بحث في طريقة كشف لقطاعات الصخور الناتجة عن التفجير تعتمد على ما قبل التقسيم بناءً على التجاويف

لماذا تهم حطام الأنفاق

في كل مرة يقوم فيها المهندسون بتفجير نفق عبر الجبل، يتركون وراءهم كومة فوضوية من الصخور المكسورة. لحجم هذه الشظايا تأثير كبير على سرعة شحنها بالشاحنات، وعدد المرات التي يحتاج فيها الطاقم لإجراء تفجير ثانوي للكتل الكبيرة، بل وحتى على إمكانية إعادة استخدام الصخور المكسورة كمواد بناء. ومع ذلك، في بيئة النفق النشطة المليئة بالغبار والظروف الصعبة، ليس من السهل قياس أحجام آلاف الحجارة غير المنتظمة بدقة. تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة لـ «رؤية» وفصل الصخور بشكل ثلاثي الأبعاد، مما يساعد الطواقم على تقييم نجاح كل تفجير وكيفية تحسين التفجير التالي.

من أكوام فوضوية إلى قطع قابلة للقياس

في أعمال أنفاق الجبال، تظل الحفر بالثقب والتفجير هي الطريقة الرئيسية. بعد كل تفجير، يواجه العمال كومة من الحطام يجب إزالتها قبل بدء الجولة التالية. إذا ظلت كتل كبيرة كثيرة، فقد تتطلب تكسيرًا ثانويًا أو حتى تفجيرًا آخر، مما يبطئ التقدّم ويزيد التكاليف. في الوقت نفسه، تشجع أهداف الاستدامة الحديثة على تجزئة أدق حتى يمكن إعادة استخدام جزء أكبر من الصخور المكسورة بدل التخلص منها. لذلك يُعد توزيع أحجام الشظايا مؤشرًا مباشرًا على كفاءة تصميم التفجير، لكن طرق القياس التقليدية مثل القياسات اليدوية أو آلات الغربلة بطيئة وغير عملية في مواقع الأنفاق المزدحمة.

لماذا الصور ليست كافية

خلال العقد الماضي، أصبحت البرمجيات القائمة على الصور شائعة لتقدير أحجام الشظايا من خلال الصور الفوتوغرافية. أدوات مثل Split Desktop وWipFrag تتتبّع تلقائيًا حدود الكتل الظاهرة عبر اختلافات اللون والسطوع في صور ثنائية الأبعاد. لكن ظروف النفق نادرًا ما تكون مناسبة للكاميرا. الغبار، والإضاءة غير المتجانسة، وتداخل الشظايا غالبًا ما تشوّش هذه الخوارزميات، فتؤدي إلى تقسيم كتلة واحدة إلى عدة أجزاء أو جمع عدة كتل معًا. قد تكون طرق التعلم العميق التي تصنّف البيكسل تلو الآخر أكثر دقة، لكنها تحتاج إلى مجموعات بيانات صور كبيرة ومعلّمة بعناية ولا تُرى سوى جانب واحد من كل حجر. لا يمكنها استعادة الشكل والحجم الثلاثي الأبعاد الحقيقي للحطام.

استخدام المسوحات الليزرية والتجاويف الخفية

لتجاوز هذه القيود، لجأ المؤلفون إلى المسح الليزري ثلاثي الأبعاد. يقوم ماسح مثبت على حامل ثلاثي الأرجل بمسح كومة الحطام بأشعة ليزر ويسجل "سحابة نقط" كثيفة تلتقط السطوح الكاملة للشظايا. الفكرة الأساسية للطريقة الجديدة هي استغلال الفجوات المقعّرة التي تتكوّن طبيعيًا حيث تضغط الصخور على بعضها البعض. في سحابة النقط تظهر هذه التجاويف كمناطق ينثني فيها اتجاه السطح إلى الداخل. صمم الباحثون خوارزمية ما قبل التقسيم القائمة على التجاويف التي تفحص جوار كل نقطة، وتتحقق من كيفية مقارنة اتجاه سطحها بجيرانها، وتعلّم النقاط الواقعة في مثل هذه المناطق المنثنية إلى الداخل. ثم تُزال هذه النقاط المقعّرة وجيرانها الأقرب، مما "يقطع" الكومة افتراضيًا على طول الفجوات الطبيعية بين الكتل.

تحديد الحدود وإحصاء الصخور

بعد إزالة تلك المناطق الفارغة، تشكل النقاط المتبقية تكتلات مفصولة تتوافق إلى حد كبير مع شظايا الصخور الفردية. تجمع طريقة عنقودية مبنية على المسافة النقاط المجاورة لتشكيل كتل مرشحة. وبما أن مرحلة ما قبل التقسيم أزالت بعض نقاط الحدود، أضاف المؤلفون خطوة تحسين ثانية: يقدّرون النقاط الموجودة على حواف كل مجموعة ثم يعيدون انتقائيًا نقاطًا متوافقة من المناطق المقعّرة المُزالة باستخدام فحص بسيط للسطح المسطح. هذا يملأ الحواف المفقودة مع الحفاظ على تمايز الكتل المجاورة. أخيرًا، يُحاط كل جزء بأداة هندسية معيارية تسمى صندوق حدود موجه لتقدير أبعاده الثلاثة الرئيسية وتجميع توزيع أحجام الجسيمات لكامل كومة الحطام.

اختبارات حقيقية في الأنفاق ومقارنات

اختبر الفريق منهجهم على حطام تفجير من نفق شيانيوي الجبلي في الصين، مستخدمين ماسحًا ليزريًا تجاريًا ثلاثي الأبعاد ضمن قيود الإنشاء العادية. على هذه البيانات الواقعية، قامت الطريقة بتقسيم أكثر من 80 بالمئة من الشظايا الكبيرة السميكة بأكثر من حوالي 30 سنتيمترًا بشكل صحيح، مع معدل اكتشاف خاطئ أقل من 20 بالمئة. كانت حالات التقسيم الزائد أو الناقص مرتبطة أساسًا بحدود الماسح، مثل العيّنات الخشنة عند زوايا معينة أو الحجارة الصغيرة المخفية التي تغطي الفجوات المقعّرة بين الكتل الأكبر. كما قارن الباحثون طريقتهم بأربع خوارزميات شائعة لتقسيم سحب النقط ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك التجميع القائم على المسافة الأساسي، والتجميع مع فحوص اتجاه السطح، ونمو المنطقة، وتقنية شائعة قائمة على السوبرفوكسل. واجهت البدائل الأربع صعوبات إما في تقسيم الصخور الكبيرة إلى قطع عديدة أو في دمج الكتل المنفصلة، لا سيما عندما تنوعت أحجام الشظايا بشكل كبير.

ماذا يعني هذا لعمل الأنفاق

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أنه من خلال نحت الفراغات الطبيعية بين الصخور المتلاصقة أولاً، يمكن للمهندسين تمييز صخرة عن أخرى في المسح الثلاثي الأبعاد بشكل أكثر موثوقية. يوفّر هذا التقسيم المسبق القائم على التجاويف، يتبعه تحسين للتجميع، أعدادًا وتقديرات حجم أكثر ثقة لشظايا التفجير مباشرة في النفق. وعلى الرغم من الحاجة لمزيد من العمل لتسريع الحسابات ومعالجة الأكوام المعقدة جدًا، تقدم الطريقة بالفعل وسيلة عملية للتحقق من كفاءة التفجير وضبط التفجيرات المستقبلية. معرفة أفضل بأحجام شظايا الصخور يمكن أن تقصر زمن النقل، وتقلّل إعادة العمل، وتدعم إعادة استخدام أذكى للمواد المستخرجة—وكل ذلك مهم لإنشاء تحت أرضي أكثر أمانًا، وسرعة، واستدامة.

الاستشهاد: Xiao, Y., Lei, M., Jia, C. et al. Research on a detection method for blast rock fragments based on concavity-based pre-segmentation. Sci Rep 16, 14935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38799-8

الكلمات المفتاحية: تفجير الأنفاق, شظايا الصخور, المسح الليزري ثلاثي الأبعاد, تقسيم سحابة النقط, توزيع أحجام الشظايا