基于数字摄影测量的岩体结构面信息获取及岩体质量评价

徐 东，范文涛

(1.赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司； 2.锡林郭勒盟山金白音呼布矿业有限公司)

引 言

在地质构造作用影响下，岩体中往往存在着大量的软弱结构面，这些结构面很大程度上决定岩体的力学特征和稳固程度，一直都是工程岩体质量评价中的重点关注对象。许多学者进行了相关报道，胡德茂等[1]利用分形理论对岩体内部原生节理的分布特征进行了研究，结果表明分形维数(D)可以作为岩体质量评价的分级指标。白志华等[2]采用三维激光扫描技术识别了震损边坡的岩体结构面和节理裂隙，应用BQ岩体质量评价体系，建立了震损边坡工程岩体质量评价方法。江飞飞等[3]利用测线法对软弱破碎岩体进行了工程地质调查和分析，并采用MRMR-2000分级系统和Q分级系统分别对矿体上下盘围岩进行了岩体质量评价。

目前，国内外常用结构面信息获取方法有测线法、三维激光扫描技术、精测法、钻孔岩心节理采集法等，但这些测量方法在现场实际测量时往往具有工作量大、不易操作、误差大、耗时长、测量结果差等问题，很难满足现代化施工进度要求[4]。基于此，数字摄影测量技术应运而生。数字摄影测量技术是一种全新、高效、准确、不接触的岩体结构面信息获取技术[5-7]。其显著优点是根据摄影测量结果，可直接获取岩体结构面的倾角、迹长等信息数据，并建立摄影测量范围内岩体表面的三维模型。通过建立的三维模型可直接反映所测范围内岩体表面的结构面发育情况和延展信息。

本文通过应用数字摄影测量技术，对赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司(下称“柴胡栏子金矿”)Ⅴ号脉矿岩进行结构面信息调查，再结合岩石力学试验结果，采用BQ岩体质量评价体系对Ⅴ号脉矿岩进行工程岩体质量分级研究，以期为采矿方法选择提供技术支撑。

1 工程背景

柴胡栏子金矿位于内蒙古自治区赤峰市松山区初头朗镇，矿区标高为850～1 280 m，相对高差为430 m，气候属于半干旱大陆性气候，年降水量405.30～740 mm，平均530 mm。矿区及其外围褶皱发育，断层主要为北西向。

矿区Ⅴ号脉位于区域成矿构造破碎带内，平均倾角大于70°，厚度变化较大，绝大部分为薄矿体，局部有中厚矿体存在，属于急倾斜薄—中厚矿体。根据矿区地质报告，Ⅴ号脉矿体和围岩均较破碎，上盘围岩内有破碎带，下盘围岩内有F1断层，矿岩稳固性差。采场回采时，顶板存在冒落的安全隐患，给矿山的安全生产造成了很大压力。

基于此，为了确保采场内施工人员和设备的安全，必须对Ⅴ号脉矿岩进行结构面信息测量和工程岩体质量评价，以便选择更加安全的采场结构参数和采矿工艺，从而实现柴胡栏子金矿更安全、更高效的生产目标。

2 结构面信息获取

2.1 数字摄影测量原理

利用ShapeMetrix3D三维不接触测量系统获取Ⅴ号脉矿岩结构面信息，该测量系统实质是基于数字图像相关技术，将岩体数字信息进行整理，进而得到岩体结构、产状等信息。其原理是从岩体不同角度对指定区域进行数字成像，利用三维重构技术建立岩体表面三维模型，经后期处理获取岩体结构面信息，主要包括节理倾向、倾角、迹长、间距、断距、线密度、体积节理和分布率等参数信息，三维图像合成原理见图1。

图1 ShapeMetrix3D三维不接触测量系统三维图像合成原理

2.2 矿岩结构面信息测量及结果

2.2.1 测点布置

此次矿岩结构面信息调查区域位于Ⅴ号脉13中段至14中段26勘探线—28勘探线，测点涵盖区域包括采场、上下盘围岩及部分探矿穿脉等。

2.2.2 测量结果

利用ShapeMetrix3D三维不接触测量系统分别对Ⅴ号脉矿岩13中段至14中段各测点进行现场测量，将得到的各测点左、右视图分别导入ShapeMetrix3D软件分析系统进行后期处理。在进行处理时，ShapeMetrix3D软件会圈定出重点测量区域，并利用像素点匹配、图像变形偏差纠正等一系列技术，对三维模型的距离及方位进行真实化处理，进而得到岩体表面的三维实体模型，此次矿岩结构面调查中测点11的岩体表面三维实体模型见图2。

图2 测点11岩体表面三维实体模型

在合成的岩体表面三维实体模型上进行节理识别，识别完成后，ShapeMetrix3D软件会根据分组原理对节理识别结果进行自动分组，并以不同的颜色进行组别区分。另外，ShapeMetrix3D软件还会基于节理分组识别结果对每组节理信息进行统计分析，获取结构面的倾向、倾角、迹长、间距和线密度等信息。

测点11的节理分组识别结果见图3。由识别结果可以看出，测点11处有3组节理信息：第一组节理用红色标示，第二组节理用绿色标示，第三组节理用蓝色标示。测点11处每条节理的倾向、倾角和迹长的详细信息见表1。

图3 节理分组识别结果

表1 测点11结构面参数信息

将结构面参数进行统计分析，获取各节理组参数的均值情况，测点11处矿岩结构面信息统计分析结果见表2。从表2可以看出，测点11处统计结构面的优势产状有3组，分别为353.21°∠48.60°，274.93°∠80.44°，197.59°∠44.48°。

表2 测点11处矿岩结构面特征参数

2.2.3 数理统计分析

结构面密度是指单位尺度范围内结构面的数目，它反映了结构面发育的密集程度及岩体的完整性，是岩体质量评价的基本内容之一。根据结构面的空间展布，对其进行数理统计计算，计算结构面的体密度。经测量，测点11处的结构面信息：第一组节理结构面共11条，线密度为4.76条/m；第二组节理结构面共12条，线密度为5.85条/m；第三组节理结构面共9条，线密度为7.16条/m。根据经验公式，体密度为17.77条/m3。

根据结构面的空间展布，可绘制出测点11处的赤平极射投影图(见图4)。根据图4可以清晰地看出测点11处每组结构面的产状分布。限于篇幅，就不再对其他测点处结构面信息的获取过程及结果进行一一叙述。

图4 测点11赤平极射投影图

3 岩体力学试验

采矿工程涉及到的岩土工程往往规模巨大，而且条件极其复杂。不论是地下采矿工程，还是露天采矿工程，都是以具有地质构造的岩石为对象，岩体力学问题贯穿于采矿工程的各个角落。一方面，采矿工程中的岩体是地质体，它经过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中，岩石的力学性质，包括强度特征、变形特征和稳定性特征等均会对采矿活动产生影响。另一方面，由于采矿工程是一个动态开挖过程，岩体力学性质会随着工程尺寸和开挖方向的不同而变化，同时环境因素也是影响其性质的重要因素。岩石的物理力学性质能够为地下开采中巷道和采场围岩的稳定性及开采优化设计提供基础数据。基于此，开展了柴胡栏子金矿岩体力学性质测试。

岩体物理力学性质的测定特别是强度指标的测定主要分为2类：一类是现场点荷载试验，另一类是室内岩石力学试验。此次研究中，通过对Ⅴ号脉矿岩结构面测量区域进行点荷载试验，分别获得了不同测量区域矿岩的单轴抗压强度。

3.1 点荷载试验

3.1.1 试验原理

点荷载试验是将岩石试件置于2个球形圆锥状压板之间，对试件施加集中荷载，直至破坏，然后根据破坏荷载求得岩石的点荷载强度。在点荷载作用下，岩石试样中同时形成拉应力区和压应力区。点荷载试验岩石破坏原理见图5。

图5 点荷载试验岩石破坏原理示意图

1)在距加载点一定距离内的岩石所受力接近压应力，形成压应力区。

2)在距加载点一定距离之外，岩石受到了垂直加载轴方向的弹性拉应力，形成弹性拉应力区。

在拉应力区，加载点附近的岩石产生弯曲状排列的雁行式裂纹。当荷载增大时，这些裂纹互相靠拢而形成滑动线，随着荷载的进一步作用，这种裂纹逐步发展，并最终与弹性拉应力区相连接，试样在拉应力作用下发生劈裂。

3.1.2 点荷载试验过程

1)试验设备。点荷载试验仪，直尺，地质锤，数码相机。

2)试验方法和步骤：

(1)试验试件采集。点荷载试件的采集区域与岩体结构面的测量区域一致，根据现场情况，每个测点内用地质锤采集多个试件，试件采集应尽量具有代表性。试件尺寸符合国标对点荷载不规则试件的规定，即加载两点间距宜为30～50 mm；加载两点间距与加载处平均宽度之比宜为0.3～1.0。对每个试件尺寸进行测量记录。

(2)现场点荷载试验。将岩心试件放入球端圆锥之间，使上下锥端位于岩心试件的圆心处并与试件紧密接触。测量加载点间距及通过两加载点最小截面的平均宽度。稳定地施加荷载至破坏，记录破坏时的荷载及其破坏面，并根据破坏面筛选有效数据。采集试件及其破坏情况见图6。

图6 试件及点荷载破坏形式

3)试验结果整理。按下式计算岩石点荷载强度：

(1)

式中：Is为未修正的岩石点荷载强度(MPa)；p为破坏荷载(N)；De为等价岩心直径(mm)。

等价岩心直径De计算公式为：

(2)

式中：D为加载点间距(mm)；W为通过两加载点最小截面的平均宽度(mm)。

由于加载点间距不等于50 mm，按照下式计算点荷载强度：

Is(50)=FIs

(3)

(4)

式中：F为修正系数；m为修正指数，这里取0.45。

3.2 点荷载试验结果

本次现场点荷载试验共取试件83个，典型的点破坏类型见图7。根据试件破坏形式筛选点荷载试验是否有效，最终得到有效数据75个。其中,13中段取样15个，14中段501采场取样38个，14中段502采场取样22个。

图7 典型的点破坏类型

由点荷载试验结果可知:13中段测点处单轴抗压强度为95.51～119.38 MPa，14中段测点处单轴抗压强度为90.56～122.88 MPa。从以上数据可以得出,柴胡栏子金矿Ⅴ号脉矿岩的单轴抗压强度较高，但这并不表示岩体的强度或稳定性也相应较高。节理对岩体的稳定性有很大影响，评价岩体的整体强度和稳定性还需结合岩体结构面调查的结果。

4 岩体质量评价

岩体质量和岩体稳定性评价与岩体工程设计、施工是相互作用、相辅相成的关系。在岩体工程设计之前，对岩体质量和稳定性评价是必不可少的工作。正确地对工程岩体稳定性作出评价，是岩体开挖和加固支护设计、快速施工及保证生产安全必不可少的条件。采矿方法、采场结构参数选择等都是直接建立在工程岩体质量等级和稳定性评价的基础上。因此，开展岩体质量评价工作，对矿山的安全高效开采具有重要的意义。

4.1 BQ岩体质量评价体系

由GB/T 50218—2014 《工程岩体分级标准》可知[8-9]，BQ岩体质量评价体系主要考虑了岩石坚硬程度和岩体完整程度对围岩稳定的影响，用2个指标计算出岩体基本质量指标BQ值。岩体基本质量指标BQ按下式计算:

BQ=90+3σc+250Kv

(5)

式中：σc为饱和岩石的单轴抗压强度(MPa);Kv为岩体完整性系数，可由岩体结构面参数计算得出，计算公式如下[10]：

(6)

式中：Jv为岩体体积节理数，指单位体积内所含节理(结构面)条数，可由三维不接触测量系统(ShapeMetrix3D)得到。

在使用式(5)时，应遵守2个限制条件：①σc>90Kv+30时，应以σc=90Kv+30代入式(5)计算BQ值；②Kv>0.04σc+0.4时，应以Kv=0.04σc+0.4代入式(5)计算BQ值。BQ岩体基本质量分级标准见表3。

表3 BQ岩体基本质量分级标准

4.2 Ⅴ号脉矿岩质量评价结果

将前面得到的岩体结构面参数结果和岩体力学参数分别代入BQ岩体质量评价体系，便可得到柴胡栏子金矿Ⅴ号脉矿岩的岩体质量评价结果。各测点岩体质量评价结果见表4。

表4 Ⅴ号脉矿岩各测点岩体质量评价结果

由以上岩体质量分级结果可知：柴胡栏子金矿Ⅴ号脉上盘围岩为Ⅳ级岩体，岩石坚硬，岩体破碎，岩壁部分区域有明显水滴出现。下盘围岩为Ⅲ级岩体，岩石坚硬，岩体较完整，水环境比较潮湿。Ⅴ号脉矿体整体为Ⅲ级岩体，局部破碎区域为Ⅳ级岩体，岩石坚硬，岩体较破碎，部分区域有明显断层穿过。

5 工程应用

由Ⅴ号脉矿岩岩体质量评价结果可知：矿体上盘围岩破碎，属于Ⅳ级岩体，应用原有的采矿方法——浅孔留矿采矿法回采局部矿体时存在较大的安全隐患，且矿石贫化率和采矿损失率较大，需对采矿工艺进行改革。

众所周知，充填采矿法能有效控制围岩，防止围岩大量冒落，回采作业时具有很大的灵活作业空间，且能有效控制采矿损失贫化。另外，充填采矿法也将尾砂等固体废料填充至井下，成功解决了废料的地面堆存问题，实现了废料的重复利用，属于一种绿色的开采方法。

基于上述论述，在开采柴胡栏子金矿Ⅴ号脉局部矿体时建议优先选用充填采矿法，后续具体选择何种工艺及何种采场结构参数可根据岩体质量分级结果进行进一步探究。

6 结 论

本文对柴胡栏子金矿Ⅴ号脉矿岩分别进行了岩体结构面调查和现场点荷载试验，得到了岩体的结构面特征参数和岩体的基本力学参数，并采用BQ岩体质量评价体系对Ⅴ号脉矿岩进行了岩体质量分级研究。具体结论如下：

1)采用ShapeMetrix3D三维不接触测量系统对柴胡栏子金矿Ⅴ号脉矿岩进行了结构面参数调查，获得了各测点岩体结构面倾向、倾角、线密度等特征参数，为岩体质量分级提供了基础数据。

2)通过现场开展点荷载试验，获得了Ⅴ号脉矿岩的岩体力学参数。Ⅴ号脉矿岩的单轴抗压强度较高，属于硬岩，但这并不表示岩体的强度或稳定性也相应较高。节理对岩体的稳定性有很大的影响，评价岩体的整体强度和稳定性还需要结合岩体结构面调查的结果，为后续岩体质量评价工作做准备。

3)采用BQ岩体质量评价体系对柴胡栏子金矿Ⅴ号脉矿岩进行了岩体质量评价。Ⅴ号脉上盘围岩为Ⅳ级岩体，岩体破碎，岩壁部分区域有明显水滴出现。下盘围岩为Ⅲ级岩体，岩体较完整，水环境比较潮湿。矿体整体为Ⅲ级岩体，局部破碎区域为Ⅳ级岩体，岩石坚硬，岩体较破碎，部分区域有明显断层穿过。

4)由岩体质量分级结果可知，采用浅孔留矿采矿法回采Ⅴ号脉局部矿体存在安全隐患，且不能有效控制采矿损失贫化，建议根据岩体质量分级结果选择充填采矿法作为Ⅴ号脉局部矿体的采矿方案。