基于Sirovision的节理岩体调查及稳定性分析

张 驰 徐 帅 张小辉 何国强

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；3.山东黄金矿业(莱州)有限公司，山东 烟台 261441)

基于Sirovision的节理岩体调查及稳定性分析

张 驰1,2徐 帅1,2张小辉1,2何国强3

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；3.山东黄金矿业(莱州)有限公司，山东 烟台 261441)

针对人工近距离接触测量获取岩体结构面信息工作效率低，劳动强度大等问题，开展了Sirovision岩体结构面三维不接触测量系统的研究。介绍了该系统的硬件组成及后处理软件的具体功能，提出了一套适用于该系统的岩体结构面信息采集方法与数据处理流程，并成功应用于铁蛋山铁矿的节理岩体调查与分析中。首先根据现场采集的调查区内原始格式二维图片，获得了真实坐标定位的巷道三维空间模型数据；然后进行了岩体结构面的数字化识别，并将得到的统计数据依据产状特征进行了分组，获得了不同节理组的空间方位统计信息；最后根据不同节理组间的相互位置关系，进行了基于后处理软件系统的楔形体结构分析，确定了危险块体的位置。上述研究成果可为矿山安全生产及工程参数优化提供参考。

Sirovision测量系统 岩体稳定性分析 岩体结构面参数 产状特征 三维空间模型

节理广泛存在于地壳岩石中，是一种十分复杂的地质结构，由于节理强度和刚度大大低于完整岩石[1-5]，因此系统研究节理岩体的几何及力学性质，调查结构面的分布规律、表面特征、连续特征以及空间组合形式对于判定和分析岩体的稳定性显得十分重要。常用的岩体结构面信息采集的方法有钻孔岩芯节理采集法[6-9]、测线法、精测线法[10]、取样窗法[11-12]等。其中钻孔岩芯法获取的结构面方位信息规模小、应用效果不佳；测线法与精测线法虽然能保证较好的量测精度，但野外测量工作量大，受地形环境因素的影响，很难获得高效、全面的结构面信息；取样窗法一般用于统计单位面积内的节理条数，由于在测量时尺寸偏差、截短误差以及截长误差[13]的存在影响了该方法的应用效果。

随着信息时代的到来，采用摄影测量技术[14-18]解算结构面产状、间距、粗糙程度等岩体规模信息成为当前比较流行的方法。王凤艳等[19]建立了基于空间坐标的结构面迹线三维模型，任一投影展示面的迹线二维模型和详细判据的产状解算模型，该法要求摄影精度较高，现场使用偶然性大，精度较难保证。杨天鸿等[20]采用3GSM系统在岩体结构面空间几何信息分布及岩面三维模型构建方面的研究取得了一些进展，由于该系统在现场使用时需要外界提供光照条件，而且对巷道顶板岩面图像的识别相对困难，因此其在地下矿山节理岩体调查中的应用具有一定的局限性。为此，在深入分析Sirovision岩体结构面三维不接触测量系统组成的基础上，研究了使用该系统进行地下矿山岩体结构面信息采集与数据处理的流程，并将其应用于铁蛋山矿区的节理岩体调查与分析中，成效较为显著。

1 岩体结构面三维不接触测量系统

CAE SirovisionTM是由澳大利亚联邦科学与工业组织(CSIRO)开发的专门用于岩体结构面调查与分析的一套三维不接触测量系统。该系统包含2个部分：①CAE立体图像采集仪，集成2台高分辨率工业相机对指定区域进行图像采集，可获得2张高清晰度二维图像；②对三维图像进行交互式空间可视化模型重建与分析的软件，实现岩体表面三维模型的重建，识别岩体的结构面信息，获得准确的岩体稳定性分析结果。

Sirovision系统优点在于：①测量设备采用单支架半固定式支撑可实现水平及垂直方向360°旋转；②自带可调强度闪光灯，满足无光条件下的正常拍摄；③实现原始二维图像对到三维图像的高效合成，大幅度缩短后处理所需时间。

2 岩体结构面信息采集与数据处理流程

2.1 岩体结构面信息采集流程

采集岩体结构面信息的前提是根据岩体稳定性分析的要求确定图像采集区域，为了确保统计分析结果具有一定的代表性，图像采集区域选择应需具备以下条件：①调查应以岩体失稳破坏区域为中心向四周均匀展开；②应尽可能选取岩体结构面出露较明显的区域；③对于节理较发育的区域应重点调查。在图像采集区域确定的情况下，根据成像系统的技术要求，在地下矿山巷道中采集图像时通常所能获得的岩面实际控制范围为4 m×4 m，因此，在进行现场图像采集时，首先按照4 m间隔布置测点，在任意一个测点范围内布置3～4个控制点定位岩面空间方位，然后按照后方交会的测量方法获取控制点的空间坐标数据。根据以上思路，建立了岩体结构面信息采集流程，见图1。

图1 岩体结构面信息采集流程

2.2 数据处理流程

根据外业测量所得到岩面情况的数据特点，首先按照循环成组(需要进行拼接的三维图片放在1个循环内完成拍摄)的方式将测量数据进行分类整理；然后通过Sirovision三维软件系统将同一拍摄区域内的左右2张图片按照扫描、识别、匹配的过程合成为单张三维图片；最后导入现场实测的控制点坐标数据并与岩面上标识的控制点进行匹配，将相对定位的三维图片转化为与现场一致的岩面空间位置图像。

为了获得更加完整的巷道拱三维实体模型，首先选择同一循环内的侧帮单幅三维图片进行拼接，如图2(a)所示；然后逐一将侧帮与顶板的部分拼接图进一步合成得到如图2(b)所示的完整巷道拼接图；最后完成岩体结构面信息的数字识别得到调查区域内岩体结构面的空间方位分布数据，按照结构面空间几何参数的不同将其划分为不同的节理组，结合工业试验获得的岩石力学参数并分析不同节理组间的相互作用关系，从而得到岩体的稳定性分析结果。结合以上分析，建立了岩体结构面数据处理流程，见图3。

3 应用实例

3.1 矿区地质概况

铁蛋山矿区位于辽宁省西部，矿体赋存条件复杂，岩质松软稳定性差。巷道施工完毕后不久即产生开裂变形，进而产生片帮、冒落和沉降变形，严重影响了矿山的开采和运输。为此，针对铁蛋山矿区围岩的地质条件开展破碎岩体的节理调查分析研究，查明该矿区主节理的方位，节理面的组数、平均间距，推测岩体中危险块体的位置。

图2 Sirovision软件处理后的工程实例模型

图3 Sirovision系统数据处理流程

3.2 岩体结构三维合成结果

采用Sirovision系统对铁蛋山铁矿+35 m分段2122、2124回采进路及联通该2条进路的切割巷道裸露岩面进行了调查，共布置测点16个，并按照测点的分布特征将其划分为7个区域，即1#～2#测点、3#～5#测点、6#～8#测点、9#测点、10#测点、11#～13#测点、14#～16#测点，测点布置情况见图4。

根据调查区内测点的分布情况，依次获取同一指定区域内岩面的二维图像对，见图5。

图4 Sirovision调查区域测点分布

图5 +35 m水平2122回采进路岩面图像对

在合成的三维图上，根据主要节理裂隙的发育特征及结构面的延伸趋势，基于Sirovision后处理软件对节理裂隙进行了数字化识别，获得了如图6所示的节理面分布图。

图6 调查区节理裂隙分布(局部)

对节理岩体结构面几何参数进行统计，结果如表1所示。

由表1可知，在+35 m分段存在3组优势结构面，分别为29°∠48°、66°∠80°、170°∠46°；节理面间距均值小于0.5 m，迹线长度均值均相对较小，表明在该区域内节理面高度发育，岩体比较破碎。

表1 节理岩体结构面几何参数Table 1 Geometry parameters of joint rock structural surface

3.3 岩体稳定性分析

地下巷道顶板受垂直应力作用，其下方形成了楔形体组成面的临空面，在该方向重力势能有减小的趋势。为了确定相同分区内的不同节理组间能否形成楔形体结构，借助以太沙基理论为基础的Sirovision系统，输入调查区内岩石的黏着力值及摩擦系数，获得了如图7和表2所示的岩体稳定性分析结果。

图7 岩体稳定性分析

测 点边 帮顶 板1#～2#存在3#～5#存在6#～8#存在9#存在10#存在11#～13#存在14#～17#

由表2可知，调查区域内3#～5#，9#所在位置的顶板中存在危险体结构，并会对地下开采生产的安全产生较大的威胁；1#～2#，6#～8#，10#，11#～13#测点所在位置的边帮存在危险体结构，但由于该矿区范围内的水平应力较小，发生危险的可能性较小。

4 结 语

基于Sirovision岩体结构面三维不接触测量系统，探索了一套使用该系统进行外业测量与内业数据处理的操作流程。将Sirovision系统成功应用于铁蛋山铁矿的节理岩体调查与分析中，获取了能够真实描述岩体宏观结构的数字图像，提取了节理几何形态空间分布信息，并得到了结构面几何统计参数。通过进行基于节理面分组结果的岩体稳定性分析，获取了调查区内岩体的不稳定表征现象，对于矿山进行安全防护以及优化工程参数有一定的参考价值。

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(责任编辑 王小兵)

Jointed Rock Survey and Stability Analysis Based on Sirovision

Zhang Chi1,2Xu Shuai1,2Zhang Xiaohui1,2He Guoqiang3

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China;3.ShandongGoldMingIndustry(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai261441，China)

Aiming at the low efficiency and labor-intensive of obtaining the information of rock mass structural surface by artificial close contact measurement，the Sirovision three-dimensional and non-contact measurement system of rock mass structural surface is researched.The hardware composition and specific features of post-processing software of the system are introduced，the suitable method of obtaining rock mass structure surface information and the flow of data processing are proposed and applied to survey and analyze the jointed rock in Tiedanshan iron mine successfully.Firstly，according to the original formation of two-dimensional images obtained in the investigation area，the three-dimensional roadway space model data with real coordinates is got.Then，the rock mass structure surface is digitally identified，the obtained indentified data are grouped on the basis of occurrence so as to obtain the spatial orientation of different joints group.Finally，according to the positional relationship among different joints group，the wedge of the structure is analyzed based on the post-processing software system to determine the location of dangerous structural body.The above research can provide some reference for the mine safety production and optimization of engineering parameters.

Sirovision measurement system，Stability analysis of rock mass，Parameters of rock mass structural surface，Occurrence characteristics，Three-dimensional space model

2015-03-04

国家自然科学基金项目(编号：51204031，51274055)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2013BAB02B03)，教育部基本科研业务费项目(编号：N130401007，N120701001)，辽宁省教育厅一般项目(编号：L2014100)。

张 驰(1990—)，男，硕士研究生。

TD76,TD853

A

1001-1250(2015)-05-140-05