礦山頂板冒落危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)可視化模型研究

王子健 Matheus M Kanime 程五一 趙 貞

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.世紀(jì)萬安科技(北京)有限公司，北京 100029)

由于非煤礦山開采深度的增加，頂板冒落事故有增多的趨勢(shì)。為了更好地進(jìn)行深部開拓采場(chǎng)的頂板管理，許多學(xué)者從頂板事故原因分析出發(fā)，利用模糊綜合理論、頂板監(jiān)測(cè)法，從頂板事故影響因素中選取相應(yīng)指標(biāo)，構(gòu)建模型劃分頂板冒落危險(xiǎn)性高中低區(qū)域，并根據(jù)危險(xiǎn)性高低進(jìn)行管理的方法，取得了較不錯(cuò)的成果[1-6]。然而多數(shù)非煤礦山頂板冒落危險(xiǎn)性區(qū)域劃分圖多為平面圖繪制，由于地下礦山具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差等特點(diǎn)，給礦山的頂板管理帶來不小的困難。因此如果能夠建立礦山的三維空間模型，將頂板冒落危險(xiǎn)性區(qū)域圖立體地展現(xiàn)出來，對(duì)非煤礦山頂板管理具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究利用Surpac軟件，結(jié)合相山某礦實(shí)際開采情況，基于大量鉆孔等勘探資料，繪制了該礦山的可視化模型，并將該礦頂板冒落危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果與Surpac相結(jié)合，繪制出該礦山頂板冒落危險(xiǎn)性的可視化模型，對(duì)類似工程有重要指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦床地層的基底由震旦系千枚巖及云母石英片巖組成；蓋層所含巖石種類較多，主要為上侏羅統(tǒng)打鼓頂組、酸性火山熔巖、陸相碎屑沉積巖、局部夾火山碎屑巖等。

礦山地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造等十分發(fā)育，礦床內(nèi)主要的斷裂構(gòu)造為區(qū)域性繼承式華夏系鄒家山—石洞深斷裂帶，特點(diǎn)為多期活動(dòng)，晚期為壓扭性活動(dòng)。

礦床工程地質(zhì)條件較好，基巖致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，穩(wěn)固性較好，極限抗壓強(qiáng)度為79.15～158.65 MPa。礦山浮土分布范圍不大，主要分布在溝谷地帶，局部見于山坡。除溝谷中厚度稍大外，一般厚度1～5 m。氧化帶平均深度21 m，近斷裂處裂隙發(fā)育，氧化帶大多發(fā)育較深。

47～61勘探線施工鉆孔193個(gè)(其中分支孔16個(gè))，本地段礦體規(guī)模、形態(tài)及其變化的基本特征是中、小礦體數(shù)量多，多成脈狀、透鏡狀，少數(shù)為囊狀，其形態(tài)比較復(fù)雜。

2 礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型構(gòu)建

2.1 可視化模型構(gòu)建流程

澳大利亞SSI公司開發(fā)的Surpac 軟件是一款三維可視化系統(tǒng)[7]，該軟件應(yīng)用廣泛，可以應(yīng)用于礦山生產(chǎn)的整個(gè)周期，通常用于礦產(chǎn)資源評(píng)估及礦山采礦規(guī)劃與設(shè)計(jì)等。

礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型構(gòu)建主要流程有：①原始地質(zhì)準(zhǔn)備；②導(dǎo)入到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；③工程軌跡的三維顯示；④地表模型的建立；⑤圈定礦體的邊界；⑥構(gòu)造礦體三維實(shí)體模型；⑦對(duì)不同危險(xiǎn)性礦體進(jìn)行著色；⑧構(gòu)造礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型。具體的礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型構(gòu)建流程見圖1。

圖1 礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型構(gòu)建流程Fig.1 Visualization model constructionprocess of roof caving hazard

2.2 創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)和前提。鉆孔數(shù)據(jù)的顯示和統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)體模型建立等都離不開地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)由“表”和“字段”組成。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在若干表，而每個(gè)表中存在若干字段，每個(gè)字段都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)格式分析完畢后，Surpac端快速地創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)框架，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)[8]。

為構(gòu)建鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)原始資料進(jìn)行了數(shù)字化處理，按照地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的格式要求，建立了鉆孔表(Collar)、測(cè)斜表(Survey)、巖性表(rock)3個(gè)表。其中：鉆孔表是用來記錄鉆孔信息，由于是三維地質(zhì)模型，在鉆孔表中添加了Z方向坐標(biāo)以及最大深度。整理的鉆孔表如表1所示(表中坐標(biāo)已進(jìn)行處理)。

表1 47～61勘探線部分鉆孔數(shù)據(jù)Table 1 Partial borehole data of line 47 to 61 m

測(cè)斜表記錄鉆孔的行進(jìn)方向的測(cè)斜信息，可以完整記錄鉆孔的走向，其中根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為傾角應(yīng)該為負(fù)，符合實(shí)際情況，所以對(duì)于傾角進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如表2所示。

表2 47～61勘探線部分測(cè)斜數(shù)據(jù)Table 2 Partial inclinometer data of line 47 to 61

巖性表是表明礦山的巖石和礦石的分布，由于45線到47線的巖性有缺漏，故采用47線到61線的巖性，其中A代表礦石，B代表巖石。礦山所整理的巖性表如表3部分所示。

表3 47～61勘探線部分巖性數(shù)據(jù)Table 3 Partial lithology data of line 47 to 61

2.3 礦山地表模型的建立

表面模型是Surpac軟件的基礎(chǔ)，主要形成彩色地圖以及地貌圖。一般地表模型建立需要以下幾個(gè)步驟[9]：

(1)通過AUTO CAD軟件構(gòu)建數(shù)字化地質(zhì)地形圖。

(2)將地質(zhì)地形圖轉(zhuǎn)換為Surpac中的線文件，把各聚集點(diǎn)、交叉點(diǎn)等進(jìn)行消除，將線文件變?yōu)槠矫婢€文件，各等高線的高程值為零。

(3)利用Surpac軟件將各等高線的Z坐標(biāo)賦值并閉合，從而完成等高線線文件的“立體”轉(zhuǎn)換。

(4)利用線文件建立地表模型。

按照上述步驟構(gòu)建礦山地表模型如圖2所示，鉆孔與地表對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖2 礦區(qū)地表數(shù)字化模型(自由視角，按Z值著色)

圖3 礦區(qū)鉆孔與地表對(duì)應(yīng)關(guān)系(俯視視角，按Z值著色)

2.4 礦山實(shí)體模型的建立

實(shí)體模型是用來描述三維空間的物體，是礦山頂板冒落危險(xiǎn)性區(qū)域劃分可視化模型建立的基礎(chǔ)，礦山礦體實(shí)體模型建立過程如下：

(1)根據(jù)原始鉆孔資料，并結(jié)合巖石性質(zhì)等重新地質(zhì)解譯礦山47～61勘探線各剖面的礦體范圍和各地質(zhì)界線。

(2)通過勘探線切剖面，在三維空間里圈定各剖面礦體邊界線及其他地質(zhì)解譯線，各剖面的礦體解譯完成后，將各勘探線的解譯線合成一個(gè)線文件，并置于三維空間，即形成各剖面礦體的解譯線(如圖4所示)。

圖4 礦體55剖面部分解譯線Fig.4 Partial interpretation line of 55 section of ore body

(3)根據(jù)礦體外圍輪廓線，大致圈定礦體賦存范圍，結(jié)合礦山實(shí)際，確定連接原則，并以此圈定礦體的精確范圍(如圖5所示)。

圖5 礦體55剖面部分實(shí)體模型Fig.5 Partial solid model of 55 section of ore body

(4)根據(jù)礦體解譯線完成礦體的三角網(wǎng)連接，然后要對(duì)礦體實(shí)體模型進(jìn)行“實(shí)體驗(yàn)證”，驗(yàn)證實(shí)體為真，保存為“dtm”格式的實(shí)體模型。驗(yàn)證為假，修改信息使得驗(yàn)證為真，礦山所得實(shí)體模型圖如圖6所示。

圖6 礦區(qū)礦體實(shí)體模型(俯視)

2.5 礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化實(shí)現(xiàn)

為了建立礦山頂板冒落危險(xiǎn)性可視化模型，在礦體品位分析功能上進(jìn)行二次開發(fā)，筆者首先利用Fisher準(zhǔn)則判別分析法建立頂板事故預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型對(duì)礦山47～61勘探線礦區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，并將鉆孔劃分為危險(xiǎn)與非危險(xiǎn)鉆孔，類別分別為1、2，如表4部分所示(表中坐標(biāo)已經(jīng)過處理)。

表4 礦山47～61勘探線頂板冒落危險(xiǎn)性部分預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)Table 4 Roof caving hazard prediction data of line 47～61

為了礦山礦體實(shí)體模型中將頂板事故危險(xiǎn)區(qū)域凸現(xiàn)出來，設(shè)置存在頂板事故危險(xiǎn)區(qū)域的礦體顯示為紅色，不存在頂板事故危險(xiǎn)性的礦體顯示為綠色。利用Surpac的著色功能將對(duì)礦山礦體進(jìn)行著色，如圖7所示，將著色好的礦體與礦山地表模型以及實(shí)體模型結(jié)合，如圖8所示。

圖7 礦山礦體危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)模型Fig.7 Prediction model for dangerous area of mine body

圖8 礦山礦區(qū)地表、礦體對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between the surfaceand the ore body of the mine area

3 結(jié) 論

(1)基于鉆孔數(shù)據(jù)，應(yīng)用Surpac軟件，構(gòu)建了礦山鉆孔三維信息可視化立體模型，將地下隱蔽工程三維可視化，使得礦山空間分布特征更加直觀明了。

(2)結(jié)合礦山頂板冒落危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果，將礦山頂板分為危險(xiǎn)區(qū)域以及安全區(qū)域，并分別著色以示區(qū)分，利用Surpac軟件二次開發(fā)功能，構(gòu)建礦山頂板冒落危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)可視化模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模型清楚直觀地顯示礦體的危險(xiǎn)性，方便礦山管理人員進(jìn)行頂板管理。本研究的探索性嘗試,對(duì)類似工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

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