Original paper

Localisation of undisturbed blocks in larger dimension stone rock masses

Prissang, René Hellä; Lehtimäki, Tomas; Saksa, Pauli; Nummela, Jorma; Vuento, Aimo

Abstract

A novel approach is presented to enable dimension stone quarry operators to increase recovery. It is shown that high-frequency ground penetrating radar measurements in conjunction with DC resistivity logging can provide key information about the inner structure of larger rock masses. Field tests in Finnish granite quarries showed that 70-90 % of all visible discontinuities are correctly recorded. The geometry of the recognized discontinuities is represented by surface models based on triangulated irregular networks. For the identification of mineable regions, however, a volume modelling approach is more appropriate. In the present case, the linear octree data structure was selected, a compact variant of an octree in which only leaf nodes have to be stored. Hierarchical voxelisation enables us to convert the surface models of discontinuities into surface octrees. Subtracting these octrees from a solid octree representing the larger rock mass, produces an octree of undisturbed, intact material. After removal of small fault blocks, the octree was subjected to different resource assessment methods. Techniques aiming at direct identification of mineable blocks produce conservative estimates. In contrast to that, partial volume sweeping correctly identifies all regions in which blocks of a given size exist. The results, presented as 3D visualisations or volume tabulations, act as decision support for the quarry master. Future research will be devoted to speed up the prototype algorithms and to develop tools to minimise cutting losses.al. After removal of small fault blocks, the octree was subjected to different resource assessment methods. Techniques aiming at direct identification of mineable blocks produce conservative estimates. In contrast to that, partial volume sweeping correctly identifies all regions in which blocks of a given size exist. The results, presented as 3D visualisations or volume tabulations, act as decision support for the quarry master. Future research will be devoted to speed up the prototype algorithms and to develop tools to minimise cutting losses.

Kurzfassung

Ein neuer Ansatz, basierend auf Detektion von Diskontinuitäten mittels Bodenradar und einer nachgeschalteten computergestützten Lokalisierung quaderförmiger Blöcke in den defektfreien Bereichen, kann einen Beitrag zur Steigerung der Ausbringung bei der Natursteingewinnung leisten. Untersuchungen in finnischen Granitsteinbrüchen zeigten, dass hochfrequentes Bodenradar Informationen über die Internstruktur von Großblöcken liefert. Feldversuche erbrachten den Nachweis, dass ca. 70 % der visuell erkennbaren Diskontinuitäten in den erstellten Modellen erfasst sind. Die Geometrie der erkannten Diskontinuitäten lässt sich über irreguläre Dreiecksnetze (TINs) beschreiben. Zur Identifikation bauwürdiger Bereiche ist jedoch der Einsatz von Methoden der Volumenmodellierung erforderlich. Als Repräsentationsschema wurde die lineare Octree-Datenstruktur gewählt, eine kompakte Variante des regulären Octrees, bei der nur die Endknoten betrachtet werden. Mit Hilfe einer hierarchischen Voxelisierung können die TIN-basierten Flächenmodelle der Diskontinuitäten schnell in einen Octree überführt werden. Durch einfache Subtraktion des Diskontinuitätenoctrees von einem zuvor erstellten Geometrieoctree des Großblocks erhält man ein Modell der defektfreien Regionen. In einem zusätzlichen Arbeitsschritt sind kleine Störungsblöcke zu eliminieren. Am fertigen Modell eines Großblocks wurden unterschiedliche Algorithmen zur Lokalisierung bauwürdiger Bereiche getestet. Dabei ergab sich, dass Methoden zur direkten Identifikation der Rohblöcke stets konservative Schätzungen der vorhandenen Ressourcen erbringen. ,,Partial volume sweeping identifiziert dagegen sämtliche Bereiche, in denen ein benutzerdefinierter regulärer Block existieren kann. In Volumentabellen zusammengefasst und als 3D Visualisierungen bilden die Ergebnisse wichtige Planungsgrundlagen für den Steinbruchmeister.Künftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Beschleunigung des als Prototyp implementierten. ,,partial volume sweeping-Algorithmus und auf die Entwicklung von Werkzeugen zur Zuschnittsoptimierung konzentrieren.

Keywords

dimension stonegranitequarriesplanningground-penetrating radaralgorithmshierarchical data structuresoctreescutting optimisationfinlandwiborg massif