基于岩体结构数字识别技术的露天矿山边坡生态修复方案优选

陆世东 张 栋 涂美义 周洪文 潘若寒 柯 波

（1.湖北省国土资源研究院，湖北 武汉 430071；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070）

矿山开采对我国经济发展作出了突出贡献，是国家基础产业的重要组成部分。矿山开采造成了不容忽视的生态环境问题。就露天矿而言，目前国内大多数露天矿山边坡的生态重建工作都未开始进行或者缺乏适宜的生态重建方案，导致大部分的露天矿山边坡造成的生态破坏问题一直未能得到有效解决，无法达到绿色矿山建设标准。纵观国外其他国家的矿山开采历程，从20世纪开始，欧美和日本等一些发达国家就已经开始着手进行露天矿边坡的生态修复和生态重建工作［1］。发达国家实行露天矿边坡治理的主要方法是将已经成熟的公路边坡修复治理技术运用到露天矿边坡上，常用的修复技术有厚层基材喷播技术、三维网植被技术、客土喷播技术等［2-6］，实现了边坡的生态修复。这些修复方法和修复技术值得我国露天矿山借鉴。

对于同一地区的露天矿山边坡的生态修复方案，边坡的高度、角度、岩体结构等方面存在差异，使得所采用的生态修复技术不尽相同。例如边坡角度越大，高度越高，常规的厚层基质材料喷播技术的实践效果不理想，整体施工难度也越大，遇到强降雨后，喷播的修复材料破坏严重。此外，岩体裂隙越发育，为植物根系提供的生长空间越充沛，水分与养分的交换和迁移也越充足。但一般情况下，岩体裂隙越发育，越不稳定，不利于生态修复工程的实施。由此可见，在矿区土壤及气象条件确定的条件下，边坡生态修复的主要影响因素应包含边坡几何特征、岩体结构及力学特征。在该类主要影响因素获取方面，传统方法主要有精测线法［7-8］、定向取芯［9］、孔内照相［10］、孔内视频［11］和取样窗法［12-13］等。精测线法受地形因素影响效率低；孔内照相、孔内视频和取芯法对于大范围岩体结构的空间精细刻画程度不足，且存在成本高、效率低等缺点；取样窗法只是单一的统计单位面积内的节理信息，局限性也很明显。综上所述，如何快速且较全面地识别边坡的高度、角度、岩体结构等特征信息需要深入研究。

本研究以铜山口矿山为例，采用三维激光扫描技术［14-15］和岩体结构数字识别技术［16］建立矿山 DTM模型，快速全面地识别边坡的高度、角度、岩体结构等特征；通过综合分析该矿岩体地质条件，根据岩层分布等因素，将该矿开采边坡分为7个区域，进而根据不同的边坡区域分别提出相应的边坡分区方案。研究结果可为大型露天岩质边坡生态重建技术方案设计与优选提供新思路。

1 工程概况

大冶有色金属公司铜山口铜矿位于大冶市陈贵镇，矿山于1984年建成投产，采选综合能力为990 kt/a。经过三十多年的开采，目前已形成多级终了台阶，矿山露采境界内资源量开采年限不足4 a。矿山边坡主要分布的岩石类型有透辉石细脉化白云岩、白云岩、大理岩、花岗闪长斑岩、矽卡白云岩、石榴石细脉化大理岩等。矿区内植被数量较少，边坡表面主要是裸露的岩石，山坡上覆盖有原生的灌木林。矿区属于亚热带大陆气候，雨水充足，年均降雨量为1 411 mm。矿山现状如图1所示。

2 矿山边坡DTM模型构建与分区

2.1 边坡DTM模型构建

铜山口矿山边坡DTM模型点云数据使用长距离三维激光扫描仪获取，由澳大利亚Maptek公司生产，型号为I-SITE 8810，工作方式如图2所示。通过构建的DTM模型，可以在计算机上直观地分析铜山口矿山边坡的地形地貌现状，使后续分区方案的规划更加直观、便捷。

本研究构建的铜山口矿山三维高精度DTM模型可以使研究人员快速获取边坡角度、高度和岩体节理裂隙密度等参数，边坡三维重构结果如图3所示。

2.2 边坡分区

通过对点云数据的处理分析，得到了边坡影像图与边坡DTM模型，结合地层岩性、边坡走向、边坡角度等特征，可对露天边坡进行分区研究。本研究在3DMine软件中快速测量出了各个边坡的坡面角和边坡高度，如图4所示。

参考铜山口矿山地质剖面图，结合边坡角度和高度，根据岩性的不同对边坡进行区域划分。边坡朝向北偏东85°方向区域主要分布透辉石细脉化白云岩，南偏东18°朝向主要分布白云岩，南偏西45°朝向主要分布矽卡岩化白云岩，北偏西65°朝向主要分布石榴石细脉化大理岩，北偏东7°朝向分布花岗闪长斑岩，北偏东64°朝向分布白云岩，北偏东35°方向主要分布花岗闪长斑岩。依据地质剖面图上的岩性分布线在边坡DTM模型中找到对应的区域，并划分成块，编号为1～7区。各个分区边坡的岩性、高度、朝向和角度参数见表1，边坡分区结果如图5所示。

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3 边坡岩体质量评价

本研究在铜山口矿山各个边坡分区选取7处测量区域，确保得到各个分区真实的岩石结构信息数值。通过三维软件对结构面进行识别获取节理裂隙的宽度和数量。岩体表面标注边坡信息的三维效果如图6所示。

结构面密度可反映岩体节理裂隙的发育程度，根据结构面空间分布信息，可计算结构面的面密度。但在实际应用中，常采用体密度表征岩体的完整性，经过对比实际岩体状况，精确计算出岩体体密度较为困难，而岩体线密度的数值与体密度较为相近［17］，故而在计算中使用线密度的数值代替体密度。采用上述方法，统计出每一测量区域内结构面线密度的平均值，边坡角由三维软件中测量得出，风化程度通过现场实地调查得出，最终得出的边坡岩体结构面数据见表2。

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由于近年来铜山口矿山的开采规划与采区并未产生较大变化，因此本研究岩石饱和水下单轴抗压强度采用该矿地质报告中试验得出的数值，并按照其取样位置和岩性的不同对应1～7区，得到了各分区的岩石饱和水下单轴抗压强度，见表3。

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《工程岩体分级标准》（GB 50218-94）对岩石的等级进行了划分，不同的BQ值对应的岩石特征不同。共分为5级，具体如表4所示［18］。

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岩体基本质量指标BQ可根据饱和水岩石单轴抗压强度σw、岩石节理裂隙体密度Kv计算，公式为

根据表1、表2和表3可计算BQ值，用所得BQ值对应岩体质量分级表（表4），确定岩石质量等级，岩体质量评价结果见表5。

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由表5可知：5区和7区岩石体质等级为Ⅰ级，1、2、4、6区岩石体质等级为Ⅱ级，3区边坡等级为Ⅲ级，矿山西南方向的5区和7区边坡岩石强度较好。

4 铜山口矿边坡修复方案推荐

文献［19］通过BQ法得出了1～7区边坡岩体质量评价与分级结果，本研究对铜山口矿山边坡的岩体质量有了宏观的了解。在此基础上，根据矿山边坡分区范围与矿区自然资源条件、气候条件、土壤情况、地下水等情况对各个级别的边坡提出相应的生态重建方案［20］。

4.1 Ⅰ级岩质边坡生态修复技术

通过岩体质量评价结果（表4和表5）可知，岩体质量等级为Ⅰ级的为5区和7区边坡的岩体为坚硬岩，因此本研究将5区边坡和7区边坡的生态重建工作一并进行规划。5区边坡和7区边坡的主要岩性为花岗闪长斑岩，节理裂隙数量较少，岩石比较坚硬。依据以上边坡的结构特点，推荐采用厚层基材喷播技术。

厚层基材喷播技术重点是在坚硬的岩石上形成稳定的植被，并且具有较强的抗冲刷能力。要保证喷播后植物能良好地生存在边坡上，形成独立的矿区生态。需采用特定的喷播设备使生态修复所需要的肥料、土壤、具有黏性的沾合剂、植物种子等，可以给植物提供充足的水分和营养成分，保证植物能够正常生长［21］。厚层基材喷播技术的施工流程如图7所示。

厚基料喷播技术能有效解决裸露矿山边坡生态修复问题，特别是对于大型边坡的优势更加明显，有助于保护矿山边坡生态系统。

4.2 Ⅱ级岩质边坡生态修复技术

依据岩体质量评价结果（表5）可得，1、2、4、6区边坡岩石质量等级为Ⅱ级，岩石较坚硬，岩体较完整，边坡区域内主要分布的岩石岩性：1区为透辉石细脉化白云岩，2区为白云岩，4区为石榴石细脉化大理岩，6区为白云岩，节理裂隙条数平均值为4.8条/m。这4个区域的岩石性质较为相似，为提高生态重建工作效率，减少经济成本，依据其性质统一进行生态重建，根据其节理裂隙发育情况以及现场土质调查结果，采用三维网植被技术对其进行生态修复［22］。

三维植被网护坡技术基本原理是在边坡的坡面增加一层人工合成的复合材料，植物种植过程中按一定的组合进行排列分布，通过不同植物之间生长过程中的相互配合、相互影响，在岩石边坡上形成坚固牢靠的根系，继而拥有一定程度的抗雨水冲刷能力，最终形成边坡自身的防护体系。三维植被网护坡施工工艺如图8所示。

生态护坡技术处理后，坡面可形成良好的植被覆盖，可在很大程度上抵抗雨水对边坡植被的影响，从而有助于提高边坡植被的稳定性。

4.3 Ⅲ级岩质边坡生态修复技术

根据表5，3区边坡岩石质量等级为Ⅲ级，该区边坡主要分布的岩性为矽卡岩化白云岩，节理裂隙密度为3.6条/m，岩体基本质量为较软岩，岩石较破碎。根据其地质剖面图中给出的地质信息，结合现场调查的节理裂隙条数宽度、深度等条件，判断该区域边坡长期稳定性不强，不适合采用传统的厚基质喷播技术，不利于高效建立起该区域的生态修复系统。因此为减少成本，提高边坡生态重建的经济效益，3区边坡推荐采用客土喷播技术［23］。

客土喷播技术以往多用于公路边坡的生态重建，但由于矿山边坡在边坡高度、边坡岩石力学性质方面与公路边坡存在一定的差异，因此，需要根据矿山边坡岩石特征从工艺流程角度对客土喷播技术进行适当改进。

适用于矿山边坡的客土喷播防护技术的主要施工流程为，首先将植物种子、植物生长基础材料、客土、植物所需肥料等按照适合的比例进行混合，再通过喷射机器喷射到边坡的坡面上，最终形成稳定的边坡生态防护系统。3区边坡利用客土喷播技术，可以给草类植物提供良好的生存环境，以恢复边坡的生态功能。客土喷播施工工艺流程如图9所示。

5 结论

（1）利用三维激光扫描技术，构建了铜山口矿山DTM模型，并根据边坡地层岩性，将该矿边坡划分为1～7区。依据岩体质量分级结果，优选了各分区最适宜的生态修复方案：5区和7区边坡采用厚层基材喷播技术，1、2、4、6区边坡采用三维网植被技术，3区边坡采用客土喷播技术。

（2）基于岩体结构数字识别技术的边坡生态修复技术实现了边坡的科学分区，在此基础上使用BQ分类法对岩体进行分级，根据边坡岩体质量评价与分级结果优选合理的生态修复方案。该方法为矿山边坡生态修复工作提供了一种新思路。

（3）本研究生态修复方案优选结果有助于铜山口矿山实现高质量的生态修复，但所推荐的生态修复方案的普适性还需要结合大量实践进一步研究。