虚拟现实技术在露天矿边坡工程中的应用

何 祥 杨天鸿 南世卿 黄庆云 李 洋

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳110819;⒉东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;3.河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北 唐山063701)

近年来，随着资源的不断开发利用，深凹露天矿成为世界上露天矿山的发展趋势［1］。深凹开采过程中，随着边坡的加高和开采深度的增加，合理评价露天矿边坡稳定性，对矿山回收资源，控制成本和保障安全生产具有重要意义。露天矿边坡工程是一个集“勘探—评价—治理—监测”于一体的循环的动态过程，它贯穿于露天矿开采的整个生命周期。随着露天开采的进行，边坡不断被揭露，各种地质、岩石力学相关信息越来越丰富。这些不断增加的信息与工程、施工和监测等数据构成的多元数据集对于我们科学合理评价露天矿边坡稳定性与治理方案具有重大意义。然而在多数情况下人们仅仅利用了其中一小部分数据作出工程决策，这很难作出高质量的决策［2］。同时现代数字化勘察手段(如，三维岩体不接触测量、三维激光扫描、钻孔摄像和地质雷达等)的丰富为快速、精确勘察提供了新的有效途径。

近年来，国内外学者将虚拟现实应用于矿业工程、水电工程中取得了一系列成果。英国诺丁汉大学开发出一系列的矿山虚拟现实模型，如矿山安全系统，井下房柱式开采系统虚拟现实系统－ VR －MINE，露天矿单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等［3］。德国DMT 大学开发出采矿专业学生的训练软件矿井决策模拟系统STMBERG［4］。加拿大劳伦森大学提出共通地质模型的概念，并将虚拟现实技术用于地下工程规划设计中取得巨大成功［2］。美国西部矿业健康安全培训和转化中心联合匹兹堡大学开发出用于对顶板锚杆支护工人进行培训的虚拟现实系统。在我国，安葳鹏、曾伟、王兵建等分别基于虚拟现实技术开发出井下人员培训和矿工安全培训系统［5-7］。东北大学杨天鸿等开发出一系列矿山虚拟现实系统，用于矿山岩石力学研究、灾害监测与预警以及教学中，取得良好效果［8-9］。在水利水电边坡工程方面，钟登华提出了一种新的基于NURBS 算法的岩体结构三维可视化构造技术［10］。孟永东、徐卫亚等发展了该技术，实现了基于X3D 技术的边坡工程虚拟现实场景实时动态可视化、虚拟现实场景对象可视化交互式查询，并提出边坡工程中监测数据三维云图实时动态可视化方法［11］。此外，虚拟现实技术还在矿井火灾和瓦斯爆炸、围岩稳定性评价等方面也得到较广泛应用。

本研究通过多种数字化勘察手段，以东北大学虚拟现实平台为基础，建立了露天矿边坡工程虚拟现实信息集成系统。以司家营铁矿东帮边坡工程为例，对其边坡工程勘察、现场工程和分析计算等多元数据的融合分析与虚拟可视化。开发出带有虚拟漫游、数据库查询和交互控制功能的一整套虚拟矿山系统。实现了地质模型的三维可视化显示和解析，对边坡工程多元数据信息的可视化融合，以增强人们同时解读和分析多种数据能力，加强项目小组成员合作，准确、高效地对边坡稳定性做出评价，达到预测地质灾害的目的［2］。

1 司家营铁矿露天边坡工程概况

司家营铁矿位于河北省唐山市滦县，随着开采深度的增加，目前该矿东帮岩质边坡高度已达200 余m。自2012 年以来一期工程露天采场扒豆山东北部岩质边坡和西帮中部土质边坡相继发生不同规模滑坡灾害。目前，东帮边坡坡顶及部分已经靠帮台阶出现大量张裂缝表明，急需对该矿边坡进行补充勘察，对稳定性做出合理评价从而提出治理和监测方案，保障安全、高效生产。

工程地质勘查表明:边坡浅部主要岩性为石英砂岩、混合岩化黑云变粒岩。根据风化程度的不同可分为:强风化、中风化和微风化3 种。总体产状为倾向变化在260° ～320°之间，倾角变化在50° ～60°之间，属顺倾边坡。其中由北部边坡岩体节理较中部发育，岩体较破碎，岩体强度总体上呈由北向南逐渐降低趋势。边坡深部主要岩性为黑云变粒岩和矿石(磁铁石英岩)，岩体质量较好。

2 虚拟现实系统的建立

露天矿边坡工程虚拟现实系统的建立流程如图1 所示，主要分为以下4 个部分［5］。

图1 虚拟现实系统建立流程Fig.1 Flow chart for the establishment of VR system

(1)三维场景建模。根据搜集的地质、测量数据和工程勘察数据，利用矿业工程软件建立三维地质模型、采场模型和工程建构筑物等三维模型。将三维模型导入虚拟现实开发平台为后续工作准备。

(2)信息集成与查询。对外部数据如结构面摄影测量、钻孔摄像和孔内雷达等多元勘探数据的三维重构。对重构后的三维模型，集成到虚拟现实系统之中。建立搜集数据的数据库，通过虚拟现实平台模型与数据库ADO 接口，将模型与数据库进行连接。

(3)建立交互控制系统。通过虚拟现实系统自带脚本语言，实现利用鼠标键盘等外设实现对虚拟现实系统的交互控制，如模型的显示与隐藏、动画播放、虚拟漫游和属性查询。

(4)真三维立体展示。通过背投等真三维展示立体设备，为项目合作各单位展示虚拟现实系统，以便复杂的多元空间数据得到充分理解，实现项目范围内数据综合化，改善三维理解，减少错误判断，加强项目各专业的合作。

2.1 基于三维激光扫描的露天采场三维建模

露天采场空间几何形状复杂多变，同时采场揭露边坡具有丰富的地质及岩体力学信息，掌握这些信息对合理评价边坡稳定性大有裨益。三维激光扫描技术具有连续自动获取批量数据，高精度与快速等优势，能够快速获得露天采场数字高程模型(DEM)。结合卫星影像和现场采集影像，对DEM 模型进行纹理映射，从而实现露天采场逼真的虚拟可视化。因此，三维激光扫描技术为快速获取露天采场动态的空间几何轮廓和揭露地质信息，建立虚拟现实系统提供了一种新的高效手段。

通过三维激光扫描得到采场DEM 模型如图2(a)所示。该模型只有空间几何信息没有纹理信息，通过对该模型进行纹理映射操作，进一步得到露天采场虚拟三维模型如图2(b)所示。该虚拟模型不仅具有采场空间几何信息，而且能反映岩体岩性，岩体质量等直观的纹理信息，能够指导露天矿边坡工程勘察与评价治理。

图2 露天采场三维模型Fig.2 3D model of open-pit stope

2.2 矿山三维地质模型构建

三维地质建模包括三维地质模型的生成、可视化、空间分析和应用等［12］，本研究具体指建立地层、断裂、矿体和露天采场的三维模型和进行空间拓扑分析。

将露天边坡三维模型和工程地质调查成果，如岩性、岩性分界线、产状等地质信息综合集成到露天采场三维模型中，得到包含空间几何信息，纹理信息和工程地质信息的露天边坡虚拟现实三维模型如图3所示。

图3 采场边坡三维模型Fig.3 3D model of open-pit slope

对搜集的钻孔数据、地质剖面图等地质资料分析整理，利用矿业工程软件3DMine 建立矿体、开采境界、断层和工程建构筑物等一整套三维地质模型。将模型导入3Ds Max 中进行纹理贴图和渲染，使其满足虚拟现实系统构建需要，如图4 所示。

图4 矿山三维地质模型Fig.4 3D geological model of mine

2.3 岩体结构面三维重构与信息集成

边坡岩体结构面对于边坡稳定性具有重要意义，相对传统现场测线法测量，数字化勘察手段，如:三维岩体不接触测量、钻孔摄像和孔内地质雷达等技术的广泛应用使边坡岩体结构调查近年取得巨大进展［13］。与传统勘察手段相比，数字化勘察手段更加快速、精确和全面，同时，相应的数字化成果(如节理产状、节理间距和断距等)可以更加方便地通过软件接口与虚拟现实系统融合。

本研究通过三维岩体不接触测量、钻孔摄像和孔内地质雷达技术综合勘察，查明边坡岩体结构面空间展布。通过各软件接口进行三维重构后集成到虚拟现实系统中，以便于直观展示结构面与边坡岩体空间拓扑关系。

2.3.1 基于3GSM 的结构面调查与三维重构

借助先进的3GSM 三维岩体不接触测量技术，对司家营铁矿边坡岩体结构面进行现场测量，获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像，提取节理几何形态空间分布信息，建立岩体结构面空间分布模型。以23 号测量点为例，建模过程简述如下:首先，利用ShapeMetrix 3D 软件分析系统得到岩体表面的三维视图。其次，在合成的三维图上，根据主要的节理裂隙的分布情况及3GSM 分组的原则将该测点结构面分为2 组，优势结构面产状分别为:262.35°∠26.65°，149.65°∠78.03°，分别如图5 中的深、浅面所示。最后，将该模型移植到虚拟现实系统中，并添加其产状、断距等信息查询功能。

图5 岩体中节理分布情况Fig.5 The distribution of the joints in rock mass

2.3.2 结构面调查与三维重构

钻孔摄像技术可用于结构面产状测量、岩性区分、风化带和破碎带调查、超前勘探等，弥补了勘探和场地调查的不足［14-15］。钻孔雷达测量可以提供断裂构造在岩体中横向的延展特征［15］。通过两者结合，将获得的产状信息与结构面空间延展性相互结合，共同确定了岩体结构面几何参数，更好发挥各自优势。

图6 为钻孔摄像与孔内雷达测试结果的对比分析。由图6 可知，2 钻孔处边坡岩体结构面较发育，其中N17 －2 钻孔处破碎带尤为发育，顺层节理发育，N12 －2 钻孔处岩体质量稍好，顺倾节理相对较少。根据地质雷达数据还可初步确定岩体结构面空间延展情况。

图6 钻孔摄像与孔内雷达测试结果的对比分析Fig.6 Comparison and analysis of digital borehole camera result and borehole radar result

对虚拟现实系统进行二次开发，使其三维可视化集成岩体结构面信息，同时具有查询功能。图7 为钻孔处岩体的结构面三维展布的虚拟三维模型。

图7 边坡岩体结构面三维模型Fig.7 3D model of discontinuity in slope rock mass

2.4 露天矿边坡工程虚拟现系统构建

在建立的三维场景基础之上，通过对数字化勘察数据(工程地质勘探、物探数据)，分析计算数据(关键块体、安全系数等)等进行数据集成与融合。并开发具有信息查询和交互控制的虚拟现实系统。

数据集成主要通过数据库的方式，数据查询通过虚拟现实平台模型与数据库ADO 接口，将模型与数据库进行连接，实现双击模型查询对应数据信息。图8 所示即为该系统钻孔结构面信息的查询界面。

图8 数据库查询界面Fig.8 The database query interface

交互控制系统实现用户自主控制虚拟场景的目的。例如:模型的显示与隐藏、虚拟漫游、动画播放、数据查询等，如图9 所示。

3 系统在露天边坡工程中的应用

露天矿边坡虚拟现实系统通过将三维地质模型与多元勘察数据、监测数据与计算模拟数据等综合分析，以解决露天矿边坡工程中的实际问题，以司家营铁矿东帮边坡工程为例说明。

图9 虚拟现实系统交互界面Fig.9 Virtual reality system interface

首先，对边坡岩体结构面统计分析，点荷载试验和岩体质量评价，通过广义Hoek － Brown 准则对边坡岩体强度进行估值并进行工程岩体质量分级，结果如表1 所示，这些数据为边坡稳定性评价和治理提供基本依据。

表1 各边坡稳定性分区内岩体质量和强度Table 1 The rock quality and rockmass strength of each slope stability division

其次，通过极限平衡法计算该矿边坡不同区域安全系数，综合分析提出对应治理措施，如表2 所示。由表2 可知:自然状态下，东帮边坡在N9 ～N15 勘探线之间安全系数不能达到1.15 的要求，疏干排水条件下，N10 ～N15 区域不能达到1.15 的安全系数要求，需要采取其他必要措施。基于以上分析，对该边坡提出削坡放缓加疏干排水的治理方案。此外，上述方案可以降低边坡整体滑坡风险，但是由于其地质复杂性仍需要进一步通过雷达监测、位移监测和微震监测等多手内外段协同监测边坡变形和破坏。

最后，综合以上分析得出边坡安全性分区如图10 所示。对不同分区的地质信息，岩体力学信息，评价结果及治理方案等集成于虚拟现实系统，方便在露天矿整个生命周期中对边坡工程信息进行管理与查询。同时，该分区可为矿山露天开采境界优化设计提供依据，确定边坡潜在不稳定区域，为后续监测重点区域确定提供依据，从而指导工程实践，提高矿山生产安全性以及矿山经济效益。

综上所述，结合数字化勘察成果与虚拟现实技术，可以快速构建露天矿边坡工程虚拟现实系统，指导露天矿边坡评价与治理。虚拟现实在三维地质模型展示，多元勘探数据可视化，边坡工程综合信息集成等方面具有巨大优势。通过进一步开发，可为实时监测与监控的预警平台打下基础。

表2 各边坡稳定性分区安全系数和治理措施Table 2 The safety factor and prevention measures of each slope stability division

图10 司家营铁矿东帮边坡稳定性分区Fig.10 Analysis of slope stability by sub-regions in open-pit of Sijiaying Iron Mine

4 结 论

(1)通过虚拟现实技术集成数字化勘察(岩体结构三维不接触测量、采场三维激光扫描、钻孔摄像和地质雷达探测)成果，以东北大学虚拟现实平台为基础，建立了集三维地质模型、工程模型等虚拟场景与具有数据查询和交互控制于一体的虚拟现实系统，丰富了虚拟现实的内涵，拓宽了虚拟现实在露天矿边坡工程中的应用。

(2)以司家营铁矿东帮边坡工程为例，通过虚拟现实技术实现对边坡工程勘察、现场工程和分析计算等多元数据的融合分析与虚拟可视化，综合分析得到边坡稳定性分区与治理方案，对该矿露天矿边坡稳定性进行评价得出合理治理措施。

(3)虚拟现实技术与数字勘察手段的结合，实现了多元勘察数据的融合分析，较传统勘探数据平面、三维地质模型表达更进一步，提升了其沉浸感和交互性。该系统可进一步与边坡表面内部系统监测成果相结合升级为矿山监测预警平台。

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