ANÁLISIS DE LA FRAGMENTACIÓN DE ROCA USANDO PROCESAMIENTO DE IMAGEN DIGITAL

ANÁLISIS DE LA FRAGMENTACIÓN DE ROCA USANDO PROCESAMIENTO DE IMAGEN DIGITAL

RESUMEN: En este documento, se describe un procedimiento para calcular la distribución de tamaños de fragmentos de roca utilizando imágenes de video. El procedimiento utiliza una cámara de video de alta resolución para la captura de imágenes en el campo y un conjunto de algoritmos de computadora para procesar las imágenes de video. El programa de computadora primero delinea los fragmentos de roca individuales en las imágenes. Esto es seguido por procedimientos estadísticos que tienen en cuenta la superposición de fragmentos y la naturaleza bidimensional de las imágenes. Los algoritmos informáticos pueden procesar muchas imágenes para producir una curva de distribución de tamaño único, y tienen en cuenta la variabilidad de la muestra, así como la combinación de imágenes tomadas a diferentes escalas. Todos los procedimientos descritos han sido implementados en un solo programa de computadora. Al comparar los procedimientos de la computadora con los experimentos de laboratorio, se demuestra la precisión del método.

INTRODUCCIÓN

Predecir el nivel y la extensión de la fragmentación de la roca a partir del desprendimiento de rocas es importante para muchas operaciones en los campos minero y geotécnico. Para el procesamiento de ciertos minerales, por ejemplo, los fragmentos de roca después de la voladura deben reducirse aún más en tamaño, y la minimización de los tamaños de fragmentos de la voladura puede dar como resultado una reducción significativa en los costos de trituración y molienda. Para otros minerales, los fragmentos de roca después de la voladura se colocan en pilas para lixiviar, y la distribución del tamaño de los fragmentos de roca en las pilas determina la eficacia de la recuperación mineral. Además de su importancia en la industria minera, la fragmentación de la roca es también un parámetro importante para evaluar la estabilidad de las pendientes en vertederos y en otros problemas geotécnicos con material de relleno. La fragmentación de rocas depende de muchas variables, incluidas las propiedades de las rocas, la geología del sitio, la fracturación in situ, el contenido de humedad y los parámetros de voladura.

El grado de fragmentación de la roca puede estimarse determinando la distribución del tamaño de los fragmentos de roca explotados. Existen muchos métodos para estimar la distribución del tamaño de las rocas voladas. El método más directo es tamizar las rocas voladas a través de pantallas con diferentes tamaños de malla (Clark 1987). El alto costo de tamizar toneladas de material arruinado ha llevado a muchos métodos indirectos para estimar la distribución del tamaño. Uno de los métodos más recientes y populares es el fotoanálisis, donde las imágenes fotográficas se obtienen de la superficie de un montón de rocas voladas y se analizan manualmente o mediante técnicas de procesamiento de imágenes por computadora (Franklin y Maerz 1986; Franklin et al., 1988; Ghosh et al. al. 1990; Mojtabai y otros 1989, 1990).

Se encuentran muchos problemas cuando se trata de estimar la fragmentación utilizando imágenes fotográficas. Primero, los fragmentos de rocas individuales en la imagen deben estar delineados, ya sea a mano o usando técnicas de procesamiento de imágenes. La Fig. 1 muestra un ejemplo de una imagen digital de fragmentos de roca. Los problemas con la iluminación no uniforme, las sombras, el ruido y el gran alcance en el tamaño de los fragmentos hacen que la delineación sea prácticamente imposible usando rutinas estándar de detección de bordes. Un segundo problema es extraer correctamente la información tridimensional de las imágenes bidimensionales. Se deben hacer suposiciones sobre los tamaños de los fragmentos en la tercera dimensión. Además, los fragmentos de roca se superpondrán y es necesario realizar correcciones de los tamaños de los fragmentos debido a la superposición. Finalmente, se deben hacer suposiciones sobre la relación entre la distribución del tamaño en la superficie de un pilote y la distribución general del tamaño en el volumen tridimensional.

Este documento describe las técnicas que se han desarrollado para manejar todos los problemas mencionados anteriormente. El resultado final es un programa de computadora que se ha desarrollado para determinar automáticamente la distribución del tamaño de los fragmentos de roca en función de las imágenes tomadas con una cámara de video de alta resolución. En la primera parte del programa, se desarrolló un algoritmo para delinear automáticamente fragmentos de roca individuales en las imágenes. El algoritmo proporciona un alto grado de precisión, incluso en condiciones de rocas complejas y bajo condiciones de luz difíciles. En la segunda parte del programa, se desarrolló un procedimiento estadístico para estimar las formas de fragmentos tridimensionales y para tener en cuenta la superposición de fragmentos. El procedimiento estadístico también combina la información obtenida de imágenes tomadas a diferentes escalas. La técnica de videoimagen se valida comparando distribuciones de tamaño generadas por computadora con resultados de tamiz experimental. En la siguiente sección, se brinda una breve reseña de la literatura sobre la fragmentación de rocas. Esto es seguido por una sección que describe los experimentos de laboratorio que se realizaron para validar los algoritmos de la computadora. Luego se describen brevemente los algoritmos de computadora para la delineación de fragmentos. Finalmente, se describen los procedimientos estadísticos para determinar las distribuciones de tamaños de fragmentos a partir de imágenes de video, junto con una comparación de las distribuciones de tamaños calculadas y medidas.

FONDO

El diseño de explosión óptimo debe producir tamaños de fragmentos que coincidan estrechamente con los requeridos para una aplicación específica. Las aplicaciones incluyen relleno de roca o piedra de armadura, almohadillas de lixiviación o roca que continúa para reducir el tamaño adicional (trituración y molienda). La fragmentación mejorada en la mayoría de las aplicaciones significa tamaños de fragmentos más pequeños y generalmente requiere más perforación y más explosivos. Sin embargo, estos costos se compensan con cargas y acarreos más sencillos y costos reducidos de aplastamiento (MacKenzie, 1966; Groenlandia y Knowles, 1969). El tamaño de los fragmentos y su distribución en el material roto están relacionados con el tamaño del estallido, la distribución explosiva y el tiempo de demora, la estructura in situ de la roca y la estructura del estallido (Clark 1987). Los diversos métodos utilizados para calcular las distribuciones de tamaños incluyen cribado, métodos empíricos y métodos fotográficos.

Todas estas técnicas tienen sus dificultades. El tamizado se ha utilizado ampliamente en ensayos de voladura a escala reducida (Dick et al., 1973, Bhandari y Vutukuri 1974, Singh y otros 1980) y todavía se utiliza en minas y canteras para determinar el tamaño y la forma de distribución de los fragmentos de roca. Tamizar, sin embargo, es un proceso que lleva mucho tiempo y es muy costoso para el tratamiento de grandes volúmenes de material (Ord 1989). El tamizado es el único método práctico directo para la determinación de la distribución del tamaño, pero debido a su costo, se están utilizando muchos métodos indirectos. Las estimaciones de las distribuciones de tamaños se han realizado utilizando parámetros de voladura o propiedades de masas rocosas junto con fórmulas empíricas (Lovely 1973, Just y Henderson 1971) y también utilizando análisis por computadora (Gama 1984). Sin embargo, estos métodos no miden directamente la fragmentación de la roca y pueden ser inexactos en determinadas circunstancias.

Se han desarrollado métodos fotográficos en los que algunos parámetros del tamaño del fragmento, como la longitud o el área transversal, se miden manualmente (Carter 1977, Aimone y Dowding 1983, Noren y Porter 1974, Farmer et al., 1991) o utilizando software de análisis de imágenes (Gozon et al., 1986; Franklin y Maerz, 1986). Para calcular la distribución del tamaño de las imágenes fotográficas, la computadora primero debe reconocer los fragmentos de roca individuales. Los métodos para separar los fragmentos individuales de roca en una imagen han sido desarrollados por Maerz et al. (1987) y otros. Una revisión de algunos de los métodos para la delineación de fragmentos en rocas se da en Hunter et al. (1990). También se han desarrollado métodos que podrían extenderse al problema de la fragmentación de rocas en otros campos, como el área biomédica, utilizando métodos como la búsqueda heurística (Bowie y Young 1977), la teoría de conjuntos difusos (Vanderheydt y Dora 1981), el crecimiento regional (Chassery y Gaybay 1984; Gaybay 1986) y división inteligente (Ji 1989). Ninguno de estos métodos es completamente satisfactorio para el problema de delinear fragmentos de roca, como se discutió en Wu y Kemeny (1992).

Otro problema con el análisis de imágenes fotográficas es determinar la distribución de tamaños tridimensionales en un volumen de fragmentos de roca en función de la información de varias imágenes bidimensionales. En general, no se tomarán imágenes que cubran toda la superficie del volumen de la roca, por lo que se debe considerar la técnica de muestreo adecuada. Además, se deben tener en cuenta los efectos de la forma del fragmento, la orientación de los fragmentos en la pila y la superposición de fragmentos. Finalmente, las imágenes deben tomarse a escalas que consideren los fragmentos más pequeños y más grandes en el volumen de la roca.

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