深埋礦體移動(dòng)帶三維圈定方法研究

原 野，王 賀，曹 輝，于世波

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

地下開(kāi)采必然會(huì)產(chǎn)生各種各樣的采空區(qū)，使原巖應(yīng)力平衡產(chǎn)生破壞，圍巖發(fā)生變形移動(dòng)，導(dǎo)致地表產(chǎn)生開(kāi)裂、傾斜和彎曲等變形，甚至出現(xiàn)塌陷坑，在山區(qū)可能引起山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，不僅給礦山造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對(duì)礦山的安全生產(chǎn)構(gòu)成巨大的威脅。同時(shí)，地表移動(dòng)帶的圈定是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，一方面移動(dòng)帶的圈定必須滿足安全生產(chǎn)的要求，另一方面減少征地面積，降低生產(chǎn)成本就是企業(yè)天然需求[1-5]。目前金屬礦山移動(dòng)范圍圈定主要方法有工程類比法、理論分析法、數(shù)值分析法。工程類比法的準(zhǔn)確性對(duì)設(shè)計(jì)者的工程經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)要求很高，存在著因人而異的主觀人為因素；理論分析法主要包括上盤(pán)漸進(jìn)崩落理論、上盤(pán)漸進(jìn)斷裂理論、松動(dòng)區(qū)引起地表巖層移動(dòng)理論、概化隨機(jī)介質(zhì)理論等，由于礦山差別較大，這些理論對(duì)同一問(wèn)題可能給出有差異的結(jié)果，不能直接應(yīng)用于礦山；數(shù)值分析法對(duì)礦體賦存條件的參數(shù)準(zhǔn)確度要求較高[6-10]。因此，如何科學(xué)合理地確定礦山地下開(kāi)采的地表移動(dòng)范圍是一項(xiàng)重要的科研難題[11-21]。

本文提出了一種將復(fù)雜礦體的三維模型與經(jīng)典地表移動(dòng)帶圈定方法相結(jié)合的移動(dòng)帶圈定方法。首先根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料通過(guò)三維建模軟件建立礦山模型，然后在模型中切割各個(gè)典型的剖面，由于三維模型中各組成部分被賦予了幾何形狀與空間分布要素，包括走向、傾向和傾角，因此可以根據(jù)需求截取任意多個(gè)分析剖面，計(jì)算剖面含有巖層組成和產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等信息，結(jié)合經(jīng)典的地表移動(dòng)帶圈定方法獲取巖移參數(shù)，最后將各巖移參數(shù)確定的地表移動(dòng)帶邊界點(diǎn)連接，即可圈定地表移動(dòng)帶。該方法在紗嶺金礦山地表移動(dòng)帶的圈定中獲得了成功應(yīng)用，效果良好。

1 工程應(yīng)用

1.1 工程簡(jiǎn)介

紗嶺金礦的礦體屬于大面積、緩傾斜中厚—厚礦體，似層狀、大脈狀，具分枝復(fù)合、膨脹夾縮等特點(diǎn)，產(chǎn)狀與主裂面基本一致，傾向243°～291°、平均272°，傾角6°～42°、平均傾角約27°。沿走向最大1 582 m，沿傾向最大斜長(zhǎng)2 158 m，最大垂深1 016 m，礦體單工程厚1.20～125.64 m，平均14.89 m。預(yù)計(jì)隨著礦山開(kāi)采的正常進(jìn)行，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，巖移范圍也相應(yīng)擴(kuò)大。當(dāng)巖移范圍擴(kuò)大到地表時(shí)，地表將產(chǎn)生變形和移動(dòng)，形成下沉盆地或塌陷坑。目前，礦山急需對(duì)其地采所引起的地表移動(dòng)帶范圍進(jìn)行研究，以避免不必要的損失。

1.2 礦山地表模型建立

由于礦區(qū)保留著大量不同階段的地表高程實(shí)測(cè)圖，但存在數(shù)據(jù)相互沖突、部分區(qū)域相互重疊等問(wèn)題。將紗嶺金礦礦區(qū)的地表地形圖導(dǎo)入3DMINE三維軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況，通過(guò)采用人機(jī)交互的方法對(duì)不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，在軟件中對(duì)其地形等高線進(jìn)行編輯，包括移動(dòng)、刪除離散點(diǎn)等操作，最終得到修正后的地表等高線，并對(duì)其進(jìn)行賦值，形成地表模型，如圖1所示。

圖1 礦區(qū)地表模型Fig.1 Model of mine surface

1.3 礦體模型的建立

根據(jù)所有鉆孔數(shù)據(jù)和勘探線的剖面資料，生成礦體的水平與垂直剖面圖，然后將其導(dǎo)入3DMINE三維軟件中，形成礦體的輪廓線圖[5-6]，利用三角網(wǎng)算法來(lái)完成礦體模型的建立，如圖2所示。

圖2 礦體三維模型Fig.2 3D model of ore body

1.4 剖面的選取及移動(dòng)角的確定

通過(guò)已經(jīng)建立的礦區(qū)地表模型[7-8]與礦體模型，根據(jù)礦區(qū)地層信息，按精度要求切割相應(yīng)的剖面，若所切割的剖面內(nèi)的地層信息差異不大，可選取不同方向的幾個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析，得到剖面的統(tǒng)一移動(dòng)角；若切割的剖面的地層信息差異較大，就需要對(duì)切割的剖面分別進(jìn)行計(jì)算分析，得到不同的移動(dòng)角。從紗嶺金礦所切割的剖面圖來(lái)看，地層信息差異不大，只需要分析計(jì)算幾個(gè)典型剖面即可。

本文參考傳統(tǒng)經(jīng)典的礦巖移動(dòng)帶的圈定原理[9-10]，參照類似條件下礦山的實(shí)際資料選取移動(dòng)角，并綜合考慮礦山的具體條件，對(duì)所選取的值進(jìn)行修正，最終確定其上盤(pán)移動(dòng)角與走向移動(dòng)角都是70°，如圖3所示。

圖3 典型剖面圖的移動(dòng)角Fig.3 Movement angle of a typical section

1.5 地表移動(dòng)帶的確定

根據(jù)所有已確定移動(dòng)角的典型剖面，得到地表的移動(dòng)帶邊界點(diǎn)，然后將所有典型剖面圖確定的地表移動(dòng)帶邊界點(diǎn)連接，即可圈定地表移動(dòng)帶，如圖4所示。

圖4 地表移動(dòng)帶Fig.4 Surface movement zone

2 結(jié)論

由于深埋礦體的形態(tài)變化較大，而地下礦山的移動(dòng)角的選取是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，既要滿足安全生產(chǎn)的需求，又要降低征地面積減少成本。本文結(jié)合紗嶺金礦的工程實(shí)例，介紹了基于三維地質(zhì)建模技術(shù)的移動(dòng)帶圈定方法，為礦山生產(chǎn)開(kāi)發(fā)奠定了有益基礎(chǔ)。

1)通過(guò)對(duì)紗嶺金礦的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)所有的鉆孔數(shù)據(jù)與勘探線剖面圖進(jìn)行整理、修正，綜合運(yùn)用相鄰輪廓線法和三角網(wǎng)算法，構(gòu)建了紗嶺金礦的地表模型及礦體的三維實(shí)體模型。

2)按精度要求切割相應(yīng)的剖面，根據(jù)相應(yīng)剖面圖中確定的移動(dòng)角得到地表移動(dòng)邊界點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精度的控制與地表移動(dòng)帶的圈定。

3)基于三維地質(zhì)建模技術(shù)的移動(dòng)帶圈定方法的適用性好、使用簡(jiǎn)單、操作方便，雖然前期建模工作量大，但圈定的地表移動(dòng)帶精度大大提高，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。