基于3GSM 的露天采場邊坡巖體結構面識別與分析

亢建民，鐘小宇，衣瑛，楊雷，霍本用

(1.鞍鋼集團鞍千礦業有限責任公司， 遼寧 鞍山市 114000；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院， 北京 100083)

0 引言

露天采場開挖形成高陡巖體邊坡，為了系統分析采場邊坡穩定性，需要對邊坡巖體結構、裂隙分布和發育情況進行調查分析[1]。傳統的人工現場接觸測量法存在低效、費力、耗時較長等缺點，難以滿足現代快速施工的要求。因此，在邊坡巖體結構面測量和調查方面，國內外學者先后提出和應用了一些快速、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構面為例，綜合實地測量、資料整理以及數據分析對三維激光掃描儀測得邊坡巖體數據進行半自動快速統計，實現對邊坡快速精確測量。周春霖等[3]利用改進的攝像機姿態獲取方法對隧道及邊坡進行現場測試，實現了對工作面巖體狀況簡便、精確的非接觸測量。劉子俠等[4]采用數字近景測量法對長春市凈月北山二采石場邊坡進行現場測量，獲取三維地質信息，并基于三維信息進行建模和分析。朱承金等[5]為提高邊坡結構面信息獲取過程的安全性及測量結果的準確性，采用無人機多角度攝影測量技術獲取巖體結構面信息，得出邊坡結構面坐標以及出露跡線長度。

三維不接觸測量系統是一種可用于地球科學、土木工程、水利工程等領域的物理性能測試儀器，可實現巖體結構及變形的遠程不接觸測量。本文擬利用3GSM巖體結構面三維不接觸測量系統對鞍千礦業啞巴嶺露天采場邊坡巖體結構面空間分布特征進行現場地質調查，實現邊坡巖體結構空間三維重構和可視化分析。

1 3GSM 系統

1.1 系統組成

該系統由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三維圖像交互式空間可視化分析的軟件包。軟件系統可擔任不同角度的圖像處理工作，實現邊坡巖體表面真三維模型的重構。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，以實現邊坡巖體獨立結構面的識別、定位、擬追蹤以及幾何形態參數的獲取工作，并對相交冗雜的巖體結構進行分級、分組以及幾何參數統計。

1.2 成像系統和圖像處理

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

當邊坡巖體結構面的幾何形狀較為龐大復雜時，需要兩個系統組合使用，其中 JointMetriX3D系統用來制作全面積的三維基準（定位）模型，而ShapeMetriX3D 系統對三維圖像進行細節處的精細化測量。

2 結構面測量

2.1 調查點位置選取

啞巴嶺露天采場位于太古代鞍山群變質巖系組成的鞍山復向斜的東北翼，呈北西—南東走向。露天采場內地質構造簡單，礦區內規模不大的斷裂構造比較發育。

啞巴嶺采區全長1215 m，一期露天底標高為?132 m，礦區地層主要為前震旦紀鞍山群、遼河群變質巖系、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、結構面裂隙比較清晰的邊坡面。根據實際情況，選取位于啞巴嶺采場西南幫的C 區進行結構面裂隙的調查和分析。圖1 為啞巴嶺采場的測點分布圖。重點針對C區1#～3#、10#～14#測點進行測量，其中1#～3#測點為千枚巖區域，10#～14#測點為假象赤鐵石英巖區域。

圖1 巷道支護斷面圖

2.2 采場結構面測量

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構面傾向，以此作為其他結構面的參考方位。調整標桿三腳架長度，使標桿與地面垂直，然后在結構面的左側和右側選取一相對平整的表面，將三腳架架在穩固安全地帶，使兩次攝影時的標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點，同時在兩次相鄰掃描數據中至少應有一個重合點，只有這樣才能保證數據的正確拼接。從左右兩個視角對該結構面范圍區域進行攝影，鏡頭所測巖體的距離D以及2次成像位置之間的距離B應滿足B=D/8～D/5，故選取D為6 m，B為1 m。攝影結束后，將左右視圖導入軟件系統并通過像素匹配技術將左右兩個角度拍攝的影像進行三維模型合成，再根據三維模型信息繪制赤平投影圖和各組結構面跡線分布圖。

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據處理方式進行分析），圖2 為測點1的實測圖片，生成的三維模型見圖3，邊坡巖體內主要結構面分布如圖4 所示，圖5、圖6 分別為巖體結構面分組情況及統計分析結果。

圖2 測點1 實測照片

圖3 測點1 結構面三維模型

圖4 測點1 結構面分布

圖5 結構面的赤平投影

圖6 結構面統計分析結果

3 測量結果及結構面產狀統計研究

3.1 巖體結構面產狀分析

為了統一比較，所有測點的巖體結構面產狀三維不接觸測量結果匯總見表1，其中1#～3#測點為千枚巖區域，10#～14#測點為假象赤鐵石英巖區域。

表1 巖體結構面產狀分析結果匯總

3.2 測量結果分析

根據分析結果，從整體來看，測點1#～3#范圍內的巖體結構面存在一定的規律性，主要集中分布在NW、SE 兩個方向。其中，結構面組數最多的為傾向NW，結構面普遍較陡，優勢傾角為87°；而傾向SE 方向的結構面較陡，優勢傾角為89°；次產狀主要分布在SW 方向，傾角為59°。總體來講，優勢產狀結構面分布為307°∠87°、134°∠89°，次產狀為266°∠59°。

測點10#～14#范圍內的巖體結構面亦存在一定的規律性，主要集中分布于NW、NE 兩個方向。其中，結構面組數最多的為傾向NW，結構面普遍較陡，優勢傾角為60°；而傾向NE 方向的結構面亦較陡，優勢傾角為74°；次產狀主要分布在SW方向，傾角為87°。總體來講，優勢產狀結構面分布為344°∠60°、22°∠74°，次產狀為207°∠87°。

4 結論

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

（2）采用3GSM 三維不接觸測量系統，獲得了啞巴嶺露天采場C區不同巖性區域測點的巖體結構面產狀參數和幾何特征，揭示了不同巖性區域巖體優勢結構面產狀分布規律與特征，為露天采場破碎巖體邊坡穩定性分析與變形防控提供基礎支撐。