楊 殷,熊章強(qiáng)

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410012;2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué)), 湖南 長(zhǎng)沙 410012;3.長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引 言

礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題是指采礦活動(dòng)作用于地質(zhì)環(huán)境所產(chǎn)生的環(huán)境污染和破壞.

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富,種類齊全,目前已成為全球最大的資源生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和貿(mào)易國(guó).長(zhǎng)期以來(lái),隨著對(duì)礦產(chǎn)資源開發(fā)力度的加大,礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,在一些地區(qū)制約了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,影響了其附近居民的人身財(cái)產(chǎn)安全和正常生活秩序[1].

由于礦體賦存地質(zhì)條件、采礦方法、開采設(shè)備及回采順序不同,所引起的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題也不盡相同.而以開采沉陷為代表的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題是一個(gè)“老大難”問(wèn)題,逐漸受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注和重視[2G3].

開采沉陷預(yù)計(jì)是礦山開采沉陷的核心內(nèi)容之一,它對(duì)開采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要意義.由于采礦引起的地面沉陷損壞地面建筑、公路、鐵路等,不但給人民生活帶來(lái)了威脅,而且破壞環(huán)境.開采沉陷的預(yù)計(jì),對(duì)建筑物和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義.

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外針對(duì)開采沉陷也做了很多研究[4G5],主要包括基于CAD軟件、Arc Gis等進(jìn)行二次開發(fā)、基于DI MINE軟件開采沉陷研究等.

1 DI MINE開采沉陷模塊

礦山開采沉陷是一個(gè)十分復(fù)雜的空間和時(shí)間問(wèn)題,我國(guó)在這方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[4G9].目前,常用的變形預(yù)計(jì)方法有概率積分法、典型曲線法以及負(fù)指函數(shù)法等,其中DI MINE軟件開采沉陷插件是基于概率積分法研發(fā)的,主要功能包括開采沉陷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與參數(shù)設(shè)置、沉陷分析與計(jì)算、結(jié)果表述等.

該功能模塊基于礦山三維地表DT M模型、采區(qū)模型進(jìn)行沉陷分析和計(jì)算,不僅針對(duì)性強(qiáng)、計(jì)算速度快,還能很好地利用GIS強(qiáng)大的空間分析和圖形顯示能力,并將計(jì)算分析結(jié)果以二維和三維的形式直觀展現(xiàn)出來(lái).

2 某銻礦開采沉陷預(yù)計(jì)

2.1 礦山簡(jiǎn)介

該礦為超大似層狀銻礦床,成礦地質(zhì)條件優(yōu)越,礦體主要產(chǎn)于含礦層位與北北東、北東向斷裂下盤交匯處及其半邊背斜東翼.礦體的富集與含礦層的破碎和裂隙發(fā)育程度密切相關(guān).Ⅰ號(hào)礦體分布于背斜軸及東翼,走向近東西,傾向南,傾角19°~40°,單個(gè)礦體走向長(zhǎng)100~1200 m,礦體與地層產(chǎn)狀一致,為層狀、似層狀,形態(tài)穩(wěn)定.礦山開采技術(shù)條件比較簡(jiǎn)單,礦井開拓方式為聯(lián)合開拓,采礦最大深度達(dá)469 m.采礦方法有普通房柱法、膠結(jié)充填法等.

礦山開采已有一百多年歷史,留下了大面積的采空區(qū)及老窿,老窿采空區(qū)星羅棋布,上覆巖厚度離地表最薄處不足1 m,一般為20~100 m.部分老采空區(qū)未充填,隨著時(shí)間推移,空?qǐng)霾粩鄶U(kuò)大,現(xiàn)有的礦區(qū)地下采空區(qū)達(dá)2.5 k m2.因此,采區(qū)對(duì)地表的影響成為礦山日常工作中的重點(diǎn)環(huán)節(jié).

2.2 礦山三維空間模型的建立

礦山三維模型,主要包括地表DT M模型、礦體模型、巖層模型、塊段模型和井巷工程模型等.準(zhǔn)確、真實(shí)、合理的三維模型能直觀反映礦區(qū)地面、地下等各工程空間地理信息,能夠?yàn)榈V山開采沉陷預(yù)測(cè)及分析奠定良好基礎(chǔ),還可以為礦山生產(chǎn)、管理提供準(zhǔn)確、有效的依據(jù).

利用DI MINE軟件線框建模技術(shù)和地表DT M建模技術(shù),快速完成礦山三維可視化模型構(gòu)建.2.2.1 地表DT M 模型

數(shù)字化地表模型DT M(Digital Terrain Model)由若干地形等高線和散點(diǎn)(高程點(diǎn))生成,DI MINE軟件根據(jù)每個(gè)點(diǎn)、線的坐標(biāo)值,將所有點(diǎn)線聯(lián)成若干相鄰的三角面,然后形成一個(gè)隨著地面起伏變化的單層模型,以使人們對(duì)礦區(qū)及構(gòu)筑物位置在宏觀上有個(gè)完整的認(rèn)識(shí).

構(gòu)建地表模型首先是把Mapgis或者CAD地質(zhì)地形圖直接導(dǎo)入DI MINE,然后為等高線或散點(diǎn)附上實(shí)際高程值,執(zhí)行“實(shí)體建?！敝械摹罢wDT M”命令可以得到地表模型.

在此模型的基礎(chǔ)上,利用已有的礦區(qū)衛(wèi)星遙感圖片,通過(guò)軟件的“材質(zhì)紋理貼圖”功能,將照片附著到地表模型上,得到更接近于實(shí)際的地表模型(見圖1),如此能夠更加直觀地表現(xiàn)地表的實(shí)際情況.

圖1 貼圖后的地表模型

2.2.2 三維礦體模型

從勘探線剖面中提取礦體輪廓線,對(duì)相鄰剖面輪廓線進(jìn)行礦體建模,形成三維礦體模型,如圖2所示.三維礦體模型,不僅可以在三維空間中直觀分析礦體空間形態(tài)和位置、分析礦體成礦規(guī)律、還可以快速進(jìn)行體積查詢.

2.2.3 三維巖層、斷層模型

與構(gòu)建三維礦體模型類似,在提取各巖層、構(gòu)造分界界線基礎(chǔ)上,可以形成礦區(qū)范圍內(nèi)巖層、斷層的三維空間模型(見圖3).三維巖層模型,可以在三維空間中直觀分析巖層、礦體空間關(guān)系,利于成礦規(guī)律和進(jìn)一步找礦研究.

2.3 模擬開采及沉陷預(yù)測(cè)

礦山開采活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響,尤其是已回采的采區(qū)若未及時(shí)充填對(duì)地表沉降的影響,是礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容.本文以井下2＃礦體6＃、7＃采區(qū)開采為例進(jìn)行研究,計(jì)算開采后地表沉降值和沉降范圍,如圖4所示.

圖2 礦體模型

圖3 剖面地層、斷層整體形狀

圖4 地表及采區(qū)范圍

計(jì)算前,需對(duì)采區(qū)進(jìn)行相應(yīng)屬性設(shè)置與計(jì)算分析:

(1)根據(jù)礦山實(shí)驗(yàn)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)值得出巖石力學(xué)參數(shù):開采厚度為5.5 m,下沉系數(shù)為0.6;采區(qū)傾角為20°;最大影響角正切為2.

(2)選擇“初始地表模型”進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算后將會(huì)生成預(yù)計(jì)的塌陷后地表模型、沉降范圍表和沉降點(diǎn)坐標(biāo)表,分別如圖5、表1和表2所示.

礦山三維模型的應(yīng)用為礦山采空區(qū)影響地表塌陷區(qū)域范圍研究提供了一個(gè)很好的平臺(tái).在三維平臺(tái)下能夠直觀展示地表塌陷區(qū)的沉降區(qū)域,通過(guò)三維地表DT M模型及DI MINE剖面出圖功能,直接看到塌陷區(qū)域地表前后的對(duì)比.通過(guò)模型的可視化,能夠提前預(yù)知地表塌陷,從而指導(dǎo)井下生產(chǎn),提前對(duì)地表做好安全防護(hù).

圖5 地表沉降模擬模型

表1 地表沉降范圍

表2 沉降范圍點(diǎn)

經(jīng)地表沉降平、剖面圖分析可知,6＃、7＃采區(qū)的開采將會(huì)對(duì)地表的礦山建筑造成影響,如圖5、圖6所示.

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步模擬分析,當(dāng)開采范圍不包括6＃、7＃采區(qū)時(shí)(如圖7、圖8所示),則不會(huì)影響到地表建筑,所以為了防止破壞地表的關(guān)鍵建筑物,6＃、7＃采區(qū)的開采應(yīng)該受到限制.

圖6 2－7號(hào)采區(qū)開采A－A′剖面

圖7 2－5號(hào)采區(qū)地表沉降模擬

圖8 2－5號(hào)采區(qū)開采A－A′剖面圖

3 結(jié) 論

DI MINE軟件地表沉陷預(yù)測(cè)功能,為地表塌陷范圍及塌陷趨勢(shì)分析提供了良好工具,能夠直觀反映開采沉降影響的范圍及程度,可有效應(yīng)用于礦山開采規(guī)劃和生產(chǎn)管理、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)分析等業(yè)務(wù)中,為安全、高效生產(chǎn)服務(wù).

礦山三維地質(zhì)體模型,不僅可進(jìn)行三維展示與屬性查詢,還可通過(guò)剖面切割,地表、巷道三維漫游,三維模型透明化,圖層管理等一系列應(yīng)用功能,將其更好地應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理中.

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