基于激光扫描、BQ、RQD制造技术

一种基于激光扫描、BQ、RQD

【技术实现步骤摘要】
基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法
本专利技术涉及一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，特别的是本专利技术基于三维激光扫描、近邻传播算法、BQ指标、裂隙网络模型和广义RQD理论，反演计算出RQDt最佳阈值t的范围和最佳阈值t值，给出了RQDt各向异性的求解方法，并基于RQDt的各向异性，提供了一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，属于Mathews稳定图法的方法改进领域。
技术介绍
Mathews稳定图法是矿房围岩稳定性分析方法的一种，是在1980年由Mathews等人通过分析大量的工程实例，提出的基于Q系统的稳定图法。Mathews稳定图法在评价过程中主要考虑采场特征、地质条件、节理产状等条件，通过计算岩体稳定数N和水力半径R，并将这两个因子绘制在划分为预测稳定区、潜在不稳定区和崩落区的图上。在Mathews稳定图法的改进方面，1995年Stewart和Forsyth通过收集不同采矿深度的数据，验证和修正了稳定图法，将其划分为四个分区。1998年Potvin基于数据实例对稳定图法做了改进，在图中增加了节理方位修正系数和重力调整系数。2000年Pakalnis等在RMR的基础上总结出了临界跨度图表法。Trueman等采用对数回归的方法，对稳定区和严重破坏区进行了重新定义。2004年Mawdeskey通过对405个实例进行逻辑回归分析，给出了稳定区、破坏与严重破坏区的等概率图。但是岩体中存在着大量的结构面和裂隙，显著地影响岩体的力学特性、破碎程度和稳定性，是影响矿房稳定性的重要因素之一。岩体中的结构面和裂隙，是造成岩体质量各向异性的重要因素，而岩体质量的各向异性特征，在Mathews稳定图法中，尚未被考虑。岩体的外观和质量强烈的依赖于岩体的各向异性程度，岩体的稳定性是由岩体质量所决定的。RQD是表征岩体质量的重要指标，RQD具有各向异性。如采用钻孔的方式获得RQD，不同的岩体部位得到的结果完全不同，RQD值结果将取决于方向，当钻孔方向与主要节理组平行时，得到较高的RQD值，当钻孔方向垂直于主要节理组方向时，会得到较低的RQD值。RQD的各向异性，从钻孔RQD到广义RQD的计算公式的拓展也可以看出。Deer在1964年提出了钻孔RQD的概念，由于钻孔RQD在应用时存在着如下两个缺点：对于不同工程规模岩体，100mm的阈值选取是否合理；钻孔钻探方向具有局限性，获得的RQD只能反映局部岩体情况，不能反映出RQD各向异性。因此，部分学者引入阈值t，提出了广义RQD的概念，即对任一间距阈值t，把沿某一测线方向大于t的间距之和与测线总长之比的百分数定义为广义RQD，用RQDt表示。广义RQD的引入，让RQD各向异性的求解成为了可能。由RQDt概念可以知道，阈值t是广义RQD的一项特别重要的参数，是广义RQD能否真实反映出岩体质量的关键，但是阈值t具有任意性，不具有唯一性，因此寻找到能够表征出岩体质量的最佳阈值t，具有非常重要的科学意义和研究意义。RQDt的阈值t受测线方向、结构面形态和分布特征的影响，而岩体中广泛发育的结构面，是破坏岩体连续性、完整性，控制岩体力学特征和稳定性的重要因素，对岩体质量起着控制性作用。结构面的发育模式和分布形态非常复杂，但同时，不同的节理组之间、节理和断层之间，又存在着一定的成生关系，构成某种特定的组合，表现出一定的规律性。因此，对结构面进行准确和有效的描述分析，获得结构面的产状和分布特征，是研究岩体质量的基础，也是最佳阈值t的研究基础。三维激光扫描技术作为一种高效的三维空间信息获取手段，在获取结构面方位和规模信息方面具有很大优势。近邻传播聚类算法在结构面产状聚类分析中具有较好效果，它具有不受初始聚类中心影响、计算效率高的优点，已经广泛应用于很多领域。因此，基于三维激光扫描技术和近邻传播算法，可以实现结构面的快速识别获取和聚类分析，为RQDt的最佳阈值t的研究，提供数据基础。国内外学者针对阈值t的研究，主要体现在以下两个方面：不同阈值t下的RQDt计算和最佳阈值t的研究。在不同阈值t下的RQDt计算方面，已有的研究主要是探讨阈值t的变化对RQDt值的影响，主要是通过模拟岩体裂隙网络模型，布置虚拟钻孔，以求解不同RQDt值，研究的载体是裂隙网络模型。但在这个方面的研究中，主要是为了研究RQDt的各向异性特征，对最佳阈值t的研究鲜有涉及。在最佳阈值t的研究方面，有些学者也曾对最佳阈值t展开过探讨。如有的学者基于三维结构面网络模拟技术，运用分形理论分别计算其结构面分布的分形维数，通过不断改变广义RQD的阈值，得到不同阈值下的RQDt值，将各剖面的分形维数与广义RQD值对比分析，为准确选取广义RQD的最佳阈值提供依据。有的学者基于修改后的块度指数MBi，建立了35种假想的三维裂隙网络模型，测量了具有不同阈值的广义RQD值，确定广义RQD的最佳阈值。这两个方面的最佳阈值t的研究，适用条件都有一定的局限性，都是在特定理论和背景下的一种最佳阈值t求解方法，当背景或者模型变化了之后，其最佳阈值t将不再具有最佳性。而且，由于分形维数或者块度指数本身并不具备表征岩体质量的功能，通过分形维数或者块度指数获得的最佳阈值t，能否反映真实的岩体质量，还有值得商榷的地方。因此，找到并提出一种最能反映出岩体质量的RQDt最佳阈值t的求解方法，具有非常重要的科学和研究意义，也是RQDt阈值t研究中亟需解决的问题。RQD的各向异性直接影响岩体质量，RQD各向异性对岩体质量的影响机理，目前还尚未探索清楚。由于在阈值t方面，还尚未有学者给出最佳阈值t的求解计算方法，因此也没有得到基于最佳阈值t的RQDt各向异性计算公式，也尚未获得最能反映岩体质量的RQDt各向异性求解方法。而获得RQDt各向异性求解方法是研究岩体质量各向异性的基础和前提。鉴于此，本专利技术提出了一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法。
技术实现思路
为了实现Mathews稳定图法的方法改进，本专利技术提供了一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法。本专利技术基于三维激光扫描、近邻传播算法、BQ指标、裂隙网络模型和广义RQD理论，反演计算出RQDt最佳阈值t的范围和最佳阈值t值，给出了RQDt各向异性的求解方法，并基于RQDt的各向异性，提供了一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下的技术方案：一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，所述方法包括以下步骤：(1)结构面三维激光扫描快速获取，过程如下：1.1：根据扫描目标和场地条件，选择扫描机位点，架设三脚架，架设中要确保仪器按照一定的扫描路线可以完整的获取边坡岩体的三维空间点云信息，同时要尽可能保证三脚架台面水平，并放置控制靶；1.2：放置扫描仪主机在三脚架本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光扫描、BQ、RQD

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)结构面三维激光扫描快速获取，过程如下：
1.1：根据扫描目标和场地条件，选择扫描机位点，架设三脚架，架设中要确保仪器按照一定的扫描路线可以完整的获取边坡岩体的三维空间点云信息，同时要尽可能保证三脚架台面水平，并放置控制靶；
1.2：放置扫描仪主机在三脚架台面，固定旋钮，通过粗调脚架及微调扫描仪底座使主机气泡居中，设置扫描仪端口参数；
1.3：启动扫描控制软件，配置扫描仪相关参数，进入扫描仪控制界面，规划扫描角度，根据扫描目标设置扫描范围，调整相机配置参数，获取扫描目标图像；
1.4：固定扫描范围，获取扫描间距，设定采样间距，开始数据获取，并实时查看扫描点云数据及彩色信息情况，根据扫描成果随时调整扫描参数设定；
1.5：导出结构面点云数据；
(2)结构面聚类分析；
(3)基于BQ指标的岩体质量计算，过程如下：
3.1：根据结构面参数计算岩体完整性系数，公式如下：



式中：Jv为岩体体积节理数，单位条/m3；
3.2：Jv计算公式如下：



式中：L1，L2，...，Ln为垂直于结构面测线长度；N1，N2，...，Nn为同组结构面数目；
3.3：根据岩石单轴抗压强度值和岩体完整性系数值，计算BQ值：
BQ＝90+3Rc+250Kv
式中：Rc是岩石单轴抗压强度；Kv为岩体完整性系数；
3.4：在应用BQ计算公式过程中，遵循以下条件：
当Rc＞90Kv+30时，以Rc＝90Kv+30和Kv代入计算BQ值；
当Kv＞0.04Rc+0.4时，以Kv＝0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值；
3.5：根据地下水、软弱结构面产状和天然应力影响对BQ进行修正，修正公式如下：
[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3)
式中：K1为地下水影响修正系数；K2为软件结构面产状影响修正系数；K3为天然应力影响修正系数；
3.6：得到修正后的BQ岩体分级结果；
(4)岩体三维裂隙网络模型生成和剖切；
(5)RQDt各向异性图绘制；
(6)基于BQ反演的最佳阈值t求解方法；
(7)RQDt各向异性求解方法；
(8)Mathews稳定图法的改进方法。


2.如权利要求1所述的基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，其特征在于，所述步骤(8)中，Mathews稳定图法的改进方法的过程如下：
8.1：Mathews稳定图法的设计过程，过程如下：
8.1.1：Mathews稳定图方法的设计过程是以两个因子-稳定数N和水力半径R的计算为基础，然后将这两个因子绘制在划分为预测稳定区、潜在不稳定区和崩落区的图上，稳定数N代表岩体在给定应力条件下维持稳定的能力，水力半径R反映了采空区尺寸和形状，Mathews稳定图法计算公式为：
N＝Q′ABC



式中：X、Y为矿房上下盘围岩宽度和长度；Q′为根据勘测图或钻孔岩芯记录计算出的结果；A为岩石应力系数；B为节理产状调整系数；C为重力调整系数；
8.1.2：岩石应力系数A由完整岩石单轴抗压强度与采场中线采矿产生的地应力的比值确定，公式如下：
当
当
当
8.1.3：节理产状调整系数B的值是通过采场面倾角与主要节理组的倾角之差来度量；
8.1.4：重力调整系数C反映了在重力的影响下采场面产状对采场矿岩稳定性的影响，其大小取决于采场顶板暴露表面的崩落、滑落以及边帮的滑落等，重力调整系数C和采场表面倾角α的关系由下式确定：
C＝8-7cosα
8.2：Mathews稳定图法的改进方法，过程如下：
8.2.1：在求解Q′值时，用RQDt值替代钻孔岩芯记录的RQD值，并将RQDt的各向异性特征纳入考虑范畴，根据RQDt各向异性求解公式，得到考虑RQDt各向异性特征的Q′值，公式如下：



式中：RQDtθ为角度θ下的RQDt值；RQDtmin为阈值t下的RQD最小值；为RQDt的均值；a，b为相关拟合系数；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙度系数；Ja为节理蚀变系数；Jw为节理水折减系数；SRF为应力折减系数；
8.2.2：结合等概率轮廓图对Mathews稳定图进行重新绘制，稳定区-破坏边界的曲线公式如下：
logN＝1.8206logR+1.618
破坏-崩落边界的曲线公式如下：
logN＝1.8076logR-3
8.2.3：改进后Mathews稳定性图分为三个区域：稳定区、破坏或主要破坏区和崩落区，处在稳定-破坏边界线上的工程，采场57％概率稳定，43％概率破坏，0％概率崩落；处在崩落-破坏边界线上的工程，采场0％概率稳定，5％概率破坏，95％概率崩落；处在稳定区的工程是稳定的；处于破坏或主要破坏区的工程，57％～0％的概率稳定，43％～5％的概率破坏，0％～95％的概率崩落；处在崩落区的工程，将持续发生崩落。


3.如权利要求1所述的基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，其特征在于，所述步骤(7)中，RQDt各向异性求解方法的过程如下：
7.1：基于最佳阈值t和剖切的三个二维裂隙网络模型，求解出最佳阈值t下的RQDt值，每个裂隙网络模型求解出36个RQDt值；
7.2：计算出每个裂隙网络模型上RQDt的最大值RQDtmax、最小值RQDtmin和均值
7.3：根据研究方向和RQDtmin方向位置关系，结合方差进行修正，提出各向异性条件下RQDt的计算公式如下：



式中：为RQDt的均值，RQD′t为RQDt的修正系数；
7.4：修正系数RQD′t的求解考虑研究方向在某一具体方位角下的RQDtθ值和方差D，按如下方法修正，当RQDtθ＝RQDtmin时，RQD′t＝-D，D为方差；当RQDtθ＝RQDtmax时，RQD′t＝D；当时，RQD′t＝0；
7.5：根据修正系数RQD′t的求解过程，提出RQD′t修正公式如下：



式中：RQDtθ为θ角下的RQDt值，RQDtmin为阈值t下的RQDt最小值，a，b为相关系数；
7.6：提出RQDt各向异性计算公式如下：



7.7：相关系数a和b的求解，过程如下：
7.7.1：计算出每个裂隙网络模型上RQDt的最大值RQDtmax、最小值RQDtmin和均值
7.7.2：根据RQDtθ与RQDtmax、RQDtmin和以及方差的关系，求解出三组RQD′t值，并基于三组RQD′t值，绘制出散点图；
7.7.3：根据散点图做出拟合曲线，曲线截距即为a值，斜率即为b值，曲线方程即为RQD′t的修正公式；
7.8：将求解出的a、b值，带入到修正系数公式及RQDt各向异性计算公式中，得到与角度θ有关的RQDt各向异性公式；
7.9：根据RQDt各向异性公式，求解出任意角度的RQDt值。


4.如权利要求1所述的基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，其特征在于，所述步骤(6)中，基于BQ反演的最佳阈值t求解方法的过程如下：
6.1：基于BQ指标反演RQDt范围，过程如下：
结合BQ分级计算出的岩体质量级别，查找《岩石质量指标》表，反演确定出该岩体级别下，RQDt范围值；
6.2：最佳阈值t求解方法，过程如下：
6.2.1：在三维裂隙网络模型上，过中心点O，以任意角度剖切三个剖面，得到三个二维裂隙网络模型，导出二维裂隙网络模型及数据；
6.2.2：针对每一个二维裂隙网络模型，设置不同的阈值t，求解出不同阈值t下的RQDt值；
6.2.3：导出不同阈值t下的RQDt值，计算出RQDt均值；
6.2.4：以阈值t为横坐标，以RQDt的均值为纵坐标，绘制RQDt随阈值t变化的散点图；
6.2.5：根据散点图，设置拟合方程，拟合RQDt随阈值t变化的曲线图；
6.2.6：将反演出的RQDt范围值，带入到拟合出的RQDt随阈值t变化的曲线图中，结合函数方程和曲线图，求解出在该RQDt范围内阈值t的范围，共得到三组阈值t的范围；
6.2.7：针对三组阈值t的范围，取其范围的交集，作为最佳阈值t的范围；
6.2.8：以最佳阈值t范围的中点值作为最佳阈值t值，得到最佳阈值t；
6.2.9：输出最佳阈值t的范围和最佳阈值t值。


5.如权利要求1所述的基于激光扫描、BQ、RQDt各向异性的Mathews稳定图法的改进方法，其特征在于，所述步骤(5)中，RQDt各向异性图绘制的过程如下：
5.1：RQDt求解计算，过程如下：
5.1.1：RQDt理论公式如下：



式中：xi表示沿某一测线方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡高建，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33