基于DI MI NE軟件的某銻礦開采沉陷預計

楊 殷,熊章強

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院, 湖南 長沙 410012;2.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學), 湖南 長沙 410012;3.長沙迪邁數碼科技股份有限公司, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

礦山地質環境問題是指采礦活動作用于地質環境所產生的環境污染和破壞.

我國礦產資源豐富,種類齊全,目前已成為全球最大的資源生產國、消費國和貿易國.長期以來,隨著對礦產資源開發力度的加大,礦山地質環境問題日益凸顯,在一些地區制約了經濟和社會的發展,影響了其附近居民的人身財產安全和正常生活秩序[1].

由于礦體賦存地質條件、采礦方法、開采設備及回采順序不同,所引起的地質環境問題也不盡相同.而以開采沉陷為代表的礦山地質環境問題是一個“老大難”問題,逐漸受到了社會的廣泛關注和重視[2G3].

開采沉陷預計是礦山開采沉陷的核心內容之一,它對開采沉陷的理論研究和生產實踐都有重要意義.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了威脅,而且破壞環境.開采沉陷的預計,對建筑物和生態環境的保護有重要意義.

近年來,隨著計算機技術的發展,國內外針對開采沉陷也做了很多研究[4G5],主要包括基于CAD軟件、Arc Gis等進行二次開發、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十分復雜的空間和時間問題,我國在這方面積累了豐富的經驗[4G9].目前,常用的變形預計方法有概率積分法、典型曲線法以及負指函數法等,其中DI MINE軟件開采沉陷插件是基于概率積分法研發的,主要功能包括開采沉陷基礎數據準備與參數設置、沉陷分析與計算、結果表述等.

該功能模塊基于礦山三維地表DT M模型、采區模型進行沉陷分析和計算,不僅針對性強、計算速度快,還能很好地利用GIS強大的空間分析和圖形顯示能力,并將計算分析結果以二維和三維的形式直觀展現出來.

2 某銻礦開采沉陷預計

2.1 礦山簡介

該礦為超大似層狀銻礦床,成礦地質條件優越,礦體主要產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育程度密切相關.Ⅰ號礦體分布于背斜軸及東翼,走向近東西,傾向南,傾角19°~40°,單個礦體走向長100~1200 m,礦體與地層產狀一致,為層狀、似層狀,形態穩定.礦山開采技術條件比較簡單,礦井開拓方式為聯合開拓,采礦最大深度達469 m.采礦方法有普通房柱法、膠結充填法等.

礦山開采已有一百多年歷史,留下了大面積的采空區及老窿,老窿采空區星羅棋布,上覆巖厚度離地表最薄處不足1 m,一般為20~100 m.部分老采空區未充填,隨著時間推移,空場不斷擴大,現有的礦區地下采空區達2.5 k m2.因此,采區對地表的影響成為礦山日常工作中的重點環節.

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.準確、真實、合理的三維模型能直觀反映礦區地面、地下等各工程空間地理信息,能夠為礦山開采沉陷預測及分析奠定良好基礎,還可以為礦山生產、管理提供準確、有效的依據.

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

數字化地表模型DT M(Digital Terrain Model)由若干地形等高線和散點(高程點)生成,DI MINE軟件根據每個點、線的坐標值,將所有點線聯成若干相鄰的三角面,然后形成一個隨著地面起伏變化的單層模型,以使人們對礦區及構筑物位置在宏觀上有個完整的認識.

構建地表模型首先是把Mapgis或者CAD地質地形圖直接導入DI MINE,然后為等高線或散點附上實際高程值,執行“實體建模”中的“整體DT M”命令可以得到地表模型.

在此模型的基礎上,利用已有的礦區衛星遙感圖片,通過軟件的“材質紋理貼圖”功能,將照片附著到地表模型上,得到更接近于實際的地表模型(見圖1),如此能夠更加直觀地表現地表的實際情況.

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,對相鄰剖面輪廓線進行礦體建模,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和位置、分析礦體成礦規律、還可以快速進行體積查詢.

2.2.3 三維巖層、斷層模型

與構建三維礦體模型類似,在提取各巖層、構造分界界線基礎上,可以形成礦區范圍內巖層、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、礦體空間關系,利于成礦規律和進一步找礦研究.

2.3 模擬開采及沉陷預測

礦山開采活動對地質環境的影響,尤其是已回采的采區若未及時充填對地表沉降的影響,是礦山地質環境監測工作中很重要的一項內容.本文以井下2＃礦體6＃、7＃采區開采為例進行研究,計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 地表及采區范圍

計算前,需對采區進行相應屬性設置與計算分析:

(1)根據礦山實驗計算及經驗值得出巖石力學參數:開采厚度為5.5 m,下沉系數為0.6;采區傾角為20°;最大影響角正切為2.

(2)選擇“初始地表模型”進行計算,計算后將會生成預計的塌陷后地表模型、沉降范圍表和沉降點坐標表,分別如圖5、表1和表2所示.

礦山三維模型的應用為礦山采空區影響地表塌陷區域范圍研究提供了一個很好的平臺.在三維平臺下能夠直觀展示地表塌陷區的沉降區域,通過三維地表DT M模型及DI MINE剖面出圖功能,直接看到塌陷區域地表前后的對比.通過模型的可視化,能夠提前預知地表塌陷,從而指導井下生產,提前對地表做好安全防護.

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

經地表沉降平、剖面圖分析可知,6＃、7＃采區的開采將會對地表的礦山建筑造成影響,如圖5、圖6所示.

經過進一步模擬分析,當開采范圍不包括6＃、7＃采區時(如圖7、圖8所示),則不會影響到地表建筑,所以為了防止破壞地表的關鍵建筑物,6＃、7＃采區的開采應該受到限制.

圖6 2－7號采區開采A－A′剖面

圖7 2－5號采區地表沉降模擬

圖8 2－5號采區開采A－A′剖面圖

3 結 論

DI MINE軟件地表沉陷預測功能,為地表塌陷范圍及塌陷趨勢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,可有效應用于礦山開采規劃和生產管理、地質環境監測分析等業務中,為安全、高效生產服務.

礦山三維地質體模型,不僅可進行三維展示與屬性查詢,還可通過剖面切割,地表、巷道三維漫游,三維模型透明化,圖層管理等一系列應用功能,將其更好地應用于地質環境監測管理中.

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