CN105719345A - 一种煤岩体的几何参数测量及三维重建方法 - Google Patents

Abstract

一种煤岩体的几何参数测量及三维重建方法，实现了煤岩体“体”结构面几何参数的测量及三维重建，突破现有仅能测量“面”状结构面几何参数的技术局限。本发明适用于呈“体”节理面特征的岩体，特别适用于受到层理和割理切割煤体的几何参数测量及三维重建。本发明首先选定在三维方向上均有露头煤体的测量地点；其次测量各基质块截面几何参数，如基质块形状、基质块截面面积、基质块边长；再次测量各基质块轴向方向的几何参数，如基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角；最后将测量数据导入Matlab进行煤岩体三维重建。最终达到再现煤岩体层理和割理“体”状特征，反映出煤体的“基质块特征”，真实再现煤岩体三维特征的目的。

Description

一种煤岩体的几何参数测量及三维重建方法

技术领域

本发明属于岩石力学领域，尤其是一种煤岩体的几何参数测量和三维重建方法研究，是对一般的“面”结构面再现方法的一种补充，适用于“体”结构面的几何参数测量和重建。

背景技术

为了再现结构面，当前的方法是首先获取岩体结构面的几何参数，而后将相应的参数手绘或者采用AutoCAD软件绘制成平面图形即可。目前结构面几何参数的获取方法，主要包括测线法和测窗法两类。测线法是指在现场露头面，通过在选定的测量部位布置一根皮尺(即所谓的测线)，测量和记录与皮尺相交的结构面的相关参数来实现现场采样。测窗法是指在测量平面上布置一个矩形的区域，即统计窗，统计该区域内结构面的相关参数来实现现场采样。

上述测量方法的诞生都是基于这样一个假设：即假定结构面的形状为薄圆盘，也就是说结构面为“面”节理，自然界中大部分的节理都是“面”节理，这是由于节理面的形成原因所决定的，沉积岩中的层理面或者是由于构造运动而形成的构造节理面均是“面”节理。

但是自然界中还存在一种节理，如煤体，其内赋存非常发育的割理和层理，所谓割理，煤层的割理主要是由煤化作用过程中煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙，一般都垂直或大致垂直于层理面只发育在镜煤或光亮煤条带或分层内。由于煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，总体密度大，在空间上交割成立体网状，从而把煤体切割成一系列的斜方形基质块，即煤体是典型的“体”节理。

对于普通的“面”节理，由于节理为“面”特征，因此，只要选定一个测量面，测量该面上的露头面，即可测得“面”节理的几何参数；将相应的参数手绘或者采用AutoCAD软件绘制成平面图形，即可形象的再现出“面”节理。但是对于“体”节理面而言，如果继续采用“面”节理的测量方法及再现方法，仅能得到“体”节理对应一个面上的分布，难以反映出“体”节理面“体”的特征，同样，也无法真实的再现“体”节理。

不仅如此，对于煤体而言，其特征为一个个的单个基质块组成了煤体，如果仅采用一般的“面”节理的测量方法，煤体被描绘成了一条条的线，而其基质块大小、形状、边长等等都无法在图中表示出来，难以了解煤体的三维基质块特征，这表明传统的测窗法或者测线法已经不适用于煤体这种体节理面。

基于以上思想，设计了该种进行煤体几何参数的测量及三维重建方法，目的之一是提供一种煤岩体的几何参数测量方法，目的之二是提供一种基于煤岩体几何参数的三维重建方法，解决了现有技术只能测量“面”状结构面几何参数，无法真实再现煤体这种“体”结构面的问题。

发明内容

本发明首先选定在三维方向上均有露头煤体的测量地点；其次测量各基质块截面几何参数，如基质块形状、基质块截面面积、基质块边长；再次测量各基质块轴向方向的几何参数，如基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角；最后将测量数据导入Matlab进行煤岩体三维重建。最终达到再现煤岩体层理和割理“体”状特征，反映出煤体的“基质块特征”，真实再现煤岩体三维特征的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤岩体的几何参数测量及三维重建方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤S101：选定在三维方向上均要有露头的煤体所在测量地点。该方法要求在现场露头面进行，尤其是煤体的“体”状结构面决定了在三维方向上均要有露头，方便测量煤体的截面特征以及基质块特征。

步骤S102：测量各个基质块截面的几何参数，包括：基质块形状、基质块截面面积、基质块边长。

步骤S103：测量其基质块轴向方向的几何参数，包括：基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角，所谓基质块侧边倾角是指基质块内每条侧边与X轴、Y轴间的夹角，所谓基质块内夹角为同一基质块相邻侧面的夹角，所谓基质块间夹角为相邻基质块相邻侧面的夹角。

步骤S104：在Matlab中基于步骤S102和步骤S102的测量数据实现煤岩三维形体的重建。

优选地所述的步骤S102，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：在煤体露头的三维正方向上设定三维坐标系，三维正方向即三维坐标系的三轴正方向，三维坐标系的三轴即为垂直于地平面的轴线作为Z轴线，XY轴线所在的平面垂直于Z轴线，X轴线与Y轴线垂直，X轴、Y轴、Z轴相交点为三维坐标系的原点。

步骤2：在三维坐标系中设定三维测量窗，测量窗以原点为起点，在X轴、Y轴、Z轴方向上分别延伸1m，形成一个立方体。对落入三维测量窗内所有的基质块的顶点进行测量，测量每个顶点至x轴、y轴的距离，即每个顶点的坐标(Xn，Yn，Zn)，n为基质块的个数，并按照坐标绘制在三维方格纸上(1格代表1cm²)。

步骤3：将构成基质块边的顶点两两相连，即可形成基质块的外轮廓，从而可得现场基质块在坐标纸上的分布图。

步骤4：计算三维测量窗内包含基质块的个数，要求基质块完全被包含在三维测量窗里面。

步骤5：计算三维测量窗内每个基质块的基质块形状。

步骤6：计算三维测量窗内每个基质块的基质块边长。

步骤7：在坐标纸上计算每个基质块的截面面积，1格代表1cm²，如果不满一格，则按半格计算。

步骤8：综上，可以得到基质块形状、基质块截面面积、基质块边长的柱状图。

步骤9：通过步骤2中每个基质块上每个顶点的Z坐标值，可得基质块的表面起伏分布图。

优选地所述的步骤S103，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：计算每一个基质块的每一个侧边的倾角，侧边倾角包括侧边与X轴的夹角和与Y轴的夹角。

步骤2：计算隶属于同一个基质块的不同侧面之间的基质块内夹角。

步骤3：计算不隶属于同一个基质块，但是彼此相连的基质块面之间的基质块间夹角。

步骤4：综上，可以得到基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角的柱状图分布。

优选地所述的步骤S104，其特征在于包含以下步骤：

根据各个基质块的顶点在XYZ轴上的坐标、各个基质块侧边倾角，获得基质块侧边上位于XY平面的顶点，其中底部顶点的Z坐标一律为0，连线同一侧边上的上下两个顶点，得到煤体三维图。

步骤1：启动matlab绘图工具箱。

步骤2：采用数学软件MATLAB,在MATLAB中连线下列各点：(x1,y1,z1；x2,y2,z2；……xn,yn,zn)，其中xn,yn,zn分别为现场测量的各个顶点的坐标。

步骤3：采用数学软件MATLAB,在MATLAB软件中连线下列各点：(x1',y1',0；x2',y2',0；……xn',yn',0)，其中x1'＝x1(1+cos(α_n)),y1'＝y1(1+cos(β_n))，其中α_n为第n条侧边与X轴的夹角，β_n为第n条侧边与Y轴的夹角

步骤4：在MATLAB软件中连线下列各点：(x1,y1,z1),(x1',y1',0)；(x2,y2,z2),(x2',y2',0)；……(xn,yn,zn),(xn',yn',0)，即可得煤体三维图，从而实现了煤体的三维重建。

与现有相关方法相比，本发明具有如下优点：

传统的“面”结构面测量方法无法测量基质块的相关几何参数，导致难以体现煤体的“基质块特征”；该方法将煤体的“基质块特征”离散为基质块截面特征和基质块轴向特征两部分，基质块截面特征包括基质块形状、基质块截面面积、基质块边长等，通过这些控制参数，即可再现基质块截面特征；基质块轴向测量内容包括基质块侧边倾角、基质块间夹角、基质块内夹角，通过这些控制参数，即可再现基质块轴向特征；通过上述两部分的描述特征，并利用这些参数在matlab中实现了煤体三维模型的重建。

附图说明

图1为现场煤岩体扫描特征；

图2为煤岩体重建三维模型。

具体实施方式

一种煤体结构面几何参数测量的测量方法及三维重建方法包括以下步骤：

S101：选定在三个方向上均要有露头的煤体所在的测量地点。该方法要求在现场露头面进行，尤其是煤体的“体”状结构面决定了在三个方向上均要有露头，方便测量煤体的截面特征以及基质块特征，如图1所示。

S102：测量各个基质块截面的几何参数，包括：基质块形状、基质块截面面积、基质块边长。

S103：测量其基质块轴向方向的几何参数，包括：基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角，所谓基质块侧边倾角是指基质块内每条侧边与X轴、Y轴间的夹角，所谓基质块内夹角为同一基质块相邻侧面的夹角，所谓基质块间夹角为相邻基质块相邻侧面的夹角。

S104：在Matlab中基于前述两个方面的测量值实现其三维形体的重建，如图2所示。

其中，步骤S102所述的测量方法具体包括以下步骤：

步骤1、在煤体露头的三个正方向上设定三维坐标系，三个正方向即三维坐标系的三个轴正方向，三维坐标系的三个轴即为垂直于地平面的轴线作为Z轴线，XY轴线所在的平面垂直于Z轴线，X轴线与Y轴线垂直，X轴、Y轴、Z轴相交点为三维坐标系的原点。

步骤2、在三维坐标系中设定三维测量窗，测量窗以原点为起点，在X轴、Y轴、Z轴方向上分别延伸1m，形成一个立方体。对落入三维测量窗内所有的基质块的顶点进行测量，测量每个顶点至x轴、y轴的距离，即每个顶点的坐标(Xn，Yn，Zn)，n为基质块的个数，并按照坐标绘制在三维方格纸上(1格代表1cm2)。

步骤3、将构成基质块边的顶点两两相连，即可形成基质块的外轮廓，从而可得现场基质块在坐标纸上的分布图。

步骤4、计算三维测量窗内包含基质块的个数，要求基质块完全被包含在三维测量窗里面。

步骤5、计算三维测量窗内每个基质块的基质块形状。

步骤6、计算三维测量窗内每个基质块的基质块边长。

步骤7、在坐标纸上计算每个基质块的截面面积，1格代表1cm2，如果不满一格，则按半格计算。

步骤8、综上，可以得到基质块形状、基质块截面面积、基质块边长的柱状图。

步骤9、通过步骤2中每个基质块上每个顶点的Z坐标值，可得基质块的表面起伏分布图。

其中，步骤S103所述的测量方法具体包括以下步骤：

步骤1、计算每一个基质块的每一个侧边的倾角，侧边倾角包括侧边与X轴的夹角和与Y轴的夹角。

步骤2、计算隶属于同一个基质块的不同侧面之间的基质块内夹角。

步骤3、计算不隶属于同一个基质块，但是彼此相连的基质块面之间的基质块间夹角。

步骤4、综上，可以得到基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角的柱状图分布。

其中，步骤S104所述的三维重建方法具体包括以下步骤：

根据各个基质块的顶点在XYZ轴上的坐标、各个基质块侧边倾角，获得基质块侧边上位于XY平面的顶点，其中底部顶点的Z坐标一律为0，连线同一侧边上的上下两个顶点，得到煤体三维图。

步骤1、启动matlab绘图工具箱。

步骤2、采用数学软件MATLAB,在MATLAB中连线下列各点：(x1,y1,z1；x2,y2,z2；……xn,yn,zn)，其中xn,yn,zn分别为现场测量的各个顶点的坐标。

步骤3、采用数学软件MATLAB,在MATLAB软件中连线下列各点(x1',y1',0；x2',y2',0；……xn',yn',0)，其中x1'＝x1(1+cos(α_n)),y1'＝y1(1+cos(β_n))，其中α_n为第n条侧边与X轴的夹角，β_n为第n条侧边与Y轴的夹角

步骤4、在MATLAB软件中连线下列各点：(x1,y1,z1),(x1',y1',0)；(x2,y2,z2),(x2',y2',0)；……(xn,yn,zn),(xn',yn',0)，即可得煤体三维图，从而实现了煤体的三维重建，如图2所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对“体”结构面几何参数测量方法的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种煤岩体的几何参数测量及三维重建方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤S101：选定在三维方向上均要有露头的煤体所在测量地点。该方法要求在现场露头面进行，尤其是煤体的“体”状结构面决定了在三维方向上均要有露头，方便测量煤体的截面特征以及基质块特征。

步骤S102：测量各个基质块截面的几何参数，包括：基质块形状、基质块截面面积、基质块边长。

步骤S103：测量其基质块轴向方向的几何参数，包括：基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角，所谓基质块侧边倾角是指基质块内每条侧边与X轴、Y轴间的夹角，所谓基质块内夹角为同一基质块相邻侧面的夹角，所谓基质块间夹角为相邻基质块相邻侧面的夹角。

步骤S104：在Matlab中基于步骤S102和步骤S102的测量数据实现煤岩三维形体的重建。

2.根据权利要求1所述的步骤S102，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：在煤体露头的三维正方向上设定三维坐标系，三维正方向即三维坐标系的三轴正方向，三维坐标系的三轴即为垂直于地平面的轴线作为Z轴线，XY轴线所在的平面垂直于Z轴线，X轴线与Y轴线垂直，X轴、Y轴、Z轴相交点为三维坐标系的原点。

步骤2：在三维坐标系中设定三维测量窗，测量窗以原点为起点，在X轴、Y轴、Z轴方向上分别延伸1m，形成一个立方体。对落入三维测量窗内所有的基质块的顶点进行测量，测量每个顶点至x轴、y轴的距离，即每个顶点的坐标(Xn，Yn，Zn)，n为基质块的个数，并按照坐标绘制在三维方格纸上(1格代表1cm²)。

步骤3：将构成基质块边的顶点两两相连，即可形成基质块的外轮廓，从而可得现场基质块在坐标纸上的分布图。

步骤4：计算三维测量窗内包含基质块的个数，要求基质块完全被包含在三维测量窗里面。

步骤5：计算三维测量窗内每个基质块的基质块形状。

步骤6：计算三维测量窗内每个基质块的基质块边长。

步骤7：在坐标纸上计算每个基质块的截面面积，1格代表1cm²，如果不满一格，则按半格计算。

步骤8：综上，可以得到基质块形状、基质块截面面积、基质块边长的柱状图。

步骤9：通过步骤2中每个基质块上每个顶点的Z坐标值，可得基质块的表面起伏分布图。

3.根据权利要求1所述的步骤S103，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：计算每一个基质块的每一个侧边的倾角，侧边倾角包括侧边与X轴的夹角和与Y轴的夹角。

步骤2：计算隶属于同一个基质块的不同侧面之间的基质块内夹角。

步骤3：计算不隶属于同一个基质块，但是彼此相连的基质块面之间的基质块间夹角。

步骤4：综上，可以得到基质块侧边倾角、基质块内夹角、基质块间夹角的柱状图分布。

4.根据权利要求1所述的步骤S104，其特征在于包含以下步骤：

根据各个基质块的顶点在XYZ轴上的坐标、各个基质块侧边倾角，获得基质块侧边上位于XY平面的顶点，其中底部顶点的Z坐标一律为0，连线同一侧边上的上下两个顶点，得到煤体三维图。

步骤1：启动matlab绘图工具箱。

步骤2：采用数学软件MATLAB,在MATLAB中连线下列各点：(x1,y1,z1；x2,y2,z2；……xn,yn,zn)，其中xn,yn,zn分别为现场测量的各个顶点的坐标。

步骤3：采用数学软件MATLAB,在MATLAB软件中连线下列各点：(x1',y1',0；x2',y2',0；……xn',yn',0)，其中x1'＝x1(1+cos(α_n)),y1'＝y1(1+cos(β_n))，其中α_n为第n条侧边与X轴的夹角，β_n为第n条侧边与Y轴的夹角

步骤4：在MATLAB软件中连线下列各点：(x1,y1,z1),(x1',y1',0)；(x2,y2,z2),(x2',y2',0)；……(xn,yn,zn),(xn',yn',0)，即可得煤体三维图，从而实现了煤体的三维重建。