侯 偉

（國(guó)家電投集團(tuán)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(shí)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(duì)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(duì)露天礦區(qū)地質(zhì)精細(xì)程度的增加，研究人員也逐步意識(shí)到三維精細(xì)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(tái)，以礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)模型，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)看進(jìn)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(diǎn)，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(duì)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(duì)三維地質(zhì)模型各階段不確定性進(jìn)行統(tǒng)一度量，以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型精度有效評(píng)價(jià)；朱良峰等[4]提出了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度評(píng)估、誤差檢測(cè)、動(dòng)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(yàn)分析、定性分析、單一評(píng)價(jià)理論到理論分析、定量分析、多種方法綜合評(píng)價(jià)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(jì)算機(jī)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(jì)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(duì)邊坡變形和破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

為此，以白音華三號(hào)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(jī)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(jìn)一步在白音華三號(hào)礦新布置了2 個(gè)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(duì)比，驗(yàn)證了模型具有較高的準(zhǔn)確性；在對(duì)地質(zhì)信息充分了解后，建立了白音華三號(hào)礦凸臺(tái)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(hào)礦隸屬于國(guó)家電投集團(tuán)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(hào)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(gè)三面解除約束的凸臺(tái)。白音華露天礦共有3 個(gè)煤組，其中凸臺(tái)下部壓有大量的優(yōu)質(zhì)煤炭，但是凸臺(tái)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(tái)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(zhǎng)條狀展布。地塹式，盆地規(guī)模600 km2，長(zhǎng)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(zhǎng)軸方向一致。白音華三號(hào)露天礦位于煤田的中部，露天礦巖（土）體地層較為簡(jiǎn)單，白音華三號(hào)礦典型巖土層分布如圖1。

圖1 白音華三號(hào)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(xì)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?yàn)楸睎|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(gè)同沉積隆起。

2 白音華三號(hào)礦三維地質(zhì)模型

利用無人機(jī)對(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行掃描得到礦區(qū)的高程線，基于高程線生成白音華三號(hào)礦DTM 模型，隨后在Rhino 中建立與表面大小相同的實(shí)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(jìn)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(jiǎn)單的2D 線到復(fù)雜的3D 有機(jī)自由曲面與實(shí)體。將巖性分界面與礦區(qū)表面模型進(jìn)行整合，建立礦山巖層實(shí)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(duì)三維模型進(jìn)行貼圖能夠更直觀反映礦坑真實(shí)情況，對(duì)于分析邊坡雷達(dá)點(diǎn)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(jī)航拍的高清礦區(qū)圖片，對(duì)所建立的白礦模型進(jìn)行巖性賦予，選擇保存的無人機(jī)圖片并調(diào)整貼圖軸大小實(shí)現(xiàn)貼圖。白音華三號(hào)礦地表－地下精細(xì)化三維地質(zhì)模型如圖3。

圖3 白音華三號(hào)礦地表－地下精細(xì)化三維地質(zhì)模型

3 白音華三號(hào)礦三維地質(zhì)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在白音華三號(hào)礦凸臺(tái)邊坡的西北部設(shè)計(jì)施工了2 個(gè)鉆孔，2 個(gè)鉆孔標(biāo)高及鉆孔信息見表1。實(shí)際施工中根據(jù)巖石性質(zhì)選擇鉆進(jìn)方法，鉆頭規(guī)格選用?113 mm，巖心管選用?89 mm，回次進(jìn)尺長(zhǎng)度均未超過巖心管有效容納長(zhǎng)度，鉆進(jìn)松散、破碎的巖層時(shí)，根據(jù)實(shí)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(gè)鉆孔巖心巖性分布圖對(duì)所建模型準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)。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(duì)應(yīng)深度的巖性與鉆孔中編錄的巖性進(jìn)行對(duì)比。白音華三號(hào)礦模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)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(hào)礦模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)圖

由對(duì)比可以看出：結(jié)果顯示模型能相對(duì)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(duì)于煤層的開采具有重要的作用，通過對(duì)比，模型準(zhǔn)確度較高。

4 白音華三號(hào)礦凸臺(tái)邊坡穩(wěn)定性分析

主要通過FLAC3D軟件實(shí)現(xiàn)凸臺(tái)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(jī)交互界面易于操作。針對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的控制微分方程進(jìn)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(tái)邊坡三維數(shù)值模型如圖5。

圖5 白音華三號(hào)礦凸臺(tái)邊坡三維計(jì)算模型

模型總高度為540 m，模型計(jì)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?yàn)樨Q直向下的重力加速為9.8 m/s2，對(duì)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(tái)邊坡的初始地應(yīng)力，獲得初始地應(yīng)力后基于摩爾－庫(kù)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(dá)到10－5時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)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(yuǎn)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(tái)邊坡塑性變形區(qū)域分布如圖9。

圖9 凸臺(tái)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(tái)邊坡北面及西面邊坡坡底處，凸臺(tái)南面邊坡坡底的高程較北面坡底較高，凸臺(tái)南面邊坡相對(duì)于北面邊坡高度較小，因此在凸臺(tái)南面邊坡底部產(chǎn)生的破壞明顯少于北面邊坡底部；凸臺(tái)邊坡北面與西面的轉(zhuǎn)角處邊坡產(chǎn)生破壞較為嚴(yán)重，原因是凸臺(tái)北面與凸臺(tái)相向的邊坡為開采邊坡，開采邊坡的存在使得在凸臺(tái)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)再該區(qū)域觀察到明顯的底鼓現(xiàn)象，也驗(yàn)證了應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在；此外在凸臺(tái)邊坡頂部有部分塑性區(qū)產(chǎn)生，這些區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)變形較大的區(qū)域基本吻合，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)為邊坡監(jiān)測(cè)及生產(chǎn)提供了參考。

4 結(jié)語

基于白音華三號(hào)礦的地下鉆孔信息及無人機(jī)航拍圖信息，利用3Dmine 軟件和Rhino 軟件建立了白音華三號(hào)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(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，通過與新增鉆孔信息的對(duì)比認(rèn)為模型能夠相對(duì)較真實(shí)地反映礦山的巖土體空間分布特征?；诎滓羧A三號(hào)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(tái)邊坡坡頂和凸臺(tái)邊坡北側(cè)轉(zhuǎn)角處邊坡，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)變形區(qū)相吻合。