徐 帥 張 馳 安 龍 李元輝

(深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽110819)

“言巖體必及結(jié)構(gòu)”［1］是由于巖體中地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的存在，使得巖體力學(xué)強(qiáng)度大為降低。工程實(shí)踐證明，巖體結(jié)構(gòu)面對于巖體的變形與破壞具有控制作用［2-12］，因此，準(zhǔn)確描述巖體中結(jié)構(gòu)面的空間幾何形態(tài)及力學(xué)性質(zhì)對于判定和分析巖體的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有的巖體結(jié)構(gòu)面采集方法可大致劃分為2 類:①接觸式測量法，以測線法為代表，通過皮尺和羅盤對待測結(jié)構(gòu)面進(jìn)行人工現(xiàn)場逐一測量。該方法可獲得準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)面信息，但勞動強(qiáng)度大，工作效率低，受環(huán)境及安全因素制約，存在較多無法測量的區(qū)域。隨著科技的發(fā)展，該方法已經(jīng)無法滿足工程快速施工的需求。②非接觸測量法，包括三維激光掃描法［13-16］和攝影測量法［17-20］。該2 種方法無需接觸巖體結(jié)構(gòu)面即可采集信息，具有快速、便捷、高效的特點(diǎn)。但三維激光掃描的精度與效率受到激光測距精度以及點(diǎn)云密度的制約;攝影測量技術(shù)由于采用嚴(yán)密的解析計(jì)算方法從而能夠獲得較高的測量精度，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，常用的攝影測量系統(tǒng)有3GSM、VirtuoZo、GeoSMA － 3D、LiDAR scans、Sirovision 等。為此，介紹了Sirovision 巖體結(jié)構(gòu)面三維遙測系統(tǒng)的組成，對使用該系統(tǒng)進(jìn)行測量時的誤差來源進(jìn)行了分析，提出了減小測量誤差的方法，并應(yīng)用于焦家金礦試驗(yàn)礦塊，通過調(diào)查獲取研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及危險塊體的具體位置，為確保礦山安全生產(chǎn)及優(yōu)化工程參數(shù)提供依據(jù)。

1 巖體結(jié)構(gòu)面遙測系統(tǒng)

CAE SirovisionTM 是一套專門應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析的測量系統(tǒng)，包括2 個部分:①CAE 立體圖像采集儀，集成2 臺高分辨率工業(yè)相機(jī)，通過單桿腳架，實(shí)現(xiàn)0° ～360°范圍內(nèi)巖面二維圖像的快速獲取;②三維圖像處理與分析軟件，融合了巖體三維模型重構(gòu)、結(jié)構(gòu)面繪制、結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析以及巖體穩(wěn)定性分析等4 部分功能，不僅能夠快速統(tǒng)計(jì)巖體結(jié)構(gòu)面的空間方位產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)r體的穩(wěn)定性給出準(zhǔn)確的評價結(jié)果。

Sirovision 節(jié)理巖體遙測系統(tǒng)(以下簡稱Sirovision 系統(tǒng))依據(jù)雙目立體測圖的基本原理獲取目標(biāo)巖體的左右2 幅圖像，基于所獲取的圖像，完成圖像的內(nèi)方位元素定位后，通過圖像合成，重建目標(biāo)巖體的幾何模型;根據(jù)目標(biāo)巖體中的控制點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行外方位元素定位，完成幾何模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換后的模型中，提取節(jié)理巖體信息。

圖像內(nèi)方位元素定向是用于確定2 幅圖像之間的相對位置，直接服務(wù)于圖像合成和模型建立。Sirovision 系統(tǒng)工作時設(shè)備平行于水平面，換言之，2 臺相機(jī)的連線平行于水平面，屬于“單獨(dú)像對相對定向”(見圖1)，通過 φ1，к1，φ2，w，к25 個定向元素，完成像對的相對定向。

圖1 單獨(dú)像對相對定向元素Fig.1 Relative orientation elements of individual image pairs

立體像對通過相對定向后，利用圖形合成形成與實(shí)物相似的幾何模型，但該模型的大小與空間方位均是任意的，因而有必要借助被測對象中已知的地面控制點(diǎn)，對定向后的模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)與縮放，轉(zhuǎn)化為攝影測量坐標(biāo)系中的模型。需要確定相對定向所建立的模型空間方位的7 個參數(shù)(Xs，Ys，Zs，λ，φ，w，к)，借助目標(biāo)對象中3 個地面控制點(diǎn)，計(jì)算該7 個參數(shù)，公式如下:

像點(diǎn)坐標(biāo)與地面控制點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可通過線性交換法進(jìn)行求解:

式中，(x，y)為像點(diǎn)坐標(biāo);I1，I2，I3，…，I11為直接線性變換系數(shù)。

Sirovision 系統(tǒng)工作時，2 臺相機(jī)位置固定，其鏡頭間距不變，相機(jī)參數(shù)固定，僅需要通過被測物體上的3 個控制點(diǎn)構(gòu)建解算方程組即可進(jìn)行求解。

2 Sirovision 系統(tǒng)誤差

2.1 誤差來源

(1)目標(biāo)巖面圖像的合成效果。巖面圖像的合成效果直接決定數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，而圖像獲取時合理的拍攝距離以及最佳的拍攝角度對于提高三維圖像的合成效果具有較大影響。

(2)控制點(diǎn)坐標(biāo)位置選取與目標(biāo)巖面定位。Sirovision 系統(tǒng)工作時，至少需要3 個不在同一直線上的控制點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)由相對坐標(biāo)到真實(shí)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。因此，需要利用礦山已有的測量網(wǎng)絡(luò)，采用全站儀測量控制點(diǎn)坐標(biāo)，控制點(diǎn)坐標(biāo)測量的方法與精度決定了三維合成圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度。

(3)節(jié)理巖體信息的提取操作。Sirovision 系統(tǒng)提取巖體結(jié)構(gòu)面信息是以三維合成模型為對象，采用人工繪制的方式進(jìn)行。在統(tǒng)計(jì)節(jié)理的長度、尺度、分布特征等信息過程中，由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本依賴于操作人員對節(jié)理信息的理解，不同的操作人員所提取的信息有所差異。因此，人為因素成為影響結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致性和準(zhǔn)確性的重要因素。

2.2 誤差標(biāo)定及對策

2.2.1 巖面合成效果

2.2.1.1 拍攝距離

2016年對“集氣—增壓回收技術(shù)”總結(jié)的基礎(chǔ)上形成高壓分離回收技術(shù)，高壓分離器充分利用高壓氣井自身高壓特點(diǎn)，經(jīng)分離后直接進(jìn)入管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能、全自動化、無人值守。

Sirovision 系統(tǒng)預(yù)先提供自定義設(shè)置、3 ～5 m、5～7 m、7 ～10 m 等4 類拍攝距離供選擇。地下礦山巷道寬度差異較大，部分礦山巷道寬度小于3 m，無法選擇預(yù)設(shè)的量測距離選項(xiàng)。為此，在確保測量設(shè)備與巖面垂直的基礎(chǔ)上，分別在距離巖面1.8，2.1，2.5 m 處對巖面的同一區(qū)域進(jìn)行拍攝，得到不同距離條件下三維圖像的合成效果見圖2。

圖2 不同距離條件下圖像的合成效果Fig.2 Synthetic effects of image under different distances

隨著拍攝距離的增加，成像系統(tǒng)所能獲取的圖像范圍也有所增加，當(dāng)垂直距離為2.5 m 時，三維圖像合成區(qū)域的面積與原始二維圖像總面積的比值(合成面積比)達(dá)到72%，為自定義設(shè)置條件下最大的合成面積比;隨著垂直距離進(jìn)一步增大，雖然拍攝區(qū)域有所增大，但圖像邊緣的質(zhì)量顯著降低，使得圖像合成時邊緣處無法合成，降低了整幅圖像的合成效果，因此在巷道寬度小于3 m 的礦山，選擇2.5 m 的拍攝距離有助于獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.2.1.2 拍攝角度

由于測量條件限制以及操作者經(jīng)驗(yàn)不足等因素導(dǎo)致拍攝方向與巖面法線存在夾角，造成獲得的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與真實(shí)值間存在一定的誤差。為了分析拍攝角度改變時對測量結(jié)果的影響，分別使拍攝方向與巖面法線成0°、10°、20°、30°夾角進(jìn)行拍攝。對改變拍攝角度獲得的公共拍攝區(qū)域內(nèi)的同一節(jié)理進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見圖3。同一結(jié)構(gòu)面在不同拍攝角度下獲得的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)與羅盤實(shí)測值對比見表1。

圖3 拍攝角度改變時巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀差異Fig.3 Difference of the rock mass structure surface under different camera angles

表1 同一結(jié)構(gòu)面不同拍攝角度下的產(chǎn)狀差異Table 1 Differences of the same structure surface under different camera angles (°)

由表1 可知，Sirovision 系統(tǒng)設(shè)備與巖面垂直時得到的測量結(jié)果與羅盤實(shí)測值基本一致，當(dāng)拍攝角度為10°時，統(tǒng)計(jì)值與真實(shí)值間的誤差較大，對此，按照上述方法對0° ～10°范圍內(nèi)改變拍攝角度對于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拍攝方向與巖面法線間的夾角為5°時，結(jié)構(gòu)面的傾向值為15.8°，與真實(shí)值間的絕對誤差僅為0.7°，達(dá)到了可以接受的范圍。因此，在測量前首先根據(jù)最佳拍攝距離在巷道底板繪制1 條與巖體平行的直線作為標(biāo)準(zhǔn)線，確保成像系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)線上移動，2 臺相機(jī)的連線與其平行或夾角小于5°，即可有效避免上述問題的產(chǎn)生。

2.2.2 控制點(diǎn)布設(shè)與目標(biāo)巖面定位

采用免棱鏡激光全站儀測量控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過空間極坐標(biāo)測量法獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于巖面質(zhì)量及控制點(diǎn)標(biāo)識方式的影響，造成Sirovision 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)測值間存在一定的偏差。為此，可按照如圖4 所示的方式于目標(biāo)巖面布置6 個控制點(diǎn)。采用2#、4#、5#控制點(diǎn)的測量坐標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)巖面的空間定位，利用1#、3#、6#控制點(diǎn)的測量坐標(biāo)與Sirovision系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

圖4 控制點(diǎn)布設(shè)形式Fig.4 Layout form of control points

表2 控制點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)測值與Sirovision 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)值對比Table 2 Comparison between measured values and statistic values of Sirovision system of control points m

由表2 可知，1#、3#、6#控制點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)測值與統(tǒng)計(jì)值間存在不同程度的誤差，由于全站儀為經(jīng)過標(biāo)定的設(shè)備，自誤差較小，因此推測誤差產(chǎn)生的原因主要有:①控制點(diǎn)選擇在巖石尖端或巖面顏色相對單一的位置，免棱鏡激光全站儀觀測時激光發(fā)生散射和折射，導(dǎo)致測量結(jié)果存在偏差;②現(xiàn)場采用噴涂十字交叉點(diǎn)的方式得到的控制點(diǎn)位置范圍較大，而全站儀照準(zhǔn)控制點(diǎn)后所得到的測量坐標(biāo)為激光點(diǎn)的位置，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)還原時無法精確對應(yīng)，產(chǎn)生測量誤差。對此，現(xiàn)場控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)于巖面相對平坦且有明顯的色塊交界處，標(biāo)識控制點(diǎn)時應(yīng)盡可能確保十字交叉位置能夠趨于1 點(diǎn)，減小目標(biāo)巖面的定位誤差。

2.2.3 結(jié)構(gòu)面繪制

Sirovision 系統(tǒng)提供了2 種巖體結(jié)構(gòu)面信息的識別方法:①基于后處理軟件的自動識別;②依托后處理軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)面特征，手工進(jìn)行繪制。對于結(jié)構(gòu)面數(shù)量較少且特征明顯的巖體采用第一種方法得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對唯一，但對于絕大部分巖體，結(jié)構(gòu)面數(shù)量較大且錯綜復(fù)雜，通常采用手工繪制的方式識別巖體結(jié)構(gòu)面信息。由于不同人員的操作經(jīng)驗(yàn)各異，導(dǎo)致相同的巖面繪制出不同數(shù)量的結(jié)構(gòu)面，從而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定的差異。任意2 位操作人員得到的3 組巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同操作人員得到的巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 3 Statistics results of rock mass structure surface of different operators

由表3 可知，不同的操作人員對于巖體結(jié)構(gòu)面信息的統(tǒng)計(jì)存在差異，導(dǎo)致按照產(chǎn)狀特性進(jìn)行的巖體結(jié)構(gòu)面分組的結(jié)果存在差異，造成了基于不同節(jié)理組間巖體的穩(wěn)定性分析結(jié)果存在較大誤差。對此，根據(jù)節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)，制定了繪制結(jié)構(gòu)面的一般原則:①繪制出露明顯并具有明顯延伸趨勢的單個結(jié)構(gòu)面;②根據(jù)節(jié)理發(fā)育特征繪制具有明顯交叉呈“X”型的剪節(jié)理;③繪制具有等距平行排列特征的平行剪節(jié)理;④繪制長度大于0.3 m 并具有明顯開口特征的張節(jié)理。按照上述原則繪制結(jié)構(gòu)面可以規(guī)范巖體結(jié)構(gòu)面的繪制方式，避免繪制的隨意性。

3 應(yīng)用實(shí)例

測試地點(diǎn)位于焦家金礦－450 m 中段，礦體賦存條件復(fù)雜，節(jié)理裂隙高度發(fā)育，礦巖破碎，穩(wěn)定性差，給礦山安全生產(chǎn)帶來了巨大威脅。針對試驗(yàn)礦塊開展破碎巖體的節(jié)理調(diào)查分析研究，查明該區(qū)節(jié)理方位、節(jié)理面的組數(shù)進(jìn)而推測巖體中危險塊體的位置。根據(jù)工程特點(diǎn)及穩(wěn)定性分析的需要，共布置9 個測點(diǎn)，并按照測點(diǎn)的集中分布特征將其劃分為5 個測區(qū)(見圖5)，以便將同一測區(qū)內(nèi)的三維巖面進(jìn)行合成。

圖5 調(diào)查區(qū)域測點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of measuring points in investigation area

試驗(yàn)礦塊所在的巷道寬3.5 m，選擇對應(yīng)的拍攝距離和垂直于測區(qū)巖體的位置，獲得巖面的二維圖像對并合成三維實(shí)體圖?；赟irovision 系統(tǒng)后處理軟件對節(jié)理裂隙進(jìn)行了數(shù)字化的識別，得到了如圖6 所示的節(jié)理面分布情況。

圖6 1# ～3#測點(diǎn)節(jié)理分布Fig.6 Jointed distribution of 1# ～3# measuring points

Sirovision 系統(tǒng)獲得的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)與實(shí)測值對比見表4。

表4 Sirovision 系統(tǒng)獲得的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)與實(shí)測值對比Table 4 Comparision of the parameters of rock mass structure surface obtained by Sirovision system and field measuring

由表4 可知，Sirovision 系統(tǒng)測量值與羅盤量測值十分接近，驗(yàn)證了本研究所提出的減小測量誤差方法的有效性。由Sirovision 系統(tǒng)的測量結(jié)果得到在該調(diào)查區(qū)內(nèi)存在3 組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，即61°∠355°、82°∠100°、78°∠275°，結(jié)合廣義楔形體理論，如果該3組結(jié)構(gòu)面同時出現(xiàn)在1 個測區(qū)內(nèi)且兩兩相交，則任意2 組結(jié)構(gòu)面均可構(gòu)成“V”型結(jié)構(gòu)，一旦該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在巷道頂板中便具備了狹義楔形體的結(jié)構(gòu)特征，此時巷道頂板極有可能出現(xiàn)冒落危險，如圖7 所示。

圖7 巖體穩(wěn)定性分析Fig.7 Rock mass stability analysis

由圖7 可知，1#～3#、4#～5#測點(diǎn)處的頂板中存在危險體結(jié)構(gòu)，可能對地下開采產(chǎn)生較大的威脅，需根據(jù)現(xiàn)場情況及時處理。

4 結(jié) 語

分析了Sirovision 系統(tǒng)的圖像獲取操作及數(shù)據(jù)處理過程，認(rèn)為目標(biāo)巖體控制點(diǎn)坐標(biāo)獲取、目標(biāo)巖體的圖像質(zhì)量，節(jié)理巖體的提取操作是產(chǎn)生測量誤差的主要原因，并給出了相應(yīng)的減小誤差措施。進(jìn)行了焦家金礦試驗(yàn)采場節(jié)理巖體調(diào)查與穩(wěn)定性分析，得到了調(diào)查區(qū)內(nèi)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的幾何統(tǒng)計(jì)參數(shù)及巖體的不穩(wěn)定位置，與羅盤測量獲得的數(shù)據(jù)誤差較小。

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