基于Rhino 和3Dmine 的露天煤礦邊坡三維數(shù)值模型構(gòu)建

杜昌華，宋景輝，張傳偉，劉籽鈺，吳建圻

（1.昆明煤炭設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650011；2.云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團有限公司，云南 昆明 650032）

露天礦是一個以采掘為中心的大型生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。隨著露天礦開采規(guī)模的不斷擴大，露天礦開采深度不斷增加，其邊坡高度也在加大，滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象逐年增多[2-3]。露天礦邊坡的高陡化也使邊坡安全問題日益凸顯，不穩(wěn)定的邊坡具有潛在的滑坡危險。因此，在追求更高資源回采率的同時，保證露天礦的安全生產(chǎn)成為一項最重要挑戰(zhàn)[4]。工程人員在進行三維邊坡分析時大多采用單一軟件建模，導致對邊坡模型大幅度簡化，使分析結(jié)果偏離實際[5-7]。

現(xiàn)有的建模軟件各有所長，軟件間聯(lián)合建模的處理方式會讓軟件優(yōu)勢互補，從而高效地實現(xiàn)露天礦復(fù)雜三維地質(zhì)模型的精細建模[8-9]。為此，以我國某露天煤礦為例，進行基于Rhino 和3Dmine 的三維邊坡模型的構(gòu)建及驗證分析。

1 建模思路與流程

1）建模思路。經(jīng)人工開挖后的露天礦三維邊坡模型不同于普通地質(zhì)模型，實現(xiàn)精細化露天礦三維邊坡模型的構(gòu)建必須針對露天礦地質(zhì)及工況特點，選用針對性的建模平臺。露天邊坡的三維空間的特殊性可歸納為地表形態(tài)與地形平滑過渡的天然邊坡不同，露天礦邊坡表面經(jīng)采礦活動改造，地表起伏突出、棱角分明，而地層相對平滑。因此，針對露天煤礦空間上的主要特點，選用曲面處理能力強大的Rhino 軟件和地層建立便捷的3Dmine 軟件分別處理地表及地層模型，再將3Dmine 建立的DTM 地層模型，經(jīng)由Rhino 軟件處理為Nurbs 模型，完成網(wǎng)格的劃分及輸出，最終完成露天煤礦三維數(shù)值模型的建立。

2）建模流程。礦體三維模型的建立，有2 種常見方式：①實測資料較少、未確定開采方案及計劃部分占整體的比例很大等不確定條件較多的情況，這種情況下建模方式主要基于勘探線剖面圖，輔以各中段平、剖面圖和垂直勘探線的剖面圖修正，以從右至左或從左至右的空間順序建立三維模型；②已有調(diào)查資料較多，多數(shù)地質(zhì)情況已知的條件下，基于中段平、剖面實測圖和激光掃描的礦體表面模型或礦體地形圖，輔以勘探線剖面修正，以從上至下或從下至上的空間順序建立三維模型。

2 三維模型的建立

利用Rhino 和3Dmine 分別建立的地表面及地層面模型如圖1。

圖1 地表及地層模型的建立

在Rhino 中，可以創(chuàng)建由多曲線定義的近似Nurbs 曲面。首先對導入的地形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，建立Nurbs 地表模型，并對網(wǎng)格面編輯、調(diào)整模型坐標系位置及確定模型邊界等操作，即可方便快捷地得到未劃分地層的露天煤礦地表模型。

DTM 模型是以三維等高線為約束條件來展現(xiàn)接近實景地貌的一種模型，可直接利用鉆孔數(shù)據(jù)，采用不規(guī)則的三角網(wǎng)自動連接生成地層面，利用3Dmine 可方便快捷地完成前期地層模型構(gòu)建。地層模型建立完畢后，導入Rhino 將DTM 模型處理為Nurbs 模型，并調(diào)整邊界、編輯網(wǎng)格面，3Dmine 地層模型就可為Rhino 所用。這種地層建模方法適用絕大多數(shù)復(fù)雜地質(zhì)條件的建模，且可對分別每個地層分別建模，進行網(wǎng)格編輯。

模型導入Rhino 中曲面均需要轉(zhuǎn)換為Nurbs 曲面?；贜urbs 的曲面差值法，具有計算效率高、操作簡潔等優(yōu)點，可描繪復(fù)雜的曲面和曲線，提高模型整體或局部的連續(xù)性，提供多種網(wǎng)格單元需求，降低畸形網(wǎng)格和節(jié)點的出現(xiàn)頻率，在處理具有較多臺階起伏的露天煤礦邊坡地形方面有優(yōu)異的效果。利用Rhino 劃分地層后的體模型如圖2。

圖2 劃分地層后的體模型

3 案例分析

模型建立后，可根據(jù)不同研究目的進行分析，對其定義本構(gòu)模型、邊界條件和初始條件之后，可進行三維數(shù)值計算?，F(xiàn)以某露天煤礦為例對此方法所得模型進行試算分析，以確定此方法的可靠性。

位移計算結(jié)果如圖3，剪應(yīng)變增量云圖如圖4。

圖3 位移計算結(jié)果

圖4 剪應(yīng)變增量云圖

由圖3 位移計算結(jié)果可知：滑體上部沉降最為明顯，下部底鼓趨勢明顯，而1 斷層附近沉降微弱，1斷層附近巖體沿1 斷層走向錯動，發(fā)生沿西北方向的剪切滑動，與現(xiàn)場情況吻合。且由水平位移云圖可知，x 和y 方向位移量相差不大；綜合位移計算結(jié)果可以明確得出，此露天煤礦邊坡潛在滑體滑動方向為西北-東南方向。

由剪圖4 應(yīng)變增量云圖可知：滑體形態(tài)大致為“倒心形”，滑體后緣位于1 斷層附近，前緣位于2 斷層附近；1 斷層對東幫穩(wěn)定性施加影響的范圍主要為其拐角以西部分，其余部分對東幫穩(wěn)定性影響微弱；2 斷層剪應(yīng)變增量貫穿于整個斷層，但增量遠小于1 斷層。因此推斷1 斷層對控制此露天煤礦邊坡潛在滑體的穩(wěn)定性起決定作用，2 斷層處剪應(yīng)變增量主要是上部巖體的滑動擠壓所產(chǎn)生，對潛在滑體穩(wěn)定性影響較小。

為了研究斷層附近巖體在失穩(wěn)過程中的變形情況，對兩斷層的上下盤各設(shè)置1 條以西側(cè)為起始點、沿斷層走向的監(jiān)測線。斷層附近巖體位移曲線如圖5。

圖5 斷層附近巖體位移

由圖5 可知：1 斷層上盤水平位移小于下盤水平位移，而豎向位移相差較??；說明失穩(wěn)時，1 斷層發(fā)生沿著西北-東南方向的剪切破壞，且1 斷層下盤較上盤水平方向移動更為明顯，1 斷層兩側(cè)巖體在失穩(wěn)時將發(fā)生錯動；2 斷層上盤與下盤水平位移量幾乎相同，因此2 斷層上下盤在滑坡過程中幾乎沒有發(fā)生錯動，這與前文根據(jù)剪應(yīng)變計算結(jié)果所進行的推斷相吻合。

二維分析剖面的確定應(yīng)首先確定潛在滑動面的范圍及主滑方向，這樣得出的計算結(jié)果才是可靠的。由變形分析結(jié)果可知，潛在滑體滑動方向為西北-東南方向，而現(xiàn)有7 勘探線剖面為北-南方向，并非潛在滑體的主滑方向，因此以現(xiàn)有7 勘探線剖面進行二維邊坡穩(wěn)定性分析將變相約束潛在滑體的西-東方向的位移，使計算結(jié)果偏于安全，給本露天礦的安全生產(chǎn)埋下隱患。

4 結(jié)語

針對露天煤礦邊坡人工地表起伏突出和自然地層相對平滑的幾何特點，介紹了一種高效建立露天煤礦邊坡三維數(shù)值模型的方法，并以某露天煤礦邊坡為例分析驗證。此建模方法能夠根據(jù)不同工況，提供多種網(wǎng)格單元需求，降低畸形網(wǎng)格和節(jié)點的出現(xiàn)頻率，兼顧露天煤礦邊坡有較多臺階起伏的人工地表和相對平滑的自然地層組合的特點。建模全程三維可視，可在任一階段進行模型修改，容錯率高。通過工程實例驗證利用此建模方法作為數(shù)值分析的前處理手段，所獲得的計算結(jié)果可充分體現(xiàn)邊坡的三維效應(yīng)，對露天礦邊坡三維分析具有一定參考價值。