使用无人机摄影测量和三维极限平衡分析进行近实时的边坡失稳评估

       边坡失稳是采矿业中经济矿坑设计必不可少的一部分。大型露天矿的指南和行业标准允许矿坑边坡有多达30%的台阶坍塌,前提是这些坍塌是可控的,不会威胁到任何人员。为防止人员暴露在边坡失稳风险之中,会采取严格的控制措施,包括实时监测系统和应急预案。

      技术和计算能力正在迅速发展。使用无人机进行空中摄影测量使岩土工程师可以更快更安全地工作,避免在不稳定的边坡附近有受伤的风险。三维限平衡(LE)和有限元(FE)方法的边坡稳定性建模软件也变得更容易使用、更友好和计算更快。这些关键技术使岩土工程师能够进行更快的现场调查、建立岩土模型并详细评估边坡稳定性,同时减少现场遭遇矿山崩塌的危险。

      本文描述了BHP公司如何快速可靠地使用无人机摄影测量和三维稳定性模型相结合的方法,来评估西澳一个铁矿山的边坡失稳情况,整个过程在不到一个工作班(即12小时内)完成。

引言：

      在土木工程和矿山工程项目中,使用分析方法(如运动学分析、极限平衡法、有限元法或离散元法)对岩石边坡切面和矿坑台阶的稳定性进行实时评估都存在实际局限性。这主要是因为开挖速度通常太快,无法适用这些分析方法(Barton和Bar,2015)。目前阻止这种实时评估的两个关键限制是:

      1 进行现场调查所需的时间。在发生边坡失稳的情况下，由于安全问题和靠近不稳定边坡的残余风险，如再次失稳或局部岩石滑落等可能会阻止进行现场调查。

      2 将现场调查数据转换成地质模型以供各种数值模型分析所需的时间。

      边坡稳定性建模技术在这些年中有了显著改进,从20世纪90年代的基本运动学分析,到2000年代使用PC的二维极限平衡分析和简单有限元建模(Bar和Weekes,2017)。然而,在澳大利亚的铁矿和煤层中,由于相对有限的数据密度,通常不会采用更高级的数值建模技术,如FLAC和UDEC,也不总是必要的。McQuillan等人(2019)指出,超过80%和90%的煤矿设计分别使用运动学和二维限平衡分析;而不到15%的设计包含三维数值分析。近年来简单易用的三维限平衡和有限元分析软件的开发与改进,提供了识别潜在斜坡设计问题的额外方法(Bar和McQuillan,2018;Bar等,2019)。三维分析也被证明可以产生更详细的分析结果,允许岩土工程师优化矿坑边坡设计并释放资源价值(Bar等,2018)。

      -本文描述了如何使用无人机摄影测量和三维限平衡建模,来快速评估澳大利亚西部一个铁矿山的矿坑边坡失稳。

      -在该矿山发生了一处24米高的平面滑动失稳。利用无人机进行空中侦察,拍摄照片和视频,以安全距离记录边坡失稳情况。

      -摄影测量软件在1小时内将284张照片处理成高分辨率的三维边坡模型。这使得测绘198处地质结构成为可能。

      -三维模型和已测绘的地质结构被用来更新岩土工程模型和力学参数,如层间面倾角。

      -使用三维限平衡分析回算边坡失稳,确定沿失稳面上的摩擦角和粘聚力。

      -使用更新后的岩土模型重新评估未来矿坡设计的稳定性。三维分析提供了比传统二维法更好的洞察。

      -从无人机侦察到三维建模和分析的整个过程在12小时内完成。

      -快速的摄影测量和三维分析使岩土团队能够有效评估边坡失稳情况,并提出安全开采的建议。

      1 无人机(UAV):DJI Phantom 4无人机用于航空侦察,拍摄高分辨率照片和视频来记录边坡失稳情况。

      2 摄影测量软件(Photogrammetry software):使用ShapeMetriX软件,根据无人机拍摄的284张照片,在1小时内生成三维边坡模型。

      3 地质结构测绘软件(Mapping software):在ShapeMetriX软件中测绘出了198处地质结构的方位信息。

      4 三维建模软件(3D modeling software):使用GEM4D软件,根据摄影测量结果生成三维的地层边界面。

      5 三维限平衡软件(3D LE software):使用Slide3软件进行三维限平衡分析,包括回算边坡失稳和设计未来边坡的计算。

      6 移动工作站(Mobile workstation): 2017 Alienware 17 R4,用于快速进行摄影测量计算和三维模型重建。

      研究人员使用这些工具进行无人机航拍、生成三维模型、提取地质信息、建立更新后岩土模型、进行三维限平衡分析等,在极短的时间内评估了边坡失稳情况并提出后续设计建议。这种工作流程明显优于传统的现场MAPPING及二维分析。

      1 回算分析边坡失稳:利用更新后的地质模型和岩土参数,使用Slide3进行三维限平衡分析,通过调整层间面抗剪强度参数,使计算安全因子接近1,成功模拟了实际的边坡平面滑动失稳过程。

      2 评估未来边坡设计的稳定性:在回算成功确定失稳面的抗剪参数后,研究人员使用这些参数重新建立Slide3模型,评估在相同地质条件下,按照未来采矿计划开挖的边坡整体稳定性。模型识别出局部不稳定的可能性。

      3 与二维分析结果进行比较:文中提到三维分析可以提供比传统二维方法更可靠的结果,更好地模拟异性岩石边坡的效应。三维模型可以分析二维横截面无法确定的失稳体边界。

      4 提供设计推荐:三维模型结果显示未来边坡整体稳定,虽局部不稳定但可控。这为矿山后续的安全开采提供了设计基础。

      5 建立大范围模型:三维模型覆盖了较大范围的边坡,包括已失稳和未来要开挖的部分。这为后续设计迭代提供了基础模型。

      Slide3基于Cheng和Yip (2007)提出的三维限平衡分析方法。该软件将滑动质量离散化成垂直柱体。每根柱体都有其剪切面积分成,并在两个互垂直方向上计算力和力矩。竖直力确定每个柱体底面上的法向力和剪力。

结论：

      自2019年年中以来,BHP西澳铁矿工程团队一直使用Rocscience公司的Slide3三维限平衡软件进行坡面稳定性分析。从二维横断面过渡到三维建模,使得与矿山规划的整合更加顺利,也加快了我们审查拟议矿坑设计的速度和质量。简单地说,新的矿山和矿坑设计方案可以直接取代之前的三维模型。这种方法还可以自动生成并分析与历史分析直接可比的二维横截面。

      三维模型本身可以深入洞察可能的失稳体侧向范围,使我们可以在不需要过于保守的斜坡设计的情况下,为矿山作业提供可靠的建议。

      无人机摄影测量的简易性和速度使其成为识别地质结构位置、方向和长度的强大工具。但是,仅凭摄影测量本身的能力仍然局限于完成全部的岩土表征。例如,裂隙充填物和完整岩石参数等必须通过实地工作进行评估和估计。

      BHP西澳测量团队使用无人机摄影测量进行例行月末测量。通过增加少量额外的航线拍摄以获取更多角度和更高分辨率的数字单反照片,岩土工程和地质团队也可以例行更新各个矿坑的岩土和结构地质模型。未来的改进包括使用高精度无人机,在保持或提高航空侦察和摄影测量精度的同时免除接地控制点的需要。

参考文献：
      [1] Bar N , Kostadinovski M , Tucker M ,et al.Pit Slope Failure Evaluation in Near Real Time using UAV Photogrammetry and 3D Limit Equilibrium Analysis[J].Australian Geomechanics Journal, 2020, 55(2):33-47.