何 祥 楊天鴻 南世卿 黃慶云 李 洋

(1.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;⒉東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819;3.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山063701)

近年來，隨著資源的不斷開發(fā)利用，深凹露天礦成為世界上露天礦山的發(fā)展趨勢［1］。深凹開采過程中，隨著邊坡的加高和開采深度的增加，合理評價(jià)露天礦邊坡穩(wěn)定性，對礦山回收資源，控制成本和保障安全生產(chǎn)具有重要意義。露天礦邊坡工程是一個(gè)集“勘探—評價(jià)—治理—監(jiān)測”于一體的循環(huán)的動態(tài)過程，它貫穿于露天礦開采的整個(gè)生命周期。隨著露天開采的進(jìn)行，邊坡不斷被揭露，各種地質(zhì)、巖石力學(xué)相關(guān)信息越來越豐富。這些不斷增加的信息與工程、施工和監(jiān)測等數(shù)據(jù)構(gòu)成的多元數(shù)據(jù)集對于我們科學(xué)合理評價(jià)露天礦邊坡穩(wěn)定性與治理方案具有重大意義。然而在多數(shù)情況下人們僅僅利用了其中一小部分?jǐn)?shù)據(jù)作出工程決策，這很難作出高質(zhì)量的決策［2］。同時(shí)現(xiàn)代數(shù)字化勘察手段(如，三維巖體不接觸測量、三維激光掃描、鉆孔攝像和地質(zhì)雷達(dá)等)的豐富為快速、精確勘察提供了新的有效途徑。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于礦業(yè)工程、水電工程中取得了一系列成果。英國諾丁漢大學(xué)開發(fā)出一系列的礦山虛擬現(xiàn)實(shí)模型，如礦山安全系統(tǒng)，井下房柱式開采系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)－ VR －MINE，露天礦單斗卡車作業(yè)系統(tǒng)、礦井開采系統(tǒng)模擬模型等［3］。德國DMT 大學(xué)開發(fā)出采礦專業(yè)學(xué)生的訓(xùn)練軟件礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG［4］。加拿大勞倫森大學(xué)提出共通地質(zhì)模型的概念，并將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于地下工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中取得巨大成功［2］。美國西部礦業(yè)健康安全培訓(xùn)和轉(zhuǎn)化中心聯(lián)合匹茲堡大學(xué)開發(fā)出用于對頂板錨桿支護(hù)工人進(jìn)行培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在我國，安葳鵬、曾偉、王兵建等分別基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出井下人員培訓(xùn)和礦工安全培訓(xùn)系統(tǒng)［5-7］。東北大學(xué)楊天鴻等開發(fā)出一系列礦山虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用于礦山巖石力學(xué)研究、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警以及教學(xué)中，取得良好效果［8-9］。在水利水電邊坡工程方面，鐘登華提出了一種新的基于NURBS 算法的巖體結(jié)構(gòu)三維可視化構(gòu)造技術(shù)［10］。孟永東、徐衛(wèi)亞等發(fā)展了該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于X3D 技術(shù)的邊坡工程虛擬現(xiàn)實(shí)場景實(shí)時(shí)動態(tài)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)場景對象可視化交互式查詢，并提出邊坡工程中監(jiān)測數(shù)據(jù)三維云圖實(shí)時(shí)動態(tài)可視化方法［11］。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還在礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸、圍巖穩(wěn)定性評價(jià)等方面也得到較廣泛應(yīng)用。

本研究通過多種數(shù)字化勘察手段，以東北大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺為基礎(chǔ)，建立了露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實(shí)信息集成系統(tǒng)。以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例，對其邊坡工程勘察、現(xiàn)場工程和分析計(jì)算等多元數(shù)據(jù)的融合分析與虛擬可視化。開發(fā)出帶有虛擬漫游、數(shù)據(jù)庫查詢和交互控制功能的一整套虛擬礦山系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維可視化顯示和解析，對邊坡工程多元數(shù)據(jù)信息的可視化融合，以增強(qiáng)人們同時(shí)解讀和分析多種數(shù)據(jù)能力，加強(qiáng)項(xiàng)目小組成員合作，準(zhǔn)確、高效地對邊坡穩(wěn)定性做出評價(jià)，達(dá)到預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的目的［2］。

1 司家營鐵礦露天邊坡工程概況

司家營鐵礦位于河北省唐山市灤縣，隨著開采深度的增加，目前該礦東幫巖質(zhì)邊坡高度已達(dá)200 余m。自2012 年以來一期工程露天采場扒豆山東北部巖質(zhì)邊坡和西幫中部土質(zhì)邊坡相繼發(fā)生不同規(guī)?；聻?zāi)害。目前，東幫邊坡坡頂及部分已經(jīng)靠幫臺階出現(xiàn)大量張裂縫表明，急需對該礦邊坡進(jìn)行補(bǔ)充勘察，對穩(wěn)定性做出合理評價(jià)從而提出治理和監(jiān)測方案，保障安全、高效生產(chǎn)。

工程地質(zhì)勘查表明:邊坡淺部主要巖性為石英砂巖、混合巖化黑云變粒巖。根據(jù)風(fēng)化程度的不同可分為:強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化3 種?？傮w產(chǎn)狀為傾向變化在260° ～320°之間，傾角變化在50° ～60°之間，屬順傾邊坡。其中由北部邊坡巖體節(jié)理較中部發(fā)育，巖體較破碎，巖體強(qiáng)度總體上呈由北向南逐漸降低趨勢。邊坡深部主要巖性為黑云變粒巖和礦石(磁鐵石英巖)，巖體質(zhì)量較好。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建立

露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建立流程如圖1 所示，主要分為以下4 個(gè)部分［5］。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立流程Fig.1 Flow chart for the establishment of VR system

(1)三維場景建模。根據(jù)搜集的地質(zhì)、測量數(shù)據(jù)和工程勘察數(shù)據(jù)，利用礦業(yè)工程軟件建立三維地質(zhì)模型、采場模型和工程建構(gòu)筑物等三維模型。將三維模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺為后續(xù)工作準(zhǔn)備。

(2)信息集成與查詢。對外部數(shù)據(jù)如結(jié)構(gòu)面攝影測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)雷達(dá)等多元勘探數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)。對重構(gòu)后的三維模型，集成到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之中。建立搜集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，通過虛擬現(xiàn)實(shí)平臺模型與數(shù)據(jù)庫ADO 接口，將模型與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。

(3)建立交互控制系統(tǒng)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)自帶腳本語言，實(shí)現(xiàn)利用鼠標(biāo)鍵盤等外設(shè)實(shí)現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互控制，如模型的顯示與隱藏、動畫播放、虛擬漫游和屬性查詢。

(4)真三維立體展示。通過背投等真三維展示立體設(shè)備，為項(xiàng)目合作各單位展示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以便復(fù)雜的多元空間數(shù)據(jù)得到充分理解，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目范圍內(nèi)數(shù)據(jù)綜合化，改善三維理解，減少錯(cuò)誤判斷，加強(qiáng)項(xiàng)目各專業(yè)的合作。

2.1 基于三維激光掃描的露天采場三維建模

露天采場空間幾何形狀復(fù)雜多變，同時(shí)采場揭露邊坡具有豐富的地質(zhì)及巖體力學(xué)信息，掌握這些信息對合理評價(jià)邊坡穩(wěn)定性大有裨益。三維激光掃描技術(shù)具有連續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)，高精度與快速等優(yōu)勢，能夠快速獲得露天采場數(shù)字高程模型(DEM)。結(jié)合衛(wèi)星影像和現(xiàn)場采集影像，對DEM 模型進(jìn)行紋理映射，從而實(shí)現(xiàn)露天采場逼真的虛擬可視化。因此，三維激光掃描技術(shù)為快速獲取露天采場動態(tài)的空間幾何輪廓和揭露地質(zhì)信息，建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種新的高效手段。

通過三維激光掃描得到采場DEM 模型如圖2(a)所示。該模型只有空間幾何信息沒有紋理信息，通過對該模型進(jìn)行紋理映射操作，進(jìn)一步得到露天采場虛擬三維模型如圖2(b)所示。該虛擬模型不僅具有采場空間幾何信息，而且能反映巖體巖性，巖體質(zhì)量等直觀的紋理信息，能夠指導(dǎo)露天礦邊坡工程勘察與評價(jià)治理。

圖2 露天采場三維模型Fig.2 3D model of open-pit stope

2.2 礦山三維地質(zhì)模型構(gòu)建

三維地質(zhì)建模包括三維地質(zhì)模型的生成、可視化、空間分析和應(yīng)用等［12］，本研究具體指建立地層、斷裂、礦體和露天采場的三維模型和進(jìn)行空間拓?fù)浞治觥?/p>

將露天邊坡三維模型和工程地質(zhì)調(diào)查成果，如巖性、巖性分界線、產(chǎn)狀等地質(zhì)信息綜合集成到露天采場三維模型中，得到包含空間幾何信息，紋理信息和工程地質(zhì)信息的露天邊坡虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型如圖3所示。

圖3 采場邊坡三維模型Fig.3 3D model of open-pit slope

對搜集的鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖等地質(zhì)資料分析整理，利用礦業(yè)工程軟件3DMine 建立礦體、開采境界、斷層和工程建構(gòu)筑物等一整套三維地質(zhì)模型。將模型導(dǎo)入3Ds Max 中進(jìn)行紋理貼圖和渲染，使其滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建需要，如圖4 所示。

圖4 礦山三維地質(zhì)模型Fig.4 3D geological model of mine

2.3 巖體結(jié)構(gòu)面三維重構(gòu)與信息集成

邊坡巖體結(jié)構(gòu)面對于邊坡穩(wěn)定性具有重要意義，相對傳統(tǒng)現(xiàn)場測線法測量，數(shù)字化勘察手段，如:三維巖體不接觸測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用使邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查近年取得巨大進(jìn)展［13］。與傳統(tǒng)勘察手段相比，數(shù)字化勘察手段更加快速、精確和全面，同時(shí)，相應(yīng)的數(shù)字化成果(如節(jié)理產(chǎn)狀、節(jié)理間距和斷距等)可以更加方便地通過軟件接口與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)融合。

本研究通過三維巖體不接觸測量、鉆孔攝像和孔內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)綜合勘察，查明邊坡巖體結(jié)構(gòu)面空間展布。通過各軟件接口進(jìn)行三維重構(gòu)后集成到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，以便于直觀展示結(jié)構(gòu)面與邊坡巖體空間拓?fù)潢P(guān)系。

2.3.1 基于3GSM 的結(jié)構(gòu)面調(diào)查與三維重構(gòu)

借助先進(jìn)的3GSM 三維巖體不接觸測量技術(shù)，對司家營鐵礦邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行現(xiàn)場測量，獲取一系列真實(shí)描述巖體宏觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像，提取節(jié)理幾何形態(tài)空間分布信息，建立巖體結(jié)構(gòu)面空間分布模型。以23 號測量點(diǎn)為例，建模過程簡述如下:首先，利用ShapeMetrix 3D 軟件分析系統(tǒng)得到巖體表面的三維視圖。其次，在合成的三維圖上，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙的分布情況及3GSM 分組的原則將該測點(diǎn)結(jié)構(gòu)面分為2 組，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為:262.35°∠26.65°，149.65°∠78.03°，分別如圖5 中的深、淺面所示。最后，將該模型移植到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，并添加其產(chǎn)狀、斷距等信息查詢功能。

圖5 巖體中節(jié)理分布情況Fig.5 The distribution of the joints in rock mass

2.3.2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查與三維重構(gòu)

鉆孔攝像技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量、巖性區(qū)分、風(fēng)化帶和破碎帶調(diào)查、超前勘探等，彌補(bǔ)了勘探和場地調(diào)查的不足［14-15］。鉆孔雷達(dá)測量可以提供斷裂構(gòu)造在巖體中橫向的延展特征［15］。通過兩者結(jié)合，將獲得的產(chǎn)狀信息與結(jié)構(gòu)面空間延展性相互結(jié)合，共同確定了巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)，更好發(fā)揮各自優(yōu)勢。

圖6 為鉆孔攝像與孔內(nèi)雷達(dá)測試結(jié)果的對比分析。由圖6 可知，2 鉆孔處邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，其中N17 －2 鉆孔處破碎帶尤為發(fā)育，順層節(jié)理發(fā)育，N12 －2 鉆孔處巖體質(zhì)量稍好，順傾節(jié)理相對較少。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)還可初步確定巖體結(jié)構(gòu)面空間延展情況。

圖6 鉆孔攝像與孔內(nèi)雷達(dá)測試結(jié)果的對比分析Fig.6 Comparison and analysis of digital borehole camera result and borehole radar result

對虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，使其三維可視化集成巖體結(jié)構(gòu)面信息，同時(shí)具有查詢功能。圖7 為鉆孔處巖體的結(jié)構(gòu)面三維展布的虛擬三維模型。

圖7 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面三維模型Fig.7 3D model of discontinuity in slope rock mass

2.4 露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建

在建立的三維場景基礎(chǔ)之上，通過對數(shù)字化勘察數(shù)據(jù)(工程地質(zhì)勘探、物探數(shù)據(jù))，分析計(jì)算數(shù)據(jù)(關(guān)鍵塊體、安全系數(shù)等)等進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與融合。并開發(fā)具有信息查詢和交互控制的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)集成主要通過數(shù)據(jù)庫的方式，數(shù)據(jù)查詢通過虛擬現(xiàn)實(shí)平臺模型與數(shù)據(jù)庫ADO 接口，將模型與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)雙擊模型查詢對應(yīng)數(shù)據(jù)信息。圖8 所示即為該系統(tǒng)鉆孔結(jié)構(gòu)面信息的查詢界面。

圖8 數(shù)據(jù)庫查詢界面Fig.8 The database query interface

交互控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶自主控制虛擬場景的目的。例如:模型的顯示與隱藏、虛擬漫游、動畫播放、數(shù)據(jù)查詢等，如圖9 所示。

3 系統(tǒng)在露天邊坡工程中的應(yīng)用

露天礦邊坡虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過將三維地質(zhì)模型與多元勘察數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算模擬數(shù)據(jù)等綜合分析，以解決露天礦邊坡工程中的實(shí)際問題，以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例說明。

圖9 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)交互界面Fig.9 Virtual reality system interface

首先，對邊坡巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析，點(diǎn)荷載試驗(yàn)和巖體質(zhì)量評價(jià)，通過廣義Hoek － Brown 準(zhǔn)則對邊坡巖體強(qiáng)度進(jìn)行估值并進(jìn)行工程巖體質(zhì)量分級，結(jié)果如表1 所示，這些數(shù)據(jù)為邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和治理提供基本依據(jù)。

表1 各邊坡穩(wěn)定性分區(qū)內(nèi)巖體質(zhì)量和強(qiáng)度Table 1 The rock quality and rockmass strength of each slope stability division

其次，通過極限平衡法計(jì)算該礦邊坡不同區(qū)域安全系數(shù)，綜合分析提出對應(yīng)治理措施，如表2 所示。由表2 可知:自然狀態(tài)下，東幫邊坡在N9 ～N15 勘探線之間安全系數(shù)不能達(dá)到1.15 的要求，疏干排水條件下，N10 ～N15 區(qū)域不能達(dá)到1.15 的安全系數(shù)要求，需要采取其他必要措施?；谝陨戏治?，對該邊坡提出削坡放緩加疏干排水的治理方案。此外，上述方案可以降低邊坡整體滑坡風(fēng)險(xiǎn)，但是由于其地質(zhì)復(fù)雜性仍需要進(jìn)一步通過雷達(dá)監(jiān)測、位移監(jiān)測和微震監(jiān)測等多手內(nèi)外段協(xié)同監(jiān)測邊坡變形和破壞。

最后，綜合以上分析得出邊坡安全性分區(qū)如圖10 所示。對不同分區(qū)的地質(zhì)信息，巖體力學(xué)信息，評價(jià)結(jié)果及治理方案等集成于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，方便在露天礦整個(gè)生命周期中對邊坡工程信息進(jìn)行管理與查詢。同時(shí)，該分區(qū)可為礦山露天開采境界優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確定邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域，為后續(xù)監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域確定提供依據(jù)，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐，提高礦山生產(chǎn)安全性以及礦山經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，結(jié)合數(shù)字化勘察成果與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以快速構(gòu)建露天礦邊坡工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，指導(dǎo)露天礦邊坡評價(jià)與治理。虛擬現(xiàn)實(shí)在三維地質(zhì)模型展示，多元勘探數(shù)據(jù)可視化，邊坡工程綜合信息集成等方面具有巨大優(yōu)勢。通過進(jìn)一步開發(fā)，可為實(shí)時(shí)監(jiān)測與監(jiān)控的預(yù)警平臺打下基礎(chǔ)。

表2 各邊坡穩(wěn)定性分區(qū)安全系數(shù)和治理措施Table 2 The safety factor and prevention measures of each slope stability division

圖10 司家營鐵礦東幫邊坡穩(wěn)定性分區(qū)Fig.10 Analysis of slope stability by sub-regions in open-pit of Sijiaying Iron Mine

4 結(jié) 論

(1)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成數(shù)字化勘察(巖體結(jié)構(gòu)三維不接觸測量、采場三維激光掃描、鉆孔攝像和地質(zhì)雷達(dá)探測)成果，以東北大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺為基礎(chǔ)，建立了集三維地質(zhì)模型、工程模型等虛擬場景與具有數(shù)據(jù)查詢和交互控制于一體的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，豐富了虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)涵，拓寬了虛擬現(xiàn)實(shí)在露天礦邊坡工程中的應(yīng)用。

(2)以司家營鐵礦東幫邊坡工程為例，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對邊坡工程勘察、現(xiàn)場工程和分析計(jì)算等多元數(shù)據(jù)的融合分析與虛擬可視化，綜合分析得到邊坡穩(wěn)定性分區(qū)與治理方案，對該礦露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)得出合理治理措施。

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字勘察手段的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多元勘察數(shù)據(jù)的融合分析，較傳統(tǒng)勘探數(shù)據(jù)平面、三維地質(zhì)模型表達(dá)更進(jìn)一步，提升了其沉浸感和交互性。該系統(tǒng)可進(jìn)一步與邊坡表面內(nèi)部系統(tǒng)監(jiān)測成果相結(jié)合升級為礦山監(jiān)測預(yù)警平臺。

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