JP6455990B2 - 発破ズリの評価方法、発破ズリの評価システム - Google Patents
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Description
この発明は、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの評価方法、および発破ズリの評価システムに関するものである。
例えば、鉱山における採石や山岳トンネルの掘削などを行う際に、発破工法が実施される。発破工法では、岩盤の切羽に適切なパターン（発破仕様）の発破孔を設けて火薬を埋設し、各発破孔の火薬を順次に起爆することで、発破により粉砕されて切羽前方に飛散した爆砕石（以下、発破ズリという）が形成される。こうした発破ズリは、近くに設置された岩石破砕機に投入されたり、ダンプトラックやベルトコンベア等によって坑外に搬出される。そして、新たに露出した切羽に再び火薬を埋設して次の発破を繰り返す。
こうして得られた発破ズリの粒度分布や構成は、発破ズリを処理する後工程に影響を与える。例えば、発破ズリを岩石破砕機で破砕する際には、投入する発破ズリの粒度分布や構成を把握して、適切な手段で破砕を行う必要がある。また、発破ズリをダンプトラックやベルトコンベア等によって坑外に搬出する場合にも、発破ズリを効率よく積載するためには、粒度分布を予め把握しておく必要がある。
従来、発破ズリの粒度分布の計測はほとんど行われていないが、一般的に発破ズリのような粒状材の粒度分布は、複数の粒径で篩い分けする方法により粒径加積曲線（粒径を横軸（対数軸）とし、その粒径以下の粒状材の全体に対する質量百分率を縦軸（線形軸）とした片対数グラフ）として求めることができる。
また、発破ズリは一般に粒径が大きく、篩い分けによって粒度分布を求めることが困難であることも多いため、画像解析技術によって粒度分布を求めることも提案されている（非特許文献１、２参照）。例えば、非特許文献１には、発破後に坑外の仮置き場に運び出された発破ズリの堆積物上にスケールを載置してデジタル可視光画像を撮影し、その画像から発破ズリの粒度分布を計測する方法が記載されている。
可視光画像により粒状材の粒度分布を計測する方法は、特許文献１〜３に開示されている。例えば、粒状材の堆積物のデジタル画像をコンピュータに入力し、陰影等に基づいて画像を二値化処理し、必要に応じてラベリングやパターンマッチング等の手法を用いて個々の粒状材の輪郭（エッジ）を検出する。次いで、各粒状材の輪郭の面積等価径から粒径を求め、粒径のヒストグラムを作成することにより粒度分布を求める。また、必要に応じてキャリブレーションに基づく補正（例えば岩石の種類や発破機構に応じた補正）を施すことによって、画像処理による粒度分布を篩い分けによる粒度分布に近似させることができる。
また、特許文献４には、岩盤の発破掘削時に生じる切羽の発破ズリの堆積物上に所定強度で赤外線を放出する所定大きさの複数のスケールを載置し、このスケールを含むズリ堆積物の温度分布画像を赤外線カメラで撮影し、画像から各ズリ及びスケールの輪郭を抽出してその輪郭とスケールの所定大きさとから各ズリの粒径を計測する発破ズリの粒径計測方法が開示されている。
福井勝則ほか「トンネル掘削におけるずりの粒度分布」資源と素材、Ｖｏｌ．１１９、２００３年、６４０〜６４６頁
"Ｓｐｌｉｔ−Ｄｅｓｋｔｏｐ ｒｏｃｋ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ"，Ｓｐｌｉｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬＬＣ，２０１０年４月
従来のように、仮置き場に運び出した後の発破ズリを対象とする粒度分布の計測方法では、仮置き場において複数回の発破によって生じた発破ズリが混合されてしまうため、１回の発破によって生じた発破ズリの粒度分布を求めることが困難であるという課題があった。
また、特許文献４のように、ズリ堆積物の温度分布画像を赤外線カメラで撮影する方法では、基準となるスケールを発破ズリ中に配置し、このスケールが発破ズリの山の中心になるように撮影を行なう必要があるため、発破ズリの山の全体評価を行なう上では、多数画像が必要となり、評価を行う上で多くの手間が掛かるという課題があった。また、画像を平面的に評価するため、画像の遠近の差を考慮する必要もあり、評価作業に時間が掛かるという課題もある。
一方、発破ズリの山の形状に関しては、これまで定量的に評価を行う手法は知られていない。また、発破により起砕される岩盤と起砕で生じた発破ズリの見かけ密度の変化量は起砕性評価に資するが、これまで発破ズリのボリュームを評価する手法も知られていなかった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの粒度分布や発破ズリ全体の形状を、簡易な手順で容易に、かつ短時間に評価することが可能な発破ズリの評価方法、発破ズリの評価システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発破ズリの評価方法は、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面形状をデジタルカメラを用いて撮像する撮像工程と、前記撮像工程で得られた発破ズリの撮像を用いて、発破ズリの３次元立体モデルを生成する３次元立体モデル生成工程と、前記立体モデル生成工程で得られた３次元立体モデルより表面形状を示す数値表層モデルを生成する数値表層モデル生成工程と、前記数値表層モデル生成工程で得られた数値表層モデルの表面形状を反転させた反転像を生成する反転像生成工程と、 前記反転像生成工程で得られた反転像を平準化させた平準化像を生成する平準化像生成工程と、前記反転像と前記平準化像との差分を、任意の基準値に基づいて二値化した二値化データを生成し、この二値化データに基づいて、発破ズリの平均粒度を算出する粒度算出工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の発破ズリの評価方法によれば、簡易な工程で、定量的かつ効率的に破砕ズリの粒度及び形状を評価することができる。また、従来は困難であった破砕ズリの山の形状も評価することが出来る。これにより、従来よりもより多面的な発破の起砕効果を評価することを可能ができる。
また、前記切羽の周囲の測量データに基づいて、前記数値表層モデルのスケール情報の補正を行う補正工程を更に備えたことを特徴とする。
また、前記数値表層モデルに基づいて、前記発破ズリ全体の形状を評価する発破ズリ評価工程を更に備えたことを特徴とする。
また、前記粒度算出工程では、前記二値化データの凹部の面積を平均粒度とすることを特徴とする。
また、前記撮像工程では、前記発破ズリを側面方向から撮像を行うことを特徴とする。
また、前記撮像工程では、無人航空機を用いて前記発破ズリの上空から撮像を行うことを特徴とする。
本発明の発破ズリの評価システムは、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面画像を撮像するデジタルカメラと、前記表面画像から発破ズリの３次元立体モデルを生成し、前記立体モデルから数値表層モデルを生成し、前記数値表層モデルの反転像および反転像から生成した平準化像との差分に基づいて発破ズリの平均粒度を算出する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の発破ズリの評価システムによれば、簡易な構成で、定量的かつ効率的に破砕ズリの粒度及び形状を評価することができる。また、従来は困難であった破砕ズリの山の形状も評価することが出来る。これにより、従来よりもより多面的な発破の起砕効果を評価することを可能になる。
本発明によれば、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの粒度分布や発破ズリ全体の形状を、簡易な手順で容易に、かつ短時間に評価することが可能な発破ズリの評価方法、発破ズリの評価システムを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の発破ズリの評価方法、発破ズリの評価システムについて説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図１は、本発明の発破ズリの評価方法を段階的に示したフローチャートである。
本発明の発破ズリの評価方法によって発破ズリの評価を行う際には、まず、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面形状をデジタルカメラを用いて撮像する（撮像工程Ｓ１）。例えば、図２に示す模式図のように、露天掘り鉱山の採掘現場では、鉱石を含む岩盤Ｒを所定の厚み範囲が崩落するように発破を行い、発破ズリＳが形成される。この発破ズリＳを、例えば発破時の崩落方向と直角な側面方向から撮像を行う。
本発明の発破ズリの評価方法によって発破ズリの評価を行う際には、まず、岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面形状をデジタルカメラを用いて撮像する（撮像工程Ｓ１）。例えば、図２に示す模式図のように、露天掘り鉱山の採掘現場では、鉱石を含む岩盤Ｒを所定の厚み範囲が崩落するように発破を行い、発破ズリＳが形成される。この発破ズリＳを、例えば発破時の崩落方向と直角な側面方向から撮像を行う。
撮像は、自然光の下で行うことが好ましいが、特定波長の光を照射して撮像することもできる。撮像にあたっては、例えば、デジタルカメラを備えた無人航空機（Unmanned aerial vehicle，Drone）Ｑを用いて、発破ズリＳの上空を飛行させ、発破ズリＳの斜め上方から見下ろすように撮像を行う。あるいは、作業員が採掘現場周辺からデジタルカメラを用いて撮像することもできる。
撮像は、発破ズリＳを側面から複数の視点で撮像することが好ましい。互いに視点の異なる複数の発破ズリＳの撮像データを用意することで、後工程において、より高精度な３次元数値モデルを生成することができる。
なお、発破ズリＳは、発破現場の近傍に形成された砕石機Ｍによって、所定の粒径となるように破砕される。
次に、撮像工程Ｓ１で得られた発破ズリＳの撮像データを用いて、発破ズリＳの３次元立体モデルを生成する（３次元立体モデル生成工程Ｓ２）。こうした３次元立体モデルは、画像処理手段、例えば、画像処理ソフトウェアを実行可能なパーソナルコンピュータを用いて生成する。発破ズリＳの撮像データから３次元立体モデルを生成するには、例えば、ＳｆＭ（Structure from Motion）技術によって行う。
ＳｆＭは、撮像対象をカメラの視点を変えながら撮影した複数枚の画像から、撮像対象の３次元形状データを生成する手法である。ＳｆＭソフトウェアとしては、例えば、VisualSFM、Agisoft PhotoScanなどが挙げられる。こうしたＳｆＭソフトウェアを用いて、発破ズリＳの３次元立体モデルを生成する。
次に、３次元立体モデル生成工程Ｓ２で得られた発破ズリＳの３次元立体モデルから表面形状を示す数値表層モデル（DSM：Digital Surface Model）を抽出する（数値表層モデル生成工程Ｓ３）。図３にこうした発破ズリＳの数値表層モデルの一例（表面形状）を示す。さらに、数値表層モデルの反転像を生成する（反転像生成工程Ｓ５）。例えば、図４に示すように、発破ズリＳの数値表層モデル表面形状を示す線Ｌ１を、所定の基準線Ｂに対して反転させた反転像（反転線）Ｌ２を生成する。こうした反転像の生成は、数値表層モデルの表面形状を示す線Ｌ１の数値の符号を、例えばプラスからマイナスに反転させることによって得られる。
なお、本実施形態では説明を明瞭にするために断面（線）を用いて説明しているが、実際には２次元データ上で反転させている。よって、反転線は反転面となる。
なお、本実施形態では説明を明瞭にするために断面（線）を用いて説明しているが、実際には２次元データ上で反転させている。よって、反転線は反転面となる。
また、必要に応じて、数値表層モデル生成工程Ｓ３と反転像生成工程Ｓ５との間に、切羽の周囲の測量データに基づいて、３次元立体モデルのスケール情報の補正を行う（補正工程Ｓ４）。補正のための情報としては、例えば、ＧＰＳ測量によって得られた切羽の周辺部の測量データなどが挙げられる。
次に、反転像生成工程Ｓ５で得られた反転像Ｌ２を平準化させた平準化像Ｌ３を生成する（平準化像生成工程Ｓ６）。そして、反転像Ｌ２と平準化像Ｌ３との差分を、任意の基準値に基づいて二値化した二値化データＬ４を生成し（図５参照）、この二値化データＬ４に基づいて、発破ズリＳの平均粒度を算出する（粒度算出工程Ｓ７）。発破ズリＳの平均粒度の算出は、二値化データＬ４をポリゴン化して、図６に示すように、それぞれのポリゴンごとにその面積を算出し、この面積を破砕ズリＳの粒度に近似した数値として用いる。
以上の各工程Ｓ１〜Ｓ７によって得られたデータを用いて、例えば図７に示すような、破砕ズリＳの粒度分布図を生成することができる。また、数値表層モデル生成工程Ｓ４で得られた発破ズリＳの数値表層モデル表面形状と、二値化データＬ４と、破砕ズリＳの運搬手段への積みこみ能率および補助重機による破砕ズリＳの処理に係る処理時間を比較することで、図８に示すような破砕ズリＳの山の形状を導き出すことができる。
また、発破前のベンチ形状、発破後の破砕ズリの山の形状及び破砕ズリの採掘後のベンチ形状から、ベンチの容積と破砕ズリの山の容積を算出し、これらそれぞれの密度を算出して比較することにより起砕性を評価することができる。
また、採石分野においては、目的とする砕石サイズを効率的に生産するために、一定範囲のサイズの破砕ズリを形成する必要となる。そのため、目的のサイズの砕石粒度が得られているかを評価するために、本発明の発破ズリの評価方法を適用すれば、容易に砕石粒度のサイズを把握することができる。
更に、鉱山分野においては、露天採掘や坑道内発破の評価、また土木分野においては、発破による切土工、トンネル内発破の評価に本発明の発破ズリの評価方法を適用することができる。
以上のように、本発明の発破ズリの評価方法、発破ズリの評価システムによれば、簡易な工程で、定量的かつ効率的に破砕ズリの粒度及び形状を評価することができる。また、従来は困難であった破砕ズリの山の形状も評価することが出来る。これにより、従来よりもより多面的な発破の起砕効果を評価することを可能にする。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
Ｑ…無人航空機
Ｓ…発破ズリ
Ｍ…砕石機
Ｒ…岩盤
Ｓ…発破ズリ
Ｍ…砕石機
Ｒ…岩盤
Claims (7)
- 岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面形状をデジタルカメラを用いて撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で得られた発破ズリの撮像を用いて、発破ズリの３次元立体モデルを生成する３次元立体モデル生成工程と、
前記立体モデル生成工程で得られた３次元立体モデルより表面形状を示す数値表層モデルを生成する数値表層モデル生成工程と、
前記数値表層モデル生成工程で得られた数値表層モデルの表面形状を反転させた反転像を生成する反転像生成工程と、
前記反転像生成工程で得られた反転像を平準化させた平準化像を生成する平準化像生成工程と、
前記反転像と前記平準化像との差分を、任意の基準値に基づいて二値化した二値化データを生成し、この二値化データに基づいて、発破ズリの平均粒度を算出する粒度算出工程と、を備えたことを特徴とする発破ズリの評価方法。 - 前記切羽の周囲の測量データに基づいて、前記数値表層モデルのスケール情報の補正を行う補正工程を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の発破ズリの評価方法。
- 前記数値表層モデルに基づいて、前記発破ズリ全体の形状を評価する発破ズリ評価工程を更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の発破ズリの評価方法。
- 前記粒度算出工程では、前記二値化データの凹部の面積を平均粒度とすることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載の発破ズリの評価方法。
- 前記撮像工程では、前記発破ズリを側面方向から撮像を行うことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の発破ズリの評価方法。
- 前記撮像工程では、無人航空機を用いて前記発破ズリの上空から撮像を行うことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項記載の発破ズリの評価方法。
- 岩盤の発破時に生じる切羽の発破ズリの表面画像を撮像するデジタルカメラと、前記表面画像から発破ズリの３次元立体モデルを生成し、前記立体モデルから数値表層モデルを生成し、前記数値表層モデルの反転像および反転像から生成した平準化像との差分に基づいて発破ズリの平均粒度を算出する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする発破ズリの評価システム。
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