白音華三號礦三維地質(zhì)模型構(gòu)建及凸臺邊坡穩(wěn)定性分析

侯 偉

（國家電投集團內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司 露天礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026209）

礦區(qū)三維地質(zhì)建模不僅僅是二維地質(zhì)建模向三維的延伸，三維地質(zhì)建模技術(shù)突破了傳統(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造二維表示的局限性，它能更直觀地描述露天礦山巖層及地質(zhì)體的空間和結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，是實現(xiàn)露天礦“透明地質(zhì)”的基礎(chǔ)。露天煤礦巖層多為沉積巖層，邊坡三維模型的構(gòu)建對于礦山生產(chǎn)規(guī)劃及露天礦邊坡數(shù)值模擬等工作具有重要的意義。隨著人們對露天礦區(qū)地質(zhì)精細程度的增加，研究人員也逐步意識到三維精細化地質(zhì)模型在礦區(qū)生產(chǎn)的必要性，提出了一系列三維數(shù)值建模的措施。李春生等[1]以ArcGIS 軟件作為開發(fā)平臺，以礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用基于層面的約束不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建立了露天礦地質(zhì)模型；李佳君[2]基于三維礦業(yè)軟件DIMINE三維礦業(yè)軟件建立了白云鄂博礦區(qū)的地表DTM 模型和鉆孔數(shù)據(jù)庫模型，進一步對數(shù)據(jù)看進行品位整合后通過地質(zhì)解譯建立礦體三維模型。三維地質(zhì)模型的誤差分析一直是技術(shù)人員關(guān)注的重點，模型的準(zhǔn)確度直接決定了地質(zhì)模型用于指導(dǎo)生產(chǎn)的適用性。針對三維地質(zhì)模型可能存在的誤差，劉光偉等[3]分析了三維建模過程中誤差來源，提出采用C－F 方法對三維地質(zhì)模型各階段不確定性進行統(tǒng)一度量，以實現(xiàn)三維地質(zhì)模型精度有效評價；朱良峰等[4]提出了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度評估、誤差檢測、動態(tài)修正的總體研究框架，為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型度與誤差修正的理論體和方法體系奠定了基礎(chǔ)。

露天礦邊坡穩(wěn)定性研究經(jīng)歷了由經(jīng)驗分析、定性分析、單一評價理論到理論分析、定量分析、多種方法綜合評價的轉(zhuǎn)變。其中定性分析方法主要有工程地質(zhì)分析法和圖解法[5]，定量分析方法主要有極限平衡法[6-8]和數(shù)值分析方法[9-12]等。其中數(shù)值分析方法已成為邊坡穩(wěn)定性分析的一種重要的方法。隨著計算機技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，有限單元法、離散元法、有限差分法、數(shù)值流形法等常用數(shù)值計算方法也在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了充分的發(fā)展，數(shù)值分析方法可以從較大范圍考慮邊坡介質(zhì)的復(fù)雜性，全面地分析分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀況，有助于對邊坡變形和破壞機理的認識。

為此，以白音華三號露天礦已有的地質(zhì)鉆孔信息為基礎(chǔ)，基于3Dmine 軟件和Rhino 軟件，結(jié)合無人機航拍圖，建立了能夠反映露天礦區(qū)巖土體空間分布的三維地質(zhì)模型；進一步在白音華三號礦新布置了2 個鉆孔，經(jīng)過鉆孔巖心圖與三維模型中同一位置巖性的分布對比，驗證了模型具有較高的準(zhǔn)確性；在對地質(zhì)信息充分了解后，建立了白音華三號礦凸臺邊坡三維數(shù)值模擬，基于三維數(shù)值模擬得到了邊坡主要的變形破壞區(qū)域。

1 工程概況

白音華三號礦隸屬于國家電投集團內(nèi)蒙古能源有限公司，礦山位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗白音華鎮(zhèn)管轄范圍內(nèi)，白音華三號礦面積約35.1 km2，年產(chǎn)量1 500 萬t。由于礦權(quán)原因，在礦區(qū)的東北部形成了1 個三面解除約束的凸臺。白音華露天礦共有3 個煤組，其中凸臺下部壓有大量的優(yōu)質(zhì)煤炭，但是凸臺的北面出現(xiàn)了部分區(qū)域出現(xiàn)了明顯的變形，邊坡底部產(chǎn)生了0.5 m 的底鼓，凸臺的穩(wěn)定性制約著煤炭的高效開采。

礦區(qū)所在的白音華煤田為大興安嶺南段西側(cè)的山間斷陷盆地，北東—北北東向長條狀展布。地塹式，盆地規(guī)模600 km2，長寬比近5：1，最大沉積厚度近1 400 m，含煤性好，富煤帶展布方向與盆地長軸方向一致。白音華三號露天礦位于煤田的中部，露天礦巖（土）體地層較為簡單，白音華三號礦典型巖土層分布如圖1。

圖1 白音華三號礦典型地質(zhì)圖

巖土自上而下分布為第四系地層、第三系地層、泥巖層、煤層、泥砂巖互層等主要巖層。第四系地層主要是由腐殖土、砂土、細砂、粗砂、粉砂、亞砂土、砂礫和少量亞黏土、黃土等組成；第三系主要是由黏土或砂質(zhì)黏土構(gòu)成，第三系底部含有灰白－灰黃色砂礫層，主采煤層由2－1＃中煤層、2－1＃下煤層、3－1＃煤層、3－2＃煤層、3－3＃煤層5 層煤組成。地層厚度帶的總體方向為北東向，中部薄，西南、東北兩端厚，最大厚度帶偏向于井田西北一側(cè)，中部的厚度變薄帶為一個同沉積隆起。

2 白音華三號礦三維地質(zhì)模型

利用無人機對整個礦區(qū)進行掃描得到礦區(qū)的高程線，基于高程線生成白音華三號礦DTM 模型，隨后在Rhino 中建立與表面大小相同的實體得到礦坑表面模型，在表面模型的基礎(chǔ)上建立礦區(qū)地質(zhì)模型。

礦區(qū)地質(zhì)模型主要是根據(jù)礦區(qū)已有的巖層結(jié)構(gòu)剖面圖進行構(gòu)建。Rhino 軟件建模的核心是NURBS曲面技術(shù)，NURBS 是指能夠用數(shù)學(xué)的方式精確的描述所有造型，即從簡單的2D 線到復(fù)雜的3D 有機自由曲面與實體。將巖性分界面與礦區(qū)表面模型進行整合，建立礦山巖層實體模型如。白音華露天礦三維地質(zhì)體模型如圖2。

圖2 白音華露天礦三維地質(zhì)體模型

對三維模型進行貼圖能夠更直觀反映礦坑真實情況，對于分析邊坡雷達點變形、裂隙分布等地質(zhì)信息有重要意義。貼圖過程是在Rhino 軟件中完成，根據(jù)無人機航拍的高清礦區(qū)圖片，對所建立的白礦模型進行巖性賦予，選擇保存的無人機圖片并調(diào)整貼圖軸大小實現(xiàn)貼圖。白音華三號礦地表－地下精細化三維地質(zhì)模型如圖3。

圖3 白音華三號礦地表－地下精細化三維地質(zhì)模型

3 白音華三號礦三維地質(zhì)模型準(zhǔn)確性驗證

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，在白音華三號礦凸臺邊坡的西北部設(shè)計施工了2 個鉆孔，2 個鉆孔標(biāo)高及鉆孔信息見表1。實際施工中根據(jù)巖石性質(zhì)選擇鉆進方法，鉆頭規(guī)格選用?113 mm，巖心管選用?89 mm，回次進尺長度均未超過巖心管有效容納長度，鉆進松散、破碎的巖層時，根據(jù)實際情況采用低轉(zhuǎn)速、小泵量，保證取心質(zhì)量。

表1 新增鉆孔信息表

基于新增的2 個鉆孔巖心巖性分布圖對所建模型準(zhǔn)確度進行檢驗。首先根據(jù)鉆孔巖心圖標(biāo)注出不同深度的巖性，然后將模型中對應(yīng)深度的巖性與鉆孔中編錄的巖性進行對比。白音華三號礦模型準(zhǔn)確性檢驗圖如圖4。圖4 中，四邊形的顏分別代表了鉆孔揭露巖性和模型表征的巖性，四變形的高度代表了不同巖性（砂巖、泥巖、煤層）。

圖4 白音華三號礦模型準(zhǔn)確性檢驗圖

由對比可以看出：結(jié)果顯示模型能相對準(zhǔn)確地反應(yīng)巖土體的賦存狀態(tài)，尤其是在含煤的深度誤差較小，這對于煤層的開采具有重要的作用，通過對比，模型準(zhǔn)確度較高。

4 白音華三號礦凸臺邊坡穩(wěn)定性分析

主要通過FLAC3D軟件實現(xiàn)凸臺邊坡穩(wěn)定性分析。其求解過程采用顯示有限差分格式，人機交互界面易于操作。針對應(yīng)力場的控制微分方程進行求解，既不需要像極限平衡法一樣通過迭代求解，也不需要通過剛度矩陣，只需借助建立相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，直接由應(yīng)變求解應(yīng)力。

建立的凸臺邊坡三維數(shù)值模型如圖5。

圖5 白音華三號礦凸臺邊坡三維計算模型

模型總高度為540 m，模型計算忽略巖體內(nèi)部的構(gòu)造應(yīng)力僅在純重力作用下求解平衡，設(shè)置加載方向為豎直向下的重力加速為9.8 m/s2，對研究區(qū)域模型底面邊界固定x、y、z 位移，頂面設(shè)定為自由面，左側(cè)和右側(cè)邊界水平位移限制x 方向的水平位移；前、后兩邊界限制y 方向的水平位移。模型的z 方向豎直向上；x 軸正向指定為大地坐標(biāo)系的“東”方向，即為模型的右側(cè)；正y 方向?qū)?yīng)于大地坐標(biāo)系的“北”方向，即指向邊坡的背面。

首先基于彈性本構(gòu)模型求解凸臺邊坡的初始地應(yīng)力，獲得初始地應(yīng)力后基于摩爾－庫倫彈塑性本構(gòu)模型求解邊坡的主要破壞區(qū)域。當(dāng)模擬中的最大不平衡力與典型內(nèi)力比值下限達到10－5時，認為系統(tǒng)達到平衡。

初始平衡狀態(tài)最大主應(yīng)力如圖6，初始平衡狀態(tài)最小主應(yīng)力云圖如圖7，初始平衡狀態(tài)最大剪應(yīng)力云圖如圖8。

圖6 初始平衡狀態(tài)最大主應(yīng)力云圖

圖7 初始平衡狀態(tài)最小主應(yīng)力云圖

圖8 初始平衡狀態(tài)最大剪應(yīng)力云圖

由圖6 可知：初始平衡狀態(tài)最小主應(yīng)力隨深度增加而增加，等值線方向近乎與邊坡平行，在邊坡內(nèi)部最大主應(yīng)力方向與重力方向一致，在臨近坡表位移變?yōu)榕c坡面平行。

由圖7 可知：初始平衡狀態(tài)最小主應(yīng)力隨埋深增加逐漸增大，同一水平靠近邊坡的位置應(yīng)力小，遠離邊坡的位置應(yīng)力大，最小主應(yīng)力的方向在坡體內(nèi)部一般為水平方向，而在臨近坡表調(diào)整為與坡面垂直。

由圖8 可知：坡面頂部剪應(yīng)力較小，坡腳處出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。

邊坡塑性區(qū)分布可以反映邊坡的破壞，凸臺邊坡塑性變形區(qū)域分布如圖9。

圖9 凸臺邊坡塑性變形云圖

由圖9 中可以看出邊坡局部產(chǎn)生了塑性變形，塑性變形主要集中在凸臺邊坡北面及西面邊坡坡底處，凸臺南面邊坡坡底的高程較北面坡底較高，凸臺南面邊坡相對于北面邊坡高度較小，因此在凸臺南面邊坡底部產(chǎn)生的破壞明顯少于北面邊坡底部；凸臺邊坡北面與西面的轉(zhuǎn)角處邊坡產(chǎn)生破壞較為嚴重，原因是凸臺北面與凸臺相向的邊坡為開采邊坡，開采邊坡的存在使得在凸臺北面與西面邊坡底部轉(zhuǎn)角處形成了應(yīng)力集中，在該區(qū)域由于應(yīng)力集中，底部巖體極易產(chǎn)生破壞，同時現(xiàn)場再該區(qū)域觀察到明顯的底鼓現(xiàn)象，也驗證了應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在；此外在凸臺邊坡頂部有部分塑性區(qū)產(chǎn)生，這些區(qū)域與現(xiàn)場變形較大的區(qū)域基本吻合，驗證了模擬的準(zhǔn)確性，同時為邊坡監(jiān)測及生產(chǎn)提供了參考。

4 結(jié)語

基于白音華三號礦的地下鉆孔信息及無人機航拍圖信息，利用3Dmine 軟件和Rhino 軟件建立了白音華三號露天煤礦三維地質(zhì)模型。通過新增的鉆孔巖心數(shù)據(jù)驗證了模型的準(zhǔn)確性，通過與新增鉆孔信息的對比認為模型能夠相對較真實地反映礦山的巖土體空間分布特征。基于白音華三號礦的邊坡三維數(shù)值模型和Flac3D軟件研究得出邊坡破壞主要集中在邊坡坡底、凸臺邊坡坡頂和凸臺邊坡北側(cè)轉(zhuǎn)角處邊坡，模擬結(jié)果與現(xiàn)場變形區(qū)相吻合。