基于數(shù)字攝影測量的巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取及巖體質(zhì)量評價

徐 東，范文濤

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

引 言

在地質(zhì)構(gòu)造作用影響下，巖體中往往存在著大量的軟弱結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面很大程度上決定巖體的力學(xué)特征和穩(wěn)固程度，一直都是工程巖體質(zhì)量評價中的重點關(guān)注對象。許多學(xué)者進行了相關(guān)報道，胡德茂等[1]利用分形理論對巖體內(nèi)部原生節(jié)理的分布特征進行了研究，結(jié)果表明分形維數(shù)(D)可以作為巖體質(zhì)量評價的分級指標。白志華等[2]采用三維激光掃描技術(shù)識別了震損邊坡的巖體結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙，應(yīng)用BQ巖體質(zhì)量評價體系，建立了震損邊坡工程巖體質(zhì)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(zhì)調(diào)查和分析，并采用MRMR-2000分級系統(tǒng)和Q分級系統(tǒng)分別對礦體上下盤圍巖進行了巖體質(zhì)量評價。

目前，國內(nèi)外常用結(jié)構(gòu)面信息獲取方法有測線法、三維激光掃描技術(shù)、精測法、鉆孔巖心節(jié)理采集法等，但這些測量方法在現(xiàn)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(jié)果差等問題，很難滿足現(xiàn)代化施工進度要求[4]?；诖?，數(shù)字攝影測量技術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字攝影測量技術(shù)是一種全新、高效、準確、不接觸的巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取技術(shù)[5-7]。其顯著優(yōu)點是根據(jù)攝影測量結(jié)果，可直接獲取巖體結(jié)構(gòu)面的傾角、跡長等信息數(shù)據(jù)，并建立攝影測量范圍內(nèi)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(nèi)巖體表面的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況和延展信息。

本文通過應(yīng)用數(shù)字攝影測量技術(shù)，對赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司(下稱“柴胡欄子金礦”)Ⅴ號脈礦巖進行結(jié)構(gòu)面信息調(diào)查，再結(jié)合巖石力學(xué)試驗結(jié)果，采用BQ巖體質(zhì)量評價體系對Ⅴ號脈礦巖進行工程巖體質(zhì)量分級研究，以期為采礦方法選擇提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

柴胡欄子金礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市松山區(qū)初頭朗鎮(zhèn)，礦區(qū)標高為850～1 280 m，相對高差為430 m，氣候?qū)儆诎敫珊荡箨懶詺夂?，年降水?05.30～740 mm，平均530 mm。礦區(qū)及其外圍褶皺發(fā)育，斷層主要為北西向。

礦區(qū)Ⅴ號脈位于區(qū)域成礦構(gòu)造破碎帶內(nèi)，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(jù)礦區(qū)地質(zhì)報告，Ⅴ號脈礦體和圍巖均較破碎，上盤圍巖內(nèi)有破碎帶，下盤圍巖內(nèi)有F1斷層，礦巖穩(wěn)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(chǎn)造成了很大壓力。

基于此，為了確保采場內(nèi)施工人員和設(shè)備的安全，必須對Ⅴ號脈礦巖進行結(jié)構(gòu)面信息測量和工程巖體質(zhì)量評價，以便選擇更加安全的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和采礦工藝，從而實現(xiàn)柴胡欄子金礦更安全、更高效的生產(chǎn)目標。

2 結(jié)構(gòu)面信息獲取

2.1 數(shù)字攝影測量原理

利用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統(tǒng)獲?、跆柮}礦巖結(jié)構(gòu)面信息，該測量系統(tǒng)實質(zhì)是基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，將巖體數(shù)字信息進行整理，進而得到巖體結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀等信息。其原理是從巖體不同角度對指定區(qū)域進行數(shù)字成像，利用三維重構(gòu)技術(shù)建立巖體表面三維模型，經(jīng)后期處理獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息，主要包括節(jié)理傾向、傾角、跡長、間距、斷距、線密度、體積節(jié)理和分布率等參數(shù)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(tǒng)三維圖像合成原理

2.2 礦巖結(jié)構(gòu)面信息測量及結(jié)果

2.2.1 測點布置

此次礦巖結(jié)構(gòu)面信息調(diào)查區(qū)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(qū)域包括采場、上下盤圍巖及部分探礦穿脈等。

2.2.2 測量結(jié)果

利用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統(tǒng)分別對Ⅴ號脈礦巖13中段至14中段各測點進行現(xiàn)場測量，將得到的各測點左、右視圖分別導(dǎo)入ShapeMetrix3D軟件分析系統(tǒng)進行后期處理。在進行處理時，ShapeMetrix3D軟件會圈定出重點測量區(qū)域，并利用像素點匹配、圖像變形偏差糾正等一系列技術(shù)，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(jié)構(gòu)面調(diào)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(jié)理識別，識別完成后，ShapeMetrix3D軟件會根據(jù)分組原理對節(jié)理識別結(jié)果進行自動分組，并以不同的顏色進行組別區(qū)分。另外，ShapeMetrix3D軟件還會基于節(jié)理分組識別結(jié)果對每組節(jié)理信息進行統(tǒng)計分析，獲取結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、跡長、間距和線密度等信息。

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

圖3 節(jié)理分組識別結(jié)果

表1 測點11結(jié)構(gòu)面參數(shù)信息

將結(jié)構(gòu)面參數(shù)進行統(tǒng)計分析，獲取各節(jié)理組參數(shù)的均值情況，測點11處礦巖結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，測點11處統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢產(chǎn)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(jié)構(gòu)面特征參數(shù)

2.2.3 數(shù)理統(tǒng)計分析

結(jié)構(gòu)面密度是指單位尺度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的數(shù)目，它反映了結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度及巖體的完整性，是巖體質(zhì)量評價的基本內(nèi)容之一。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的空間展布，對其進行數(shù)理統(tǒng)計計算，計算結(jié)構(gòu)面的體密度。經(jīng)測量，測點11處的結(jié)構(gòu)面信息：第一組節(jié)理結(jié)構(gòu)面共11條，線密度為4.76條/m；第二組節(jié)理結(jié)構(gòu)面共12條，線密度為5.85條/m；第三組節(jié)理結(jié)構(gòu)面共9條，線密度為7.16條/m。根據(jù)經(jīng)驗公式，體密度為17.77條/m3。

根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)圖4可以清晰地看出測點11處每組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀分布。限于篇幅，就不再對其他測點處結(jié)構(gòu)面信息的獲取過程及結(jié)果進行一一敘述。

圖4 測點11赤平極射投影圖

3 巖體力學(xué)試驗

采礦工程涉及到的巖土工程往往規(guī)模巨大，而且條件極其復(fù)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(zhì)構(gòu)造的巖石為對象，巖體力學(xué)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(zhì)體，它經(jīng)過多次反復(fù)地質(zhì)作用，經(jīng)受過變形，遭受過破壞，形成一定的巖石成分和結(jié)構(gòu)，賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中，巖石的力學(xué)性質(zhì)，包括強度特征、變形特征和穩(wěn)定性特征等均會對采礦活動產(chǎn)生影響。另一方面，由于采礦工程是一個動態(tài)開挖過程，巖體力學(xué)性質(zhì)會隨著工程尺寸和開挖方向的不同而變化，同時環(huán)境因素也是影響其性質(zhì)的重要因素。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)能夠為地下開采中巷道和采場圍巖的穩(wěn)定性及開采優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；诖?，開展了柴胡欄子金礦巖體力學(xué)性質(zhì)測試。

巖體物理力學(xué)性質(zhì)的測定特別是強度指標的測定主要分為2類：一類是現(xiàn)場點荷載試驗，另一類是室內(nèi)巖石力學(xué)試驗。此次研究中，通過對Ⅴ號脈礦巖結(jié)構(gòu)面測量區(qū)域進行點荷載試驗，分別獲得了不同測量區(qū)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(jù)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(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)。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(nèi)的巖石所受力接近壓應(yīng)力，形成壓應(yīng)力區(qū)。

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(yīng)力，形成彈性拉應(yīng)力區(qū)。

在拉應(yīng)力區(qū)，加載點附近的巖石產(chǎn)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(fā)展，并最終與彈性拉應(yīng)力區(qū)相連接，試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生劈裂。

3.1.2 點荷載試驗過程

1)試驗設(shè)備。點荷載試驗儀，直尺，地質(zhì)錘，數(shù)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(qū)域與巖體結(jié)構(gòu)面的測量區(qū)域一致，根據(jù)現(xiàn)場情況，每個測點內(nèi)用地質(zhì)錘采集多個試件，試件采集應(yīng)盡量具有代表性。試件尺寸符合國標對點荷載不規(guī)則試件的規(guī)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(xiàn)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(wěn)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(jù)破壞面篩選有效數(shù)據(jù)。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(jié)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(shù)；m為修正指數(shù)，這里取0.45。

3.2 點荷載試驗結(jié)果

本次現(xiàn)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(jù)試件破壞形式篩選點荷載試驗是否有效，最終得到有效數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)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(wěn)定性也相應(yīng)較高。節(jié)理對巖體的穩(wěn)定性有很大影響，評價巖體的整體強度和穩(wěn)定性還需結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的結(jié)果。

4 巖體質(zhì)量評價

巖體質(zhì)量和巖體穩(wěn)定性評價與巖體工程設(shè)計、施工是相互作用、相輔相成的關(guān)系。在巖體工程設(shè)計之前，對巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性評價是必不可少的工作。正確地對工程巖體穩(wěn)定性作出評價，是巖體開挖和加固支護設(shè)計、快速施工及保證生產(chǎn)安全必不可少的條件。采礦方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇等都是直接建立在工程巖體質(zhì)量等級和穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上。因此，開展巖體質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(wěn)定的影響，用2個指標計算出巖體基本質(zhì)量指標BQ值。巖體基本質(zhì)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(shù)，可由巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)計算得出，計算公式如下[10]：

(6)

式中：Jv為巖體體積節(jié)理數(shù)，指單位體積內(nèi)所含節(jié)理(結(jié)構(gòu)面)條數(shù)，可由三維不接觸測量系統(tǒng)(ShapeMetrix3D)得到。

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

表3 BQ巖體基本質(zhì)量分級標準

4.2 Ⅴ號脈礦巖質(zhì)量評價結(jié)果

將前面得到的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)結(jié)果和巖體力學(xué)參數(shù)分別代入BQ巖體質(zhì)量評價體系，便可得到柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖的巖體質(zhì)量評價結(jié)果。各測點巖體質(zhì)量評價結(jié)果見表4。

表4 Ⅴ號脈礦巖各測點巖體質(zhì)量評價結(jié)果

由以上巖體質(zhì)量分級結(jié)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(qū)域有明顯水滴出現(xiàn)。下盤圍巖為Ⅲ級巖體，巖石堅硬，巖體較完整，水環(huán)境比較潮濕。Ⅴ號脈礦體整體為Ⅲ級巖體，局部破碎區(qū)域為Ⅳ級巖體，巖石堅硬，巖體較破碎，部分區(qū)域有明顯斷層穿過。

5 工程應(yīng)用

由Ⅴ號脈礦巖巖體質(zhì)量評價結(jié)果可知：礦體上盤圍巖破碎，屬于Ⅳ級巖體，應(yīng)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(yè)時具有很大的靈活作業(yè)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(xiàn)了廢料的重復(fù)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(yōu)先選用充填采礦法，后續(xù)具體選擇何種工藝及何種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)巖體質(zhì)量分級結(jié)果進行進一步探究。

6 結(jié) 論

本文對柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖分別進行了巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查和現(xiàn)場點荷載試驗，得到了巖體的結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)和巖體的基本力學(xué)參數(shù)，并采用BQ巖體質(zhì)量評價體系對Ⅴ號脈礦巖進行了巖體質(zhì)量分級研究。具體結(jié)論如下：

1)采用ShapeMetrix3D三維不接觸測量系統(tǒng)對柴胡欄子金礦Ⅴ號脈礦巖進行了結(jié)構(gòu)面參數(shù)調(diào)查，獲得了各測點巖體結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、線密度等特征參數(shù)，為巖體質(zhì)量分級提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)通過現(xiàn)場開展點荷載試驗，獲得了Ⅴ號脈礦巖的巖體力學(xué)參數(shù)。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(wěn)定性也相應(yīng)較高。節(jié)理對巖體的穩(wěn)定性有很大的影響，評價巖體的整體強度和穩(wěn)定性還需要結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的結(jié)果，為后續(xù)巖體質(zhì)量評價工作做準備。

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

4)由巖體質(zhì)量分級結(jié)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(jù)巖體質(zhì)量分級結(jié)果選擇充填采礦法作為Ⅴ號脈局部礦體的采礦方案。