王培濤，馬馳，劉智超，蔡美峰

摘要：巖體質(zhì)量分級是判斷巖體質(zhì)量好壞，保障礦山工程安全和合理開展的重要基礎工作。采用立體成像技術(shù)，從巖體圖像信息分析和三維點云信息識別出發(fā)，通過分析點云空間三維信息得到了巖體的結(jié)構(gòu)面分布情況，基于巖體表面圖像信息分析得到了節(jié)理形態(tài)、風化程度等信息;提出了基于RMR法的節(jié)理巖體質(zhì)量快速分級方法，并結(jié)合節(jié)理巖體實例進行了應用可行性探討。該方法能夠為巖體質(zhì)量分級初步的快速判別和應用提供參考。

關(guān)鍵詞：巖石力學;巖體質(zhì)量分級;立體成像;三維點云;RMR法

中圖分類號：TD235文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2022）03-0027-06doi：10.11792/hj20220306

引 言

隨著淺部礦產(chǎn)資源逐年減少，深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用正成為獲取資源的主要途徑。節(jié)理巖體所處的深部地質(zhì)環(huán)境復雜，處在“三高”（高應力、高地溫、高水壓）環(huán)境下，查清其力學性質(zhì)是開展工程穩(wěn)定性的一項重要研究內(nèi)容。巖體質(zhì)量評價分級是根據(jù)現(xiàn)場巖體的巖石強度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和水文環(huán)境等條件，通過一定的量化方法進行分級的工作，是對現(xiàn)場工程巖體進行初判的一項重要的基礎工作，是預測巖體力學性質(zhì)的重要途徑之一，受到越來越多巖土工作者的重視[1-6]。

開展巖體質(zhì)量分級的前提是各項指標要簡單易測，以便能夠方便地應用于巖體工程。常見的巖體分級方法包括巖石質(zhì)量指標RQD法（RQD法）、巖體評分RMR法（RMR法）、Q系統(tǒng)分類法、巖體基本質(zhì)量指標BQ法（BQ法）及基于地質(zhì)強度指標GSI的巖體質(zhì)量評價法（GSI法）等。這些方法主要考慮的參數(shù)指標分為3個方面：①結(jié)構(gòu)體的強度，即完整巖石的強度;②結(jié)構(gòu)面的條件，包括結(jié)構(gòu)面的密集程度、風化程度、填充物強度等;③巖體所處的水文應力環(huán)境，如地應力、滲水等情況。不同方法所考慮的指標及權(quán)重不同，如RQD法從鉆孔取心的完整性角度來判斷巖體的質(zhì)量，這一方法能夠反映巖石的強度、結(jié)構(gòu)面間距（密集程度）及結(jié)構(gòu)面填充物的強弱等信息;RMR法則是既考慮了RQD指標，還考慮了巖石強度、結(jié)構(gòu)面密集程度、節(jié)理條件、滲水條件和節(jié)理與工程的走向關(guān)系，其包含6項計算指標;GSI法主要考慮了結(jié)構(gòu)面的密集程度（或巖體被不連續(xù)面切割程度）和風化狀況。

進行巖體質(zhì)量分級的常規(guī)方法是開展巖石的室內(nèi)力學強度試驗，結(jié)合測線法或結(jié)構(gòu)面攝影測量技術(shù)開展結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計分析，結(jié)合各項指標的常規(guī)獲取方法，得到目標指標的計算值。陳贊成等[7]對呼的合銅礦巖體開展了巖體質(zhì)量分級評價工作，采用測線法對礦區(qū)巖體開展了長度52 m、總計277條節(jié)理裂隙的調(diào)查分析。王樂華等[8]針對RMR法評價體系中的巖石強度、RQD值和結(jié)構(gòu)面間距取值進行了修正，實現(xiàn)了評分的連續(xù)性。岳中琦[9]提出了利用鉆孔全過程實時監(jiān)測技術(shù)的鉆孔過程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)來完善和提升現(xiàn)有的工程巖體質(zhì)量評價方法，能夠快捷地測量或計算得到巖石塊體的單軸抗壓強度，界面斷面的產(chǎn)狀、延伸、平整度、厚度和充填物質(zhì)的物理和力學性質(zhì)。學者針對巖體質(zhì)量評價方法進行了一系列改進，但是在現(xiàn)場眾多礦山實際應用中，還多采用傳統(tǒng)的方法[10]，尤其在結(jié)構(gòu)面調(diào)查方面統(tǒng)計工作量很大。閆長斌等[11]針對含層間剪切帶的層狀巖體，提出了巖體質(zhì)量分級修正方法，將剪切帶層厚度分為大于10 cm和小于10 cm 2種，并給出了相應的定量計算標準。隨著工程勘查速度的提高，像測線法這種近距離式測量方法的工作量大、效率低、耗時長等缺點日益明顯，逐漸難以滿足大規(guī)模巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的要求，也成為了難以普遍開展巖體質(zhì)量調(diào)查的主要阻礙，因此亟需研究能夠提高巖體質(zhì)量分級效率的方法并推廣應用。

開展巖體質(zhì)量調(diào)查是查清巖體工程特性的前提，開展更加快捷可靠的巖體質(zhì)量分級是保障巖體工程穩(wěn)定性的重要工作。本文采用雙目立體成像技術(shù)，利用MATLAB編程平臺開展了巖體三維結(jié)構(gòu)識別和RMR巖體質(zhì)量快速分級法研究。通過立體成像建模實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面點云的產(chǎn)狀信息分析，實現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、間距、體積密度等信息的快速化識別與優(yōu)化;進一步對采集到的巖體圖像信息進行識別和分析，初步得到巖體表面滲水信息、風化信息的典型灰度變換規(guī)律，初步實現(xiàn)了自動獲取RMR指標值的巖體質(zhì)量快速分析法，并探討了該方法的工程應用可行性。

1 巖體質(zhì)量快速分級法原理

1.1 RMR法巖體質(zhì)量分級

本文以RMR法為基礎開展了基于立體成像的礦山巖體質(zhì)量快速分級方法研究，RMR法由Bieniawski提出并改進[12-13]，RMR法采用5項基本參數(shù)進行巖體分級，即完整巖石強度、巖石質(zhì)量指標、結(jié)構(gòu)面間距、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面條件、地下水條件等計算出巖體質(zhì)量情況，經(jīng)過修正后得到標準分級數(shù)。其中，各個基本參數(shù)的具體評分標準如表1所示。

根據(jù)表1得到RMR基本評分值后，根據(jù)工程布置與巖體結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，還需要修正RMR指標，修正依據(jù)如表2、表3所示。最后，根據(jù)表4可以得到巖體質(zhì)量和分級結(jié)果，并基于分級情況開展巖體穩(wěn)定性和剪切強度的初步評估。

1.2 RMR法指標獲取方法

RMR法考慮了巖石的強度指標，同時考慮了結(jié)構(gòu)面情況和巖體所處的水環(huán)境條件。在進行巖體質(zhì)量評價時考慮了6個方面指標，其中巖石強度可以直接通過室內(nèi)單軸壓縮試驗或原位點荷載試驗獲取;結(jié)構(gòu)面信息比較普遍的獲取方式是采用測線法、結(jié)構(gòu)面攝影測量技術(shù)（如ShapeMetrix3D、Sirovision等）或三維激光掃描技術(shù)，通過開展結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場勘查、信息處理、數(shù)據(jù)分析，得到必要的結(jié)構(gòu)面空間幾何數(shù)據(jù)，這些方法需要后期開展大量的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計工作。對于地下水條件如一般條件（完全干燥或潮濕），可以通過現(xiàn)場的勘查進行評價，隧道涌水量和節(jié)理滲水壓力需要根據(jù)現(xiàn)場的涌水量測量結(jié)果，并結(jié)合地應力場測量結(jié)果進行聯(lián)合分析。整體上，目前礦山工程中普遍采用的RMR法效率略低，相對滯后于巖體工程快速施工的需求。

1.3 基于立體相機的巖體信息識別

為了提高基于RMR法的礦山巖體質(zhì)量評價和分級方法的效率，本文探索了采用雙目立體攝像系統(tǒng)開展巖體質(zhì)量評價輔助分析研究。基于LenaCV雙目立體相機開展巖體信息識別原理如圖1所示。通過

該相機不僅可以獲取成對匹配的左、右圖像，還可以得到連續(xù)的巖體表面視頻信息，能夠為巖體連續(xù)、大范圍的質(zhì)量評價提供有效數(shù)據(jù)。首先，對于獲得的巖體圖像，可以直接得到非常豐富的信息，包括巖體的表面條件（巖石基質(zhì)的風化情況）、結(jié)構(gòu)面基本情況（結(jié)構(gòu)面粗糙情況、節(jié)理的寬度或張開度）、水文環(huán)境信息（巖體表面的干燥、潮濕情況，節(jié)理的滲水情況等）;采用雙目立體相機可以通過雙目圖像立體建模，得到三維巖體表面的點云信息，通過點云數(shù)據(jù)的分析，可以得到結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、密度、產(chǎn)狀（傾向和傾角）和間距等重要信息[14-16]。

點云是指在某一坐標參考系下描述目標空間位置分布的海量數(shù)據(jù)的集合，是物體表面一批空間點構(gòu)成的集合的幾何表達。三維點云數(shù)據(jù)可以包括三維坐標：即表面的空間分布信息、RGB色彩、掃描方向等信息?；陔p目立體視覺的三維點云分析是開展巖體質(zhì)量評價和分級的基礎。一方面，可以得到巖體的表面顏色信息，根據(jù)像素信息的識別和訓練，能夠為跡線分布、表面風化、滲水等多種信息的有效識別提供可靠方法;另一方面，基于雙目立體成像分析方法，能夠得到巖體表面三維點云信息。

筆者基于三維點云得到了結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和分組信息[17]，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面的密度和間距信息的自動識別（如圖2所示），根據(jù)點云的空間分布，可以通過夾角閾值來判斷結(jié)構(gòu)面分組信息和產(chǎn)狀信息;同時，通過聚類分析可以開展結(jié)構(gòu)面點組聚類和空間距離判斷，能夠為基于三維點云信息開展結(jié)構(gòu)面信息快速識別和巖體質(zhì)量分級提供可靠的方法。

2 基于三維點云信息的巖體質(zhì)量評價

2.1 基于RMR法的巖體質(zhì)量分級方法

基于RMR法的巖體質(zhì)量評價指標取值原理如圖3所示。對于RMR法的5個指標中，關(guān)于結(jié)構(gòu)面間距取值可由點云信息識別結(jié)果獲取，巖體結(jié)構(gòu)面信息可以通過分析三維點云信息得到。首先確定各點云法向量，然后根據(jù)法向量夾角進行點云分組，得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息;再根據(jù)聚類分析把點組分為點簇，得到巖體密度、巖體結(jié)構(gòu)面間距、巖體結(jié)構(gòu)面斷距及巖體近似體積等信息。對于強度及RQD值等其他4個參數(shù)可以按照測試結(jié)果輸入打分分級系統(tǒng)。例如：在對完整巖石強度進行打分時，已知的是單軸抗壓強度，就可以選擇人工輸入單軸抗壓強度，實現(xiàn)對完整巖石強度的打分;同理RQD指標也可以通過人工輸入實現(xiàn)，此時可以得到RMR法初步打分結(jié)果;當選擇需要修正時，通過相關(guān)修正條件，可得到最終RMR法分級打分結(jié)果，這種方法能夠提高巖體質(zhì)量分級的分析速度，一定程度減少人工計算工作量，提高了巖體質(zhì)量分級的效率。

2.2 基于RMR法的巖體質(zhì)量分級程序?qū)崿F(xiàn)

對某一礦山工程巖體開展質(zhì)量分級分析。巖體中巖石的單軸抗壓強度為175 MPa，巖石質(zhì)量指標RQD值為80 %，根據(jù)點云信息分析結(jié)果（如圖2所示），結(jié)構(gòu)面平均間距為215 mm;結(jié)合巖體表面圖像分析，得到結(jié)構(gòu)面風化嚴重，表面滲水情況顯著（水壓<0.1 MPa），且根據(jù)結(jié)構(gòu)面角度和巷道走向，方向判斷非常有利。用戶輸入的參數(shù)及計算結(jié)果如表5、表6所示。

相關(guān)程序的運行結(jié)果如圖4所示，修正后的RMR指標為69，分級結(jié)果為Ⅱ級，巖體質(zhì)量非常好。需要指出的是，程序中的完整巖石強度、巖石質(zhì)量指標RQD、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面條件和地下水條件需要人工干預，即提前輸入相關(guān)條件;結(jié)構(gòu)面間距信息基于立體成像后的三維點云數(shù)據(jù)進行自動分析，最終實現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的巖體質(zhì)量快速分級和評價。在下一步研究中，需要進一步開展相關(guān)指標的自動評價方法研究，研究巖體表面圖像與滲水、風化乃至強度之間的定量關(guān)系，為全自動的巖體質(zhì)量快速分級工作提供更便捷、可靠的方法。

2.3 討 論

采用雙目立體攝像系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于可以采集工程視頻信息，視頻信息不僅包含了圖像的所有信息，同時還可以收集多幀巖體圖像，因此理論上能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的礦山巖體質(zhì)量分級和評價?；谝曨l的巖體表面節(jié)理跡線快速識別和分析結(jié)果如圖5所示，該技術(shù)的應用前景非常廣泛。例如：可以將技術(shù)成熟的雙目立體攝像系統(tǒng)及處理軟件集成布置在工人的安全帽或其他便攜裝備上，實現(xiàn)任意區(qū)域（巷道、采場等）實時的巖體信息采集、識別和質(zhì)量的快速評價，將大大減少專門開展巖體質(zhì)量評價的工作量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)新鮮揭露巖體質(zhì)量的及時分析。

目前，筆者已經(jīng)實現(xiàn)了基于節(jié)理跡線產(chǎn)狀信息的快速識別（如圖6所示），根據(jù)現(xiàn)場巖體揭露的節(jié)理跡線，實現(xiàn)了平滑出露結(jié)構(gòu)面跡線的識別，配合三維點云的結(jié)構(gòu)面信息分析結(jié)果，將能夠更充分分析巖體結(jié)構(gòu)面的分布特征。后續(xù)工作將進一步完成基于視頻的結(jié)構(gòu)面點云連續(xù)建模和信息快速分析，以期為基于立體成像技術(shù)的礦山巖體質(zhì)量分級提供更加快速的分析方法。

另外，對于一些指標的輸入方法，RQD值和巖石強度采用人工輸入的方式，在下一步研究中，可以研究RQD值與結(jié)構(gòu)面分布的關(guān)聯(lián)性、巖體強度與表面材質(zhì)（顏色、破碎情況）等的定量關(guān)系，初步實現(xiàn)計算機自動判斷，最終實現(xiàn)巖體質(zhì)量分級的完全自動分析。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于立體成像技術(shù)的RMR法巖體質(zhì)量快速分級及評價分析方法，基于MATLAB實現(xiàn)了半自動的巖體質(zhì)量評價和分級?；趲r體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距、體積密度等識別信息，結(jié)合用戶輸入巖石強度參數(shù)、滲水、風化等其他指標，實現(xiàn)了巖體質(zhì)量的快速評價，本研究為開展工程節(jié)理巖體質(zhì)量的半自動評價提供了參考方法。本文提出的巖體質(zhì)量評價打分指標獲取并未實現(xiàn)全部自動化，后續(xù)應開展巖體多尺度圖像信息與巖體條件、強度等信息的關(guān)聯(lián)性研究，實現(xiàn)巖體質(zhì)量評價的快速、智能化，為礦山工程巖體質(zhì)量評價工作提供快捷、可靠的分析方法和平臺。

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Study of mine rock mass quality rapid grading method based on stereoimaging technology

Wang Peitao1，2，3，Ma Chi1，3，Liu Zhichao1，3，Cai Meifeng1，3

（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine，University of Science

and Technology Beijing; 2.State Key Laboratory for Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining;

3.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：Rock mass quality grading is important basic work to judge the rock mass quality and guarantee safe and reasonable mine engineering.Stereoimaging technology is used，the rock mass image information is analyzed and 3D point cloud information is recognized.The rock mass structural face distribution is obtained by analyzing point cloud spatial 3D information.Based on rock mass surface image information analysis，the joint morphology and weather-ing conditions are obtained.The joint rock mass quality rapid grading method is proposed based on RMR，whose feasibility has been discussed in the case study of joint rock mass.The method can provide reference for preliminary rapid judgment and application of rock mass quality grading.

Keywords：rock mechanics;rock mass quality grading;stereoimaging;3D point cloud;RMR method