系列改進(jìn)，但是在現(xiàn)場(chǎng)眾多礦山實(shí)際應(yīng)用中，還多采用傳統(tǒng)的方法[10]，尤其在結(jié)構(gòu)面調(diào)查方面統(tǒng)計(jì)工作量很大。閆長(zhǎng)斌等[11]針對(duì)含層間剪切帶的層狀巖體，提出了巖體質(zhì)量分級(jí)修正方法，將剪切帶層厚度分為大于10 cm和小于10 cm 2種，并給出了相應(yīng)的定量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。隨著工程勘查速度的提高，像測(cè)線法這種近距離式測(cè)量方法的工作量大、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)日益明顯，逐漸難以滿足大規(guī)模巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的要求，也成為了難以普遍開展巖體質(zhì)量調(diào)查的主要阻礙，因此亟需研究能夠提高巖體質(zhì)量分級(jí)效率的方法并推廣應(yīng)用。

開展巖體質(zhì)量調(diào)查是查清巖體工程特性的前提，開展更加快捷可靠的巖體質(zhì)量分級(jí)是保障巖體工程穩(wěn)定性的重要工作。本文采用雙目立體成像技術(shù)，利用MATLAB編程平臺(tái)開展了巖體三維結(jié)構(gòu)識(shí)別和RMR巖體質(zhì)量快速分級(jí)法研究。通過立體成像建模實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面點(diǎn)云的產(chǎn)狀信息分析，實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、間距、體積密度等信息的快速化識(shí)別與優(yōu)化;進(jìn)一步對(duì)采集到的巖體圖像信息進(jìn)行識(shí)別和分析，初步得到巖體表面滲水信息、風(fēng)化信息的典型灰度變換規(guī)律，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)獲取RMR指標(biāo)值的巖體質(zhì)量快速分析法，并探討了該方法的工程應(yīng)用可行性。

1 巖體質(zhì)量快速分級(jí)法原理

1.1 RMR法巖體質(zhì)量分級(jí)

本文以RMR法為基礎(chǔ)開展了基于立體成像的礦山巖體質(zhì)量快速分級(jí)方法研究，RMR法由Bieniawski提出并改進(jìn)[12-13]，RMR法采用5項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行巖體分級(jí)，即完整巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)面間距、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面條件、地下水條件等計(jì)算出巖體質(zhì)量情況，經(jīng)過修正后得到標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)數(shù)。其中，各個(gè)基本參數(shù)的具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

根據(jù)表1得到RMR基本評(píng)分值后，根據(jù)工程布置與巖體結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，還需要修正RMR指標(biāo)，修正依據(jù)如表2、表3所示。最后，根據(jù)表4可以得到巖體質(zhì)量和分級(jí)結(jié)果，并基于分級(jí)情況開展巖體穩(wěn)定性和剪切強(qiáng)度的初步評(píng)估。

1.2 RMR法指標(biāo)獲取方法

RMR法考慮了巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)面情況和巖體所處的水環(huán)境條件。在進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)考慮了6個(gè)方面指標(biāo)，其中巖石強(qiáng)度可以直接通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)或原位點(diǎn)荷載試驗(yàn)獲取;結(jié)構(gòu)面信息比較普遍的獲取方式是采用測(cè)線法、結(jié)構(gòu)面攝影測(cè)量技術(shù)（如ShapeMetrix3D、Sirovision等）或三維激光掃描技術(shù)，通過開展結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)勘查、信息處理、數(shù)據(jù)分析，得到必要的結(jié)構(gòu)面空間幾何數(shù)據(jù)，這些方法需要后期開展大量的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)工作。對(duì)于地下水條件如一般條件（完全干燥或潮濕），可以通過現(xiàn)場(chǎng)的勘查進(jìn)行評(píng)價(jià)，隧道涌水量和節(jié)理滲水壓力需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的涌水量測(cè)量結(jié)果，并結(jié)合地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析。整體上，目前礦山工程中普遍采用的RMR法效率略低，相對(duì)滯后于巖體工程快速施工的需求。

1.3 基于立體相機(jī)的巖體信息識(shí)別

為了提高基于RMR法的礦山巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)方法的效率，本文探索了采用雙目立體攝像系統(tǒng)開展巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)輔助分析研究?；贚enaCV雙目立體相機(jī)開展巖體信息識(shí)別原理如圖1所示。通過

該相機(jī)不僅可以獲取成對(duì)匹配的左、右圖像，還可以得到連續(xù)的巖體表面視頻信息，能夠?yàn)閹r體連續(xù)、大范圍的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供有效數(shù)據(jù)。首先，對(duì)于獲得的巖體圖像，可以直接得到非常豐富的信息，包括巖體的表面條件（巖石基質(zhì)的風(fēng)化情況）、結(jié)構(gòu)面基本情況（結(jié)構(gòu)面粗糙情況、節(jié)理的寬度或張開度）、水文環(huán)境信息（巖體表面的干燥、潮濕情況，節(jié)理的滲水情況等）;采用雙目立體相機(jī)可以通過雙目圖像立體建模，得到三維巖體表面的點(diǎn)云信息，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析，可以得到結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、密度、產(chǎn)狀（傾向和傾角）和間距等重要信息[14-16]。

點(diǎn)云是指在某一坐標(biāo)參考系下描述目標(biāo)空間位置分布的海量數(shù)據(jù)的集合，是物體表面一批空間點(diǎn)構(gòu)成的集合的幾何表達(dá)。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以包括三維坐標(biāo)：即表面的空間分布信息、RGB色彩、掃描方向等信息?；陔p目立體視覺的三維點(diǎn)云分析是開展巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)的基礎(chǔ)。一方面，可以得到巖體的表面顏色信息，根據(jù)像素信息的識(shí)別和訓(xùn)練，能夠?yàn)檑E線分布、表面風(fēng)化、滲水等多種信息的有效識(shí)別提供可靠方法;另一方面，基于雙目立體成像分析方法，能夠得到巖體表面三維點(diǎn)云信息。

筆者基于三維點(diǎn)云得到了結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和分組信息[17]，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面的密度和間距信息的自動(dòng)識(shí)別（如圖2所示），根據(jù)點(diǎn)云的空間分布，可以通過夾角閾值來判斷結(jié)構(gòu)面分組信息和產(chǎn)狀信息;同時(shí)，通過聚類分析可以開展結(jié)構(gòu)面點(diǎn)組聚類和空間距離判斷，能夠?yàn)榛谌S點(diǎn)云信息開展結(jié)構(gòu)面信息快速識(shí)別和巖體質(zhì)量分級(jí)提供可靠的方法。

2 基于三維點(diǎn)云信息的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 基于RMR法的巖體質(zhì)量分級(jí)方法

基于RMR法的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)取值原理如圖3所示。對(duì)于RMR法的5個(gè)指標(biāo)中，關(guān)于結(jié)構(gòu)面間距取值可由點(diǎn)云信息識(shí)別結(jié)果獲取，巖體結(jié)構(gòu)面信息可以通過分析三維點(diǎn)云信息得到。首先確定各點(diǎn)云法向量，然后根據(jù)法向量夾角進(jìn)行點(diǎn)云分組，得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息;再根據(jù)聚類分析把點(diǎn)組分為點(diǎn)簇，得到巖體密度、巖體結(jié)構(gòu)面間距、巖體結(jié)構(gòu)面斷距及巖體近似體積等信息。對(duì)于強(qiáng)度及RQD值等其他4個(gè)參數(shù)可以按照測(cè)試結(jié)果輸入打分分級(jí)系統(tǒng)。例如：在對(duì)完整巖石強(qiáng)度進(jìn)行打分時(shí)，已知的是單軸抗壓強(qiáng)度，就可以選擇人工輸入單軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)完整巖石強(qiáng)度的打分;同理RQD指標(biāo)也可以通過人工輸入實(shí)現(xiàn)，此時(shí)可以得到RMR法初步打分結(jié)果;當(dāng)選擇需要修正時(shí)，通過相關(guān)修正條件，可得到最終RMR法分級(jí)打分結(jié)果，這種方法能夠提高巖體質(zhì)量分級(jí)的分析速度，一定程度減少人工計(jì)算工作量，提高了巖體質(zhì)量分級(jí)的效率。

2.2 基于RMR法的巖體質(zhì)量分級(jí)程序?qū)崿F(xiàn)

對(duì)某一礦山工程巖體開展質(zhì)量分級(jí)分析。巖體中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為175 MPa，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值為80 %，根據(jù)點(diǎn)云信息分析結(jié)果（如圖2所示），結(jié)構(gòu)面平均間距為215 mm;結(jié)合巖體表面圖像分析，得到結(jié)構(gòu)面風(fēng)化嚴(yán)重，表面滲水情況顯著（水壓<0.1 MPa），且根據(jù)結(jié)構(gòu)面角度和巷道走向，方向判斷非常有利。用戶輸入的參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。

相關(guān)程序的運(yùn)行結(jié)果如圖4所示，修正后的RMR指標(biāo)為69，分級(jí)結(jié)果為Ⅱ級(jí)，巖體質(zhì)量非常好。需要指出的是，程序中的完整巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面條件和地下水條件需要人工干預(yù)，即提前輸入相關(guān)條件;結(jié)構(gòu)面間距信息基于立體成像后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，最終實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的巖體質(zhì)量快速分級(jí)和評(píng)價(jià)。在下一步研究中，需要進(jìn)一步開展相關(guān)指標(biāo)的自動(dòng)評(píng)價(jià)方法研究，研究巖體表面圖像與滲水、風(fēng)化乃至強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，為全自動(dòng)的巖體質(zhì)量快速分級(jí)工作提供更便捷、可靠的方法。

2.3 討 論

采用雙目立體攝像系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以采集工程視頻信息，視頻信息不僅包含了圖像的所有信息，同時(shí)還可以收集多幀巖體圖像，因此理論上能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的礦山巖體質(zhì)量分級(jí)和評(píng)價(jià)?；谝曨l的巖體表面節(jié)理跡線快速識(shí)別和分析結(jié)果如圖5所示，該技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣泛。例如：可以將技術(shù)成熟的雙目立體攝像系統(tǒng)及處理軟件集成布置在工人的安全帽或其他便攜裝備上，實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域（巷道、采場(chǎng)等）實(shí)時(shí)的巖體信息采集、識(shí)別和質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)，將大大減少專門開展巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的工作量，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)新鮮揭露巖體質(zhì)量的及時(shí)分析。

目前，筆者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于節(jié)理跡線產(chǎn)狀信息的快速識(shí)別（如圖6所示），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體揭露的節(jié)理跡線，實(shí)現(xiàn)了平滑出露結(jié)構(gòu)面跡線的識(shí)別，配合三維點(diǎn)云的結(jié)構(gòu)面信息分析結(jié)果，將能夠更充分分析巖體結(jié)構(gòu)面的分布特征。后續(xù)工作將進(jìn)一步完成基于視頻的結(jié)構(gòu)面點(diǎn)云連續(xù)建模和信息快速分析，以期為基于立體成像技術(shù)的礦山巖體質(zhì)量分級(jí)提供更加快速的分析方法。

另外，對(duì)于一些指標(biāo)的輸入方法，RQD值和巖石強(qiáng)度采用人工輸入的方式，在下一步研究中，可以研究RQD值與結(jié)構(gòu)面分布的關(guān)聯(lián)性、巖體強(qiáng)度與表面材質(zhì)（顏色、破碎情況）等的定量關(guān)系，初步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷，最終實(shí)現(xiàn)巖體質(zhì)量分級(jí)的完全自動(dòng)分析。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于立體成像技術(shù)的RMR法巖體質(zhì)量快速分級(jí)及評(píng)價(jià)分析方法，基于MATLAB實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)?；趲r體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距、體積密度等識(shí)別信息，結(jié)合用戶輸入巖石強(qiáng)度參數(shù)、滲水、風(fēng)化等其他指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了巖體質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)，本研究為開展工程節(jié)理巖體質(zhì)量的半自動(dòng)評(píng)價(jià)提供了參考方法。本文提出的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)打分指標(biāo)獲取并未實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化，后續(xù)應(yīng)開展巖體多尺度圖像信息與巖體條件、強(qiáng)度等信息的關(guān)聯(lián)性研究，實(shí)現(xiàn)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的快速、智能化，為礦山工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)工作提供快捷、可靠的分析方法和平臺(tái)。

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Study of mine rock mass quality rapid grading method based on stereoimaging technology

Wang Peitao1，2，3，Ma Chi1，3，Liu Zhichao1，3，Cai Meifeng1，3

（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine，University of Science

and Technology Beijing; 2.State Key Laboratory for Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining;

3.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：Rock mass quality grading is important basic work to judge the rock mass quality and guarantee safe and reasonable mine engineering.Stereoimaging technology is used，the rock mass image information is analyzed and 3D point cloud information is recognized.The rock mass structural face distribution is obtained by analyzing point cloud spatial 3D information.Based on rock mass surface image information analysis，the joint morphology and weather-ing conditions are obtained.The joint rock mass quality rapid grading method is proposed based on RMR，whose feasibility has been discussed in the case study of joint rock mass.The method can provide reference for preliminary rapid judgment and application of rock mass quality grading.

Keywords：rock mechanics;rock mass quality grading;stereoimaging;3D point cloud;RMR method