CN109030305B - 一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，针对尺寸大于50mm的岩块，获得岩块三维扫描点云，利用扫描点云建立岩块三维模型得到岩块体积和表面积，根据比表面积定义计算得尺寸大于50mm岩块的比表面积；针对尺寸为5～50mm的岩块，利用图像处理计算试样的周长和面积，采用球模型计算5～50mm岩块的比表面积；参考现有的粉末状材料比表面积测试结果得到5mm以下粉末状颗粒的比表面积；根据3种途径获得比表面积数据绘制岩块尺寸——比表面积变化曲线；获得爆堆石料的级配分布曲线，将岩块尺寸——比表面积变化曲线和爆堆石料的级配曲线绘制在同一图中，得到级配料比表面积曲线。
Description
技术领域
本发明属于工程爆破技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法。
背景技术
爆破开挖是我国水利水电工程建设过程中人工骨料以及采矿工程中矿产资源开采的重要手段。为了满足工程建设或矿石加工过程中骨料级配和块度要求，降低生产时间，控制生产成本，最理想的情况是爆破开采得到的石料能直接符合或接近设计级配、块度要求。不符合设计级配和块度要求的石料需要利用破碎机械进行二次破碎，该过程中不仅增加了额外的人员和机械投入，造成了加工机械损耗，导致施工成本难以控制，同时还要消耗大量的电能，造成不必要的资源浪费，不利于建设节能环保型社会。从能量释放角度看，爆破开挖时炸药爆炸产生的冲击波能量主要消耗在岩体的变形及破碎上，破碎过程中岩石产生了大量新的表面积，故岩石的爆破破碎可视为是炸药爆轰后的一部分化学能转化为岩石表面能的过程。根据D.E.Grady提出的能量平衡动态破碎机制相关研究成果，材料破碎后碎块尺寸与碎块比表面积有关，而碎块比表面积由材料表面能(破碎能)与局部动能之间的平衡控制。
因此，确定不同级配骨料的比表面积，有利于合理确定岩石在爆破破碎过程中炸药的消耗量、评价炸药爆轰能量的利用率，减少二次破碎机械的工作量和能量消耗，从而降低级配骨料和矿产资源开采加工过程的总能耗，提高生产经济效益，优化生产成本投入，有利于能源节约和环境保护，有利于实现经济的可持续发展。
现有的比表面积测定方法主要有气体吸附法、流体透过法和压汞法等，且这些方法主要是针对不规则颗粒材料、多孔材料和粉状材料，例如悬浮体系中的颗粒物、石墨烯材料、沥青混合集料等，这些传统的比表面积确定方法试样加工工艺复杂、测试工序繁冗，计算原理复杂。而目前市场上的比表面积测试仪只能测量粉末状物料比表面积，对于细粒状物料尚无适用仪器，更无大块物料比表面积测试仪器。中国发明，申请号CN201711179598.5，公开号 CN107991215A公开了一种大尺寸低渗岩样天然孔径与比表面积的测试方法，该方法采用低温静态容量法分析仪能够测试直径50mm，高度小于100mm的岩心试样的比表面积，但该方法不仅需要钻取、加工岩心，且无法满足更大尺寸的试样比表面积测定的需求。
经过以上分析，传统的物料比表面积确定方法很难满足现代工程的需求。因此，建立一种高效、便捷、没有材料尺寸限制、计算精度高的级配料比表面积确定方法对人工骨料以及矿产资源开采加工至关重要。
发明内容
针对现有的物料比表面积测定方法需要加工测试试样、试样加工工艺复杂、测试工序繁冗，计算原理复杂，对待测试物料尺寸要求苛刻等不足，本发明提供了一种高效、便捷、没有材料尺寸限制、能保证计算精度的基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，该发明不仅能够直接测定爆堆(或机械破碎后料堆)中级配料的比表面积，还能利用绘制的级配料比表面积曲线评价岩石破碎过程中能量的利用率。
本发明的原理在于：利用三维激光扫描仪对尺寸大于50mm岩块快速、高精度、非接触式测量，获取岩块三维激光扫描数据，利用扫描点云数据和三维建模软件还原岩块三维模型，根据模型表面积和体积计算岩块的比表面积；将尺寸在5～50mm岩块在室内染色、拍照后，利用图像处理软件测量图像中岩块的周长和面积，根据球模型计算岩块的比表面积；根据现有研究资料，查找得到5mm以下粉末状颗粒的比表面积；将各尺寸岩块比表面积和岩块尺寸进行拟合，得到岩块尺寸——比表面积变化关系曲线，根据该曲线插值即可得到任意尺寸的岩块比表面积。
利用块度分析软件得到爆破(或机械破碎)后岩块的级配曲线，并将级配曲线和岩块尺寸——比表面积变化曲线绘制在同一图中，得到级配料比表面积曲线。根据级配料比表面积曲线计算级配料的总表面积，进而得到爆破破碎(或机械破碎)过程中岩石形成新的表面所消耗的能量(即破碎能)，把岩石破碎能和消耗的炸药爆炸能量(或机械破碎消耗电能)进行对比，可以评价岩石爆破破碎(或机械破碎)过程中炸药能量(或电能)利用效率。
一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，包括如下步骤：
(1)针对爆堆中(或料堆)中尺寸大于50mm的岩块，通过三维激光扫描仪测量，获取岩块三维激光扫描数据；
(2)通过三维激光扫描数据建立不同尺寸岩块的三维模型，并统计不同尺寸岩块模型的体积和曲面面积，根据比表面积定义，计算得到尺寸大于50mm岩块的比表面积；
(3)针对尺寸为5～50mm的岩块，在爆堆中(或料仓)中选取一定数量该范围内不同尺寸的岩块试样，将试样进行一定处理并用黑色墨水染色晾干，利用游标卡尺测量各试样的尺寸，将试样按尺寸大小进行分类并做好记录；
(4)将染色后的试样放置在白纸上，放置标尺，从俯视角度采用高清相机拍摄试样图像，选取高质量图像进行去噪、二值化，计算并统计图像中试样的周长和面积，采用球模型比表面积计算公式得到尺寸为5～50mm的岩块的比表面积，球模型比表面积计算公式为式(1)和式(2)：
式(1)、式(2)中，SV为岩块比表面积，ρ为岩体密度，r为球模型半径，Perimeter表示试样周长，Area表示试样面积；
(5)参考现有的粉末状材料比表面积测试结果获得尺寸小于5mm的粉末状颗粒的比表面积；
(6)将各尺寸比表面积数据和岩块尺寸进行拟合，得到岩块尺寸——比表面积变化曲线，通过插值获取任意尺寸石块的比表面积；
(7)获得某次爆堆(或机械破碎后料堆)石料的级配分布曲线；
(8)将岩块尺寸——比表面积变化曲线和爆堆(或机械破碎后料堆)中石料的级配曲线绘制在同一图中，得到级配料比表面积曲线；
(9)根据级配料比表面积曲线，得到尺寸区间(xk l，xk s)内岩块质量占总的破碎岩石质量的百分比pk和该尺寸区间内岩块的平均比表面积
其中，式(3)～(4)中，f(x)为级配分布曲线函数，g(x)为不同尺寸岩块比表面积变化曲线函数，k为级配曲线中岩块尺寸区间位置；
破碎后，尺寸区间(xk l，xk s)内形成的岩块表面积为Ak：
其中式(5)中，ρ为岩体密度，V为爆破开挖(或机械破碎)后岩石总体积；
累计各个区间块体的表面积可以计算得到岩石破碎后各级配岩块的总表面积A：
其中式(6)中C为步骤(7)级配曲线中岩块尺寸的区间数；
(10)计算爆破破碎(或机械破碎)过程中，岩石破碎形成新的表面所消耗的能量(破碎能)Γ；
(11)将岩石破碎能Γ与爆破破碎(或机械破碎)过程中炸药爆炸能量ET(或机械破碎消耗电能)进行对比，获得评价岩石爆破破碎(或机械破碎)过程中炸药能量(或电能)的利用效率。
进一步的，步骤(10)中岩石破碎形成新的表面所消耗的能量(破碎能)Γ的计算方式如下，
Γ＝γfA (7)
其中式(7)中，γf为某种岩石单位表面能，即临界能量释放率，单位为J/m2，通过Rittinger 系数或者岩石的断裂韧性KIC计算得到；
通过岩石的断裂韧性KIC计算岩石单位表面能γf的公式为，
γf＝KIC 2/2ρc2 (8)
式(8)中ρ为岩体密度，c为纵波波速，KIC为岩石的断裂韧性。
进一步的，步骤(11)中炸药爆炸能量ET通过参考炸药加工领域的计算结果获得，机械破碎消耗的电能通过在生产过程中利用电表统计获得。
进一步的，步骤(1)的具体实现方式为，针对爆堆中(或料堆)中尺寸大于50mm的岩块，利用机械设备将岩块按尺寸大小排成一排摆放到现场开阔地带，排列时尽量使岩块面积最小的面与地面接触，并清除岩块周围的障碍物，避免障碍物遮挡被扫描岩块，在岩块的摆放位置划设扫描区域，扫描区域内布设4～5个扫描点，并确保扫描点能将所有试样扫描在内，在各扫描点架设三维激光扫描仪，对一排不同尺寸的岩块进行全景、快速、高精度、非接触式测量，获取岩块三维激光扫描数据。
进一步的，步骤(7)中获得石料的级配分布曲线的具体实现方式为，爆破后，顺水流方向在爆堆选取4～5个断面，每个断面在不同位置使相机镜头平行于爆堆拍摄3～4张爆破块度分布图像，利用爆破块度分布图像处理软件WipFrag得到爆堆岩块级配分布曲线。
为了进一步增强本发明方法级配料比表面积确定方法的测算精度，本发明可采用如下优选方案：
(1)对尺寸大于50mm的岩块进行排列时，应尽量使岩块面积最小的面与地面接触，并清除岩块周围的障碍物，避免障碍物遮挡被扫描岩块。
(2)在扫描现场，可摆放一种特征明显、识别度高的参照物，如卡车、指示牌等，方便后期点云数据的拼接，提高后期建立的三维模型的精度和建模效率。
本发明适用于人工级配骨料、大型矿山开采过程中岩块比表面积的快速测试和炸药能量 (或电能)利用效率评价，解除了传统物料比表面积测试方法对岩石尺寸的限制，具有高效、便捷、计算原理简单且能保证计算精度等优点。与现有技术相比，一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法的优点是：
(1)本发明解除了传统的气体吸附法、流体透过法和压汞法等物料比表面积测算方法以及比表面积测试仪对待测量岩石尺寸的限制，可直接测量5mm以上石块的比表面积。
(2)本发明比表面积确定方法，测试效率高、操作便捷、原理简单且能保证计算精度，同时建立了岩块尺寸——比表面积变化曲线，可利用拟合曲线计算相应爆破设计(或机械破碎)下任意尺寸岩石的比表面积。
(3)本发明提出并得到了级配料比表面积曲线，可利用该曲线计算得到爆破破碎(或机械破碎)过程中级配料的破碎能，把破碎能和炸药爆炸能量(或破碎机械消耗电能)进行对比，可以评价岩石破碎过程中炸药能量(或电能)利用效率。
附图说明
图1为本发明三维激光扫描仪和尺寸大于50mm待扫描岩块平面布置图。
图2为本发明尺寸在5～50mm岩块高清相机拍摄图像示意图。
图3为本发明爆破块度分布图像拍摄点断面示意图。
图4为本发明级配料比表面积曲线示意图。
图中，1为三脚架；2为三维激光扫描仪；3为岩块；4为爆堆；5为扫描区域基线；6为白纸边缘；7为标尺；A-A，B-B，C-C，D-D为爆破块度分布图像拍摄断面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步介绍。如图1、图2、图3、图4所示，某水电站砂石加工系统某种单耗下级配料爆破开采，爆破后尺寸大于5mm的骨料占比95％，最大骨料尺寸1200～1500mm。一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，包括如下步骤：
(1)在爆堆中挑选尺寸50～1500mm的岩块，从50mm开始，每间隔50～60mm挑选3～4块岩块，利用挖掘机或者破碎锤将岩块按尺寸大小排成一排(按尺寸排列可以避免混乱排列时小块被遮挡的问题，也可以提高机械操作的效率)，摆放到爆堆前开阔区域，每个试样摆放间隔0.3～0.5m，尽量使岩块面积最小的面与地面接触，并清除岩块周围的障碍物；
(2)根据岩块的摆放位置划定一矩形区域为扫描区，矩形的长边距离被扫描岩石控制在 5～10m，平行矩形扫描区的两条长边分别布设2～3个扫描点，确保每个扫描点能将所有试样扫描在内；
(3)分别在各扫描点架设三维激光扫描仪Focus3DX330，确保扫描仪保持水平并固定，在扫描区域周围摆放1块1m2大小的指示牌作为参照物，调整扫描仪的扫描参数，主要是分辨率、扫描角度，然后对一排岩块进行360°全景彩色扫描；
(4)扫描完成后，将各扫描点所获得的扫描数据导入三维激光扫描数据处理软件Scene，加载并布置扫描，以参照物为基准，通过调整左视图、俯视图等六个视图基于云际拼接对扫描数据进行注册，最后创建扫描点云并导出；
(5)将扫描点云导入三维建模软件Geomagic Studio，删除除扫描岩块以外冗余点云，再次注册、去噪、删除体外孤点，然后对点云进行封装并三角网格化，生成NURBS曲面，完成岩块三维模型的构建，在Geomagic Studio中计算各个岩块模型的体积和表面积，根据比表面积定义，计算得到各尺寸大于50mm岩块的比表面积；
(6)针对5～50mm的岩块，从5mm开始，每间隔5～10mm挑选4～5块岩石，封装带回室内，对带回的样品进行仔细清洗，去除岩块表面杂质，将试样放置到干燥环境中晾干至恒重，然后把各试样放入盛满黑墨水的容器中将岩块各个面染成黑色，取出晾干，利用游标卡尺测量各试样的尺寸，将试样按尺寸大小进行分类存放并做好记录；
(7)将染色后的样品按尺寸分别放置在白纸上，在试样边上放置标尺，采用高清相机拍摄各尺寸试样俯视图像，选取高质量图像，利用中值滤波法对图像进行去噪并二值化。将二值化后的图像导入图像处理软件Image-pro plus中，计算图像中岩块的面积、周长，利用式(2) 计算尺寸为5～50mm岩块的比表面积；
式(1)、式(2)中，SV为岩块比表面积，ρ为岩体密度，参考地质勘测资料中的岩石密度，r为球模型半径，Perimeter表示试样周长，Area表示试样面积，球模型半径r只在公式推导中使用，而在实际进行图像分析中并不需要，软件直接可以识别标尺的尺寸计算出不同岩块的周长和面积；
(8)查找5mm以下粉末状颗粒材料比表面积测试结果，将两种方法计算得到和查找资料得到的不同尺寸的岩块比表面积数据导入到excel，并对数据进行拟合，绘制岩块尺寸——比表面积变化曲线，根据岩块尺寸——比表面积变化曲线可以插值得到各尺寸岩块比表面积；
(9)爆破后，顺水流方向在爆堆选取4～5个断面，每个断面在不同位置使相机镜头平行于爆堆拍摄3～4张爆破块度分布图像，利用爆破块度分布图像处理软件WipFrag得到爆堆岩块级配分布曲线，并将数据导出备用；
(10)将爆堆级配分布曲线和岩块尺寸——比表面积变化曲线绘制在同一图中，该图即为级配料比表面积曲线；
(11)利用级配料比表面积曲线，根据式(3)～(7)，计算某水电站该单耗下级配料爆破开采的破碎能Γ，同时计算爆破破碎过程中炸药爆炸能量ET(炸药爆炸能量可以直接参考炸药加工领域的计算结果)，根据Γ/ET可以评价某水电站该单耗下级配料爆破开采过程中炸药能量的利用效率，从而调整爆破设计，降低级配骨料爆破开采的能耗，提高生产经济效益。
根据级配料比表面积曲线，可以得到尺寸区间(xk l，xk s)内岩块质量占总的破碎岩石质量的百分比pk和该尺寸区间内岩块的平均比表面积
其中，式(3)～(4)中，f(x)为级配分布曲线函数，表示小于某一粒径颗粒的百分比， g(x)为不同尺寸岩块比表面积变化曲线函数，k为级配曲线中岩块尺寸区间位置；
例如，假设筛网尺寸分别为0.1mm，1mm，10mm，30mm，60mm，100mm，300mm， 600mm，900mm，1300mm，则筛分出的岩块分11个尺寸区间，当筛孔尺寸为10mm时(此时 k＝3)，岩块尺寸区(xk l，xk s)为(1，10)，此时式(3～4)为; 破碎后，尺寸区间(xk l，xk s)内形成的岩块表面积为Ak：
其中式(5)中，ρ为岩体密度，V为爆破开挖岩石总体积，可以在对应的爆破设计中查找得到；
累计各个区间块体的表面积可以计算得到岩石破碎后各级配岩块的总表面积A：
其中式(6)中C为级配曲线中岩块尺寸的区间数，如上述例子可知，这里的区间数为11；
爆破破碎过程中，岩石破碎形成新的表面所消耗的能量(破碎能)为Γ：
Γ＝γfA (7)
其中式(7)中，γf为某种岩石单位表面能，即临界能量释放率，单位为J/m2，可以通过 Rittinger系数或者利用式(8)计算得到，式(8)中ρ为岩体密度，c为纵波波速，KIC为岩石的断裂韧度。
γf＝KIC 2/2ρc2 (8)
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。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 (5)
1.一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对爆堆中或料堆中尺寸大于50mm的岩块，通过三维激光扫描仪测量，获取岩块三维激光扫描数据；
(2)通过三维激光扫描数据建立不同尺寸岩块的三维模型，并统计不同尺寸岩块模型的体积和曲面面积，根据比表面积定义，计算得到尺寸大于50mm岩块的比表面积；
(3)针对尺寸为5～50mm的岩块，在爆堆中或料仓中选取一定数量该范围内不同尺寸的岩块试样，将试样进行一定处理并用黑色墨水染色晾干，利用游标卡尺测量各试样的尺寸，将试样按尺寸大小进行分类并做好记录；
(4)将染色后的试样放置在白纸上，放置标尺，从俯视角度采用高清相机拍摄试样图像，选取高质量图像进行去噪、二值化，计算并统计图像中试样的周长和面积，采用球模型比表面积计算公式得到尺寸为5～50mm的岩块的比表面积，球模型比表面积计算公式为式(1)和式(2)：
式(1)、式(2)中，SV为岩块比表面积，ρ为岩体密度，r为球模型半径，Perimeter表示试样周长，Area表示试样面积；
(5)参考现有的粉末状材料比表面积测试结果获得尺寸小于5mm的粉末状颗粒的比表面积在；
(6)将各尺寸比表面积数据和岩块尺寸进行拟合，得到岩块尺寸——比表面积变化曲线，通过插值获取任意尺寸石块的比表面积；
(7)获得某次爆堆或机械破碎后料堆石料的级配分布曲线；
(8)将岩块尺寸——比表面积变化曲线和爆堆或机械破碎后料堆中石料的级配曲线绘制在同一图中，得到级配料比表面积曲线；
(9)根据级配料比表面积曲线，得到尺寸区间(xk l，xk s)内岩块质量占总的破碎岩石质量的百分比pk和该尺寸区间内岩块的平均比表面积
其中，式(3)～(4)中，f(x)为级配分布曲线函数，g(x)为不同尺寸岩块比表面积变化曲线函数，k为级配曲线中岩块尺寸区间位置；
破碎后，尺寸区间(xk l，xk s)内形成的岩块表面积为Ak：
其中式(5)中，ρ为岩体密度，V为爆破开挖或机械破碎后岩石总体积；
累计各个区间块体的表面积可以计算得到岩石破碎后各级配岩块的总表面积A：
其中式(6)中C为步骤(7)级配曲线中岩块尺寸的区间数；
(10)计算爆破破碎或机械破碎过程中，岩石破碎形成新的表面所消耗的能量Γ；
(11)将岩石破碎能Γ与爆破破碎或机械破碎过程中炸药爆炸能量ET或机械破碎消耗电能进行对比，获得岩石爆破破碎或机械破碎过程中炸药能量或电能的利用效率。
2.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，其特征在于：步骤(10)中岩石破碎形成新的表面所消耗的能量Γ的计算方式如下，
Γ＝γfA (7)
其中式(7)中，γf为某种岩石单位表面能，即临界能量释放率，单位为J/m2，通过Rittinger系数或者岩石的断裂韧性KIC计算得到；
通过岩石的断裂韧性KIC计算岩石单位表面能γf的公式为，
γf＝KIC 2/2ρc2 (8)
式(8)中ρ为岩体密度，c为纵波波速，KIC为岩石的断裂韧性。
3.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，其特征在于：步骤(11)中炸药爆炸能量ET通过参考炸药加工领域的计算结果获得，机械破碎消耗的电能通过在生产过程中利用电表统计获得。
4.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，其特征在于：步骤(1)的具体实现方式为，针对爆堆中尺寸大于50mm的岩块，利用机械设备将岩块按尺寸大小排成一排摆放到现场开阔地带，排列时尽量使岩块面积最小的面与地面接触，并清除岩块周围的障碍物，避免障碍物遮挡被扫描岩块，在岩块的摆放位置划设扫描区域，扫描区域内布设4～5个扫描点，并确保扫描点能将所有试样扫描在内，在各扫描点架设三维激光扫描仪，对一排不同尺寸的岩块进行全景、快速、高精度、非接触式测量，获取岩块三维激光扫描数据。
5.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描和图像处理技术的级配料比表面积确定方法，其特征在于：步骤(7)中获得石料的级配分布曲线的具体实现方式为，爆破后，顺水流方向在爆堆选取4～5个断面，每个断面在不同位置使相机镜头平行于爆堆拍摄3～4张爆破块度分布图像，利用爆破块度分布图像处理软件WipFrag得到爆堆岩块级配分布曲线。
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