三維建模技術(shù)在露天礦土質(zhì)邊坡性質(zhì)分析中的應(yīng)用*

王 蒙 何 滔 常建平

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院)

軟硬巖組、斷裂構(gòu)造、地下水等問(wèn)題一直是影響露天礦山邊坡的關(guān)鍵因素[1]，但對(duì)于一些第四系厚度較大、分布范圍較廣、變化較快的露天礦山，由于土質(zhì)邊坡自身土體強(qiáng)度低、孔隙大，地下水易富集，土層較厚區(qū)域邊坡常常極易發(fā)生滑坡。由于土質(zhì)邊坡常常處于礦山邊坡高位，下部基巖更易風(fēng)化，地下水易于向坑內(nèi)滲流，造成露天礦坑地下水患發(fā)育，影響采場(chǎng)生產(chǎn)。因此，對(duì)于土質(zhì)邊坡問(wèn)題可以說(shuō)是“水、土”問(wèn)題。以往針對(duì)露天礦山邊坡問(wèn)題多集中于構(gòu)造和巖性的影響，而對(duì)于一些土層較厚的露天礦山第四系土層的研究較少，由于土層引發(fā)的邊坡“水、土”問(wèn)題常常給礦山帶來(lái)極大困擾。

傳統(tǒng)的露天礦山邊坡研究主要采用平面圖和剖面圖，其做法是將邊坡空間地層、地貌、構(gòu)造等地質(zhì)信息投影到某一平面上進(jìn)行計(jì)算分析，但此方法往往存在直觀性差、制作過(guò)程復(fù)雜繁瑣、圖像失真扭曲嚴(yán)重等諸多不足。礦山采礦活動(dòng)是一個(gè)三維空間、時(shí)間的動(dòng)態(tài)活動(dòng)，利用三維可視化建模技術(shù)使得理解空間地質(zhì)信息更加逼真直觀[2-3]，通過(guò)強(qiáng)大的可視化技術(shù)可提高對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的理解和判定，減少圖像的扭曲失真[4]，此外，通過(guò)三維地質(zhì)建模減少對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行近似計(jì)算，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度，尤其是采用一些強(qiáng)有力的空間地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析方法和空間變化交互式分析工具使地質(zhì)數(shù)據(jù)分析可靠性和準(zhǔn)確度更高，靈活性更強(qiáng)[5]。

1 研究區(qū)概況

巴潤(rùn)露天鐵礦現(xiàn)已開(kāi)采近10 a，礦石產(chǎn)量為1 500萬(wàn)t/a。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有太古界二道洼群綠色結(jié)晶片巖、元古界白云鄂博群變質(zhì)巖、中生界侏羅系沉積巖和火山巖系，以及新生界第三系和第四系地層。其中本區(qū)第四系主要為第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積物及沖洪積物組成，洪積層由卵石、砂、黏土組成，沖積層由粗砂和礫石組成。第四系土層厚度不均，橫向變化較快，多富水，與地表水體存在水力聯(lián)系，是礦區(qū)主要的含水層。

近幾年來(lái)，隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，露天邊坡發(fā)生大小滑坡已達(dá)十余起，其中，5處滑坡位于采場(chǎng)固定斜坡路的上方或下方，直接影響到正常生產(chǎn)安全，造成極大困擾。在這十幾起滑坡中，近1/3為地下水所導(dǎo)致的土層抗剪強(qiáng)度過(guò)低而引發(fā)的圓弧形滑坡。這些土質(zhì)滑坡地下水富集，土體強(qiáng)度低，邊坡治理難度大，花費(fèi)較多。若能查清露天礦區(qū)邊坡土層地質(zhì)分布特征，采取針對(duì)性穩(wěn)坡和治水方案，將極大提高露天礦邊坡的安全性，此外也一定程度地降低露天礦采場(chǎng)水患。

2 露天礦土體三維地質(zhì)建模

在傳統(tǒng)露天礦山邊坡研究中，常常采用二維剖面圖反映邊坡地質(zhì)體變化規(guī)律。但是土質(zhì)邊坡土體和地下水常常縱向和橫向上均有較大差異，無(wú)法形象、準(zhǔn)確地表示地質(zhì)體的空間位置及形態(tài)，且效率低，直觀性差，難以實(shí)現(xiàn)露天礦山邊坡的有效治理和采礦設(shè)計(jì)的規(guī)劃。

本次第四系三維地質(zhì)建模主要采用地質(zhì)剖面圖提取第四系和地表信息建立三維模型，但原始地質(zhì)剖面圖等地質(zhì)資料都是二維圖件(圖1)，無(wú)法直接進(jìn)行三維分析。因此，將二維地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)剖面是三維建模的必須環(huán)節(jié)。三維轉(zhuǎn)換工作先將地質(zhì)剖面進(jìn)行YZ坐標(biāo)互換，再選取地質(zhì)剖面圖和勘探線工程布置圖對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行平面兩點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這樣就實(shí)現(xiàn)了將二維剖面圖轉(zhuǎn)換為三維剖面圖，見(jiàn)圖2。

圖1 二維地質(zhì)剖面

圖2 地質(zhì)剖面圖二維三維轉(zhuǎn)換

將二維地質(zhì)剖面圖進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換后，提取相關(guān)第四系頂?shù)捉缑妫捎萌蔷W(wǎng)法建立第四系三維可視化地質(zhì)模型(圖3)。從中可以十分直觀、準(zhǔn)確地研讀原始地表的起伏變化、第四系地層的空間起伏形態(tài)和厚度變化趨勢(shì)。

圖3 礦區(qū)土層三維模型

3 模型分析

3.1 土體厚度

土體厚度是影響第四系邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。露天礦區(qū)土體厚度大，一方面，采礦生產(chǎn)剝巖土方量較大，成本較高；另一方面，地下水更易儲(chǔ)水富集，土體強(qiáng)度本身就低，造成土體厚度大區(qū)域邊坡穩(wěn)定性常常較差。

本次在第四系三維可視化地質(zhì)模型基礎(chǔ)之上，根據(jù)土層的頂?shù)捉缑嬗?jì)算第四系的厚度，繪制第四系厚度等值線圖(圖4)。可以看出，巴潤(rùn)露天礦區(qū)土層厚度差異十分大，5～170 m不等。礦區(qū)大多數(shù)區(qū)域土層較薄，厚度多小于15 m，但在東西采場(chǎng)結(jié)合部厚度均較大，最厚處在100 m以上。根據(jù)現(xiàn)有滑體區(qū)域分布和土層厚度的對(duì)比關(guān)系可以看到，5#和8#滑體均位于土層厚度較大處。根據(jù)近年邊坡工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，此區(qū)域土體多為透水性較好的砂質(zhì)土層和強(qiáng)度較低的黏土層，富水性好，水位高。土體常常由于地下水的作用使得抗剪強(qiáng)度大大降低，受地下水滲流壓力的影響，多在邊坡開(kāi)挖后形成圓弧形滑坡。

圖4 土層厚度值線與滑體區(qū)域?qū)Ρ?/p>

3.2 基巖面地形分析

地形分析是數(shù)字地形模型的一種重要方法，從三維第四系土層模型屬性中可提取各類(lèi)地形參數(shù)和特征，以對(duì)基巖面起伏形態(tài)做直觀和定量分析[6]。

基巖面起伏形態(tài)利于地下水的滲流和滑坡的形成[7]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，很多土層滑坡其滑面多為基巖面，邊坡基巖面過(guò)低將會(huì)對(duì)礦區(qū)深部開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性十分不利。因此，確定基巖面的起伏形態(tài)是十分必要的。通過(guò)第四系土層三維地質(zhì)模型計(jì)算基巖面起伏形態(tài),見(jiàn)圖5、圖6。可以看出，除2#和3#滑體，其他區(qū)域均為低凹處，這種基巖面起伏變化造成地下水極易局部匯集，并在東西采場(chǎng)中部存在水力聯(lián)系。尤其是5#和8#滑體東側(cè)基巖面最低高程在標(biāo)高1 500 m之下，為一巨厚土層凹陷區(qū)，地表水體等水源將多向此處匯集，且此處邊坡土體位于露天礦坑高位，水壓較高，可能成為采場(chǎng)地下水患的有效補(bǔ)給水源。

圖5 基巖起伏等值線與滑體區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖6 基巖起伏立體圖

坡度是表征物體表面傾斜陡峭程度的指標(biāo)，是任一點(diǎn)切平面與水平地面的夾角。坡向是表征傾斜面的朝向，表示表面某處最陡的傾斜方向[8]。坡向常常以度為單位，正北方向?yàn)?°，沿順時(shí)針?lè)较颍龞|方向?yàn)?0°[9]，即

(1)

θ=fx/fy,

(2)

式中,φ為坡度，(°);θ為坡向，(°);fx為x方向高程變化率；fy為y方向高程變化率。

研究區(qū)為一大向斜構(gòu)造，基巖面多為向坑內(nèi)傾斜，土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性更弱，地下水將沿著基巖面凹陷向坑內(nèi)富集滲漏。經(jīng)對(duì)基巖面坡度坡向分析，北幫5#、6#滑體基巖面南傾斜，南幫8#、9#、1#滑體基巖面向北傾斜，邊坡滑坡區(qū)域基巖面坡向多與邊坡坡向基本一致(圖7)。礦區(qū)土層局部坡度在15°以上，5#、8#、9#滑體區(qū)域坡度達(dá)到了25°以上，此區(qū)域地下水下蝕能力強(qiáng)，動(dòng)水壓力大，巖體易風(fēng)化，邊坡將越容易滑坡(圖8)。

圖7 基巖面坡向與滑體區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖8 基巖面坡度與滑體區(qū)域?qū)Ρ?/p>

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)地勘資料提取第四系土層二維信息建立三維模型，增強(qiáng)了土層邊坡分析解釋的直觀性和可靠性。

(2)從巴潤(rùn)礦土體厚度分析可知，土層厚度差異十分大，5～170 m不等，現(xiàn)有土質(zhì)滑坡多位于厚度達(dá)30 m以上土層區(qū)域。

(3)巴潤(rùn)礦基巖面多向坑內(nèi)傾斜，坡向多與邊坡一致，局部坡度在25°以上，地下水易向露天采場(chǎng)滲流，土質(zhì)邊坡區(qū)域穩(wěn)定性較差。

(4)巴潤(rùn)礦獨(dú)特的第四系土層特征是造成目前礦區(qū)土質(zhì)滑坡頻發(fā)、采場(chǎng)水患嚴(yán)重的重要原因，今后應(yīng)對(duì)第四系土體進(jìn)行進(jìn)一步重點(diǎn)研究。