毛权生 曹纪刚

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山243000)

目前岩体结构面信息获取主要以人工现场接触测量为主，这种方法一是野外现场作业的工作量极大，二是采集的信息有限，不能满足对结构面做数理统计分析足够的样本。岩体三维非接触测量系统是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，是一种非接触式的测量手段［1］。该系统由可以进行高分辨率立体摄像的照相机、进行三维图像生成的模型重建软件和对三维图像进行交互式空间可视化分析的分析软件包组成。软件系统对不同角度的图像进行一系列的技术处理，实现实体表面真三维模型重构，在计算机可视化屏幕上从任何方位观察三维实体图像，使用电脑鼠标进行交互式操作来实现每个结构面个体的识别、定位、拟合、追踪以及几何形态信息参数(产状、迹长、间距、断距等)的获取，并进行纷繁复杂结构面的分级、分组、几何参数统计［2］。本研究采用奥地利3GSM 公司生产的ShapeMetriX3D 数字摄影测量系统对南泥湖钼矿采场高陡边坡进行了结构面采集和分析。

1 ShapeMetriX3D 系统工作原理［2-3］

(1)使用标定的照相机，从2 个不同的角度来对指定的区域进行成像。如图1，完整的数据采集过程如下:选定测点，树立范围杆，确保自由视角，在左边O1处拍摄第1 张照片，在右边O2处拍摄第2 张照片，移除范围杆。

图1 ShapeMetriX3D 图像合成原理Fig.1 Principle of ShapeMetriX3D image synthesis

(2)站点的数据采集完成后，该图像被转到电脑上，使用标杆系统设置3D 模型的距离模式以及方向信息对现场拍摄的同一部分边坡的2 个角度的照片进行3D 模型合成(见图2)，3D 模型重构完成后，在计算机屏幕上从任何方位观察生成的3D 模型。

图2 合成3D 地质模型Fig.2 Synthesis of 3D geological model

(3)使用JMX Analyst 模块对生成的3D 模型进行岩面以及裂隙等进行标识解译，标识解译后的三维模型(见图3)，使用电脑对结构面分组以及结构面进行识别、定位、拟合、追踪，获取结构面几何形态参数(产状、迹长、间距、断距等)，对结构面进行几何形态参数进行统计，为岩体结构面的模拟提供详细的数据。

图3 3D 边坡模型节理裂隙标注结果Fig.3 Joint and fracture marking at 3D slope model

2 工程应用

南泥湖钼矿采场目前主要揭露北帮及东帮的首采区位置，西帮、南帮及东南帮尚未开采。北帮(一区)最高点标高为+1 495 m，已开采至+1 330 m 标高，边坡最大垂直高度达到165 m，+1 390 m 以上边坡已经靠帮，现状边坡属于本次节理裂隙测量的主要范围，集中在北帮(一区)。根据边坡现状，台阶边坡角达到了75°，安全平台局部已塌落，局部坡面上节理裂隙没有办法采用现场测线法进行测量，针对这部分节理裂隙本次采用了ShapeMetriX3D 进行了测量。根据南泥湖钼矿采场现状，首先在边坡各分区选择具有代表性的岩体边坡(测线法观测点)，通过现场数字摄影测量，进行室内三维边坡节理裂隙模型合成、编译和图片资料判译，统计分析生成不连续面测量成果资料。

2.1 岩体边坡ShapeMetriX3D 测量合成模型

将现场同一边坡面所获取的2 张照片导入ShapeMetriX3D 软件分析系统，圈定出重点测量区域，系统根据像素点匹配、图像变形偏差纠正等一系列技术，对三维模型进行合成以及方位、距离的真实化，得到岩体表面的3D 模型，南泥湖钼矿采场北帮(一区)Ⅰ号测点、Ⅲ号测点的3D 模型见图4、图5。

图4 Ⅰ号测点合成3D 模型Fig.4 3D models of measuring pointⅠ

图5 Ⅲ号测点合成3D 模型Fig.5 3D models of measuring point Ⅲ

2.2 ShapeMetriX3D 测量节理裂隙标识解译图

在合成的3D 模型上，根据主要结构面的分布情况，对其结构面进行分组，不同颜色代表不同的组，主要的结构面分布有3 组，图6、图7 中和红色组、蓝色组、绿色组分别代表了Ⅰ号测点、Ⅲ号测点的3 组结构面。

2.3 边坡岩体结构面数理统计分析

(1)ShapeMetriX3D 系统根据结构面的空间展布及分组情况，绘制出结构面赤平极射投影图。Ⅰ号测点、Ⅲ号测点的赤平投影图如图8、图9 所示。

图6 Ⅰ号测点结构面标识解译Fig.6 Discontinuities identification and interpretation of pointⅠ

图7 Ⅲ号测点结构面标识解译Fig.7 Discontinuities identification and interpretation of point Ⅲ

图8 Ⅰ号测点结构面极点分布图Fig.8 Discontinuities pole distribution map of pointⅠ

图9 Ⅲ号测点结构面极点分布图Fig.9 Discontinuities pole distribution map of point Ⅲ

(2)边坡岩体结构面分析统计成果。根据Ⅰ号测点、Ⅲ号测点3D 模型上的3 组节理，统计出3 组节理的优势结构面产状、结构面之间对的间距和迹长，统计结果见表1。

表1 结构面几何形态参数统计分析结果表Table 1 Statistical analysis of discontinuities geometrical parameters

通过ShapeMetriX3D 数字摄影测量系统对南泥湖钼矿采场北帮(一区)的岩石边坡进行结构面测量、形成3D 模型、对结构面进行了统计分析，在边坡有条件的位置也采取了人工测量并统计分析，分析得出优势结构面产状和ShapeMetriX3D 系统的统计出的优势结构面产状非常相近，可以代表本区进行边坡破坏模型的判别和运用到岩体质量分级、岩体力学参数提取中。

3 结 论

目前岩体结构面信息获取主要以人工现场接触测量为主，劳动强度大、效率低下，本次采用了岩体三维非接触测量系统对南泥湖钼矿高陡边坡结构面进行测量，解决了传统的测线法低效、费力、耗时、不安全的弊端。同时该方法更加精细、准确地反映了岩体内部结构面分布情况，为后续的采场稳定性分析等工作提供了更加真实可靠的数据。

［1］ 周春霖，朱合华，赵 文.双目系统的岩体结构面产状非接触测量方法［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(1):111-117.

Zhou Chunlin，Zhu Hehua，Zhao Wen. Non-contact measurement of rock mass discontinuity occurrence with binocular system［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(1):111-117.

［2］ 王述红，杨 勇，王 洋，等. 基于数字摄像测量的开挖空间模型及不稳块体的快速识别［J］. 岩石力学与工程学报，2010，29(S1):3432-3438.

Wang Shuhong，Yang Yong，Wang Yang，et al.Spatial modelling and quick identification of unstable rock blocks based on digital photogrammetry［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S1):3432-3438.

［3］ 于天亮.岩体结构面信息数字识别及强度评价［D］. 沈阳:东北大学，2009.

Yu Tianliang.Digital Identification of the Discontinuities Information and Strength Evaluation of the Rockmass［D］.Shenyang:Northeastern University，2009.

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Zhao Xingdong，Liu Honglei，Guo Jiateng，et al. Study on unstable rockmass conjectural method of stope roof at Sanshandao Golden Mine［J］.Journal of Northeastern University:Natural Science，2011，32(7):1028-1031.