盧安夏銅礦水淹礦山三維建模技術(shù)研究

肖云濤，張敏哲，劉建耀，王貽明

(1.中色盧安夏銅業(yè)有限公司，贊比亞 銅帶省 90456；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引言

盧安夏銅礦1928年開(kāi)始建設(shè)（14號(hào)豎井），1955年18 號(hào)豎井投產(chǎn)，1963 年28 號(hào)豎井投產(chǎn)。經(jīng)過(guò)70 多年連續(xù)不間斷的地下開(kāi)采（1931—2001 年），形成了大量的采空區(qū)，并在井下逐漸形成近12 000 m的聯(lián)通道，地表也出現(xiàn)大范圍的塌陷冒落。2001 年初盧安夏銅礦遭受了一場(chǎng)五十年一遇的暴雨，導(dǎo)致盧安夏壩排洪鐵管損壞，洪水從溢洪道管泄出，流進(jìn)羅恩盆地采空區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)盧安夏礦井被淹，相關(guān)區(qū)域開(kāi)采工作停產(chǎn)至今。該區(qū)域資源量地質(zhì)品位高，要恢復(fù)開(kāi)采，須先建立水淹礦山三維模型。

首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，收集以往的歷史勘探以及開(kāi)采資料；其次將收集的礦山地質(zhì)鉆孔資料、勘探線剖面圖、開(kāi)采平面圖、井巷工程以及開(kāi)采工程等資料通過(guò)AutoCAD 軟件進(jìn)行數(shù)字化；然后再將數(shù)字化資料導(dǎo)入到礦山建模軟件3DMine，建立地表、礦山井巷工程、礦體、采空區(qū)及殘留礦體的三維耦合模型；最后在3DMine 三維耦合模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)展水淹資源分布與礦體資源量估算。

1 原始資料數(shù)字化

本文采用Photoshop 軟件對(duì)原始圖片進(jìn)行修正，將修正好的圖片以原坐標(biāo)插入AutoCAD 中進(jìn)行描圖，描圖完成后，檢查是否有遠(yuǎn)離有效圖形的無(wú)效點(diǎn)、線，并將其刪除，同時(shí)檢查圖形內(nèi)部是否有重疊線，刪除多余的重疊線段，最后將插入AutoCAD 中的圖片刪除，即可實(shí)現(xiàn)圖片向數(shù)字化圖的轉(zhuǎn)變。

通過(guò)將Photoshop 軟件與AutoCAD 軟件相結(jié)合，能夠使盧安夏銅礦14#～28#豎井井下工程平面圖數(shù)字化效果十分顯著，并且能夠使后期數(shù)字化處理工作大大減少，同時(shí)為了檢測(cè)該方法準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取井筒位置，如28#井，數(shù)字化后的坐標(biāo)為（X,Y）=（?10 100.771，6105.826），與已有資料中28#井坐標(biāo)（X,Y）=（?10 102.000，6105.000）相比，誤差很小。獲得了較高精確度。因此，該方法能極大地提升井下工程數(shù)字化的準(zhǔn)確性，滿足井下工程數(shù)字化的精度要求。

2 水淹礦山三維建模

根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有技術(shù)資料進(jìn)行調(diào)查與分析，在對(duì)礦區(qū)14#～28#豎井井下工程平、剖面圖等關(guān)鍵技術(shù)資料數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，采用數(shù)字化礦山三維建模軟件3DMine 建立了盧安夏銅礦14#～28#豎井水淹礦山三維模型，包含了礦山井巷工程三維模型、礦體三維模型、采空區(qū)及殘留礦體三維模型。

2.1 礦山井巷工程三維模型

礦山井巷工程三維模型可以很好地反映礦區(qū)井下巷道分布情況，能夠與礦體、采空區(qū)及殘留礦體等三維模型進(jìn)行耦合和分析[4?5]。14#～28#豎井井巷工程三維建模采用3DMine 軟件，具體的建模過(guò)程表現(xiàn)為：首先將只留有中線的井巷工程數(shù)字化總平面圖導(dǎo)入3DMine 軟件中，使用3DMine 地下模塊中的由中線生成腰線功能，生成各巷道中線的腰線；然后再根據(jù)確定好的各階段實(shí)際標(biāo)高對(duì)中線賦Z值，并繪制出14#～28#豎井位置及相應(yīng)高度；最后利用3DMine 地下模塊中的腰線巷道建模功能，對(duì)已賦好Z值的中線及腰線建模，即可實(shí)現(xiàn)礦山井巷工程三維建模。

通過(guò)分析各階段巷道頂板與底板的標(biāo)高可以發(fā)現(xiàn)：受巷道坡度等因素的影響，巷道較長(zhǎng)的各階段標(biāo)高變化較大，不利于確定Z值；巷道較短的各階段標(biāo)高變化較小，有利于確定Z值，同時(shí)受各種因素干擾較小，相對(duì)比較準(zhǔn)確。

2.2 礦體三維建模

基于勘探線剖面圖構(gòu)建礦體模型，利用鉆孔數(shù)據(jù)、剖面線等對(duì)礦體三維模型進(jìn)行精細(xì)化處理。建模過(guò)程主要是通過(guò)建立初步三維模型、校正鉆孔數(shù)據(jù)、加密勘探線剖面、構(gòu)建礦體精細(xì)化三維模型等步驟完成。

從礦體初步三維模型中可以看出，礦體賦存高度為0～1250 m，呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)。礦體西側(cè)賦存深度較深，標(biāo)高約為0 m。礦體中部賦存深度較淺，最淺處標(biāo)高約800 m。研究范圍內(nèi)礦體形態(tài)變化較大，礦體從南至北存在多個(gè)褶皺。礦體東側(cè)傾向方向?qū)挾容^小，西側(cè)傾向方向?qū)挾容^大，礦體南翼向西延伸，北翼向北延伸。礦體南翼傾角較緩，厚度變化較大，屬于薄至中厚緩傾斜礦體。

2.3 采空區(qū)及殘留礦體三維建模

根據(jù)礦體精細(xì)化三維模型以及礦區(qū)總體采空區(qū)平面圖，通過(guò)3DMine 軟件的三維布爾運(yùn)算，即可生成采空區(qū)及殘留礦體三維模型，并與井巷工程三維模型進(jìn)行耦合。井巷工程、采空區(qū)及殘留礦體三維耦合模型如圖1 所示。

圖1 井巷工程、采空區(qū)及殘留礦體三維耦合模型

采空區(qū)及殘留礦體三維模型能夠清晰直觀地反映采空區(qū)及殘留礦體空間分布形態(tài)，可以進(jìn)行采空區(qū)的體積估算及殘留礦體的儲(chǔ)量估算。從礦區(qū)總體采空區(qū)平面圖和采空區(qū)、殘留礦體三維模型可看出：采空區(qū)分布于整個(gè)研究區(qū)域，其中羅恩延長(zhǎng)和羅恩盆地的采空區(qū)面積較大，殘留礦體資源較少，殘留礦體主要為預(yù)留礦柱，殘礦類型主要以靠近地表的氧化礦為主，南翼靠近地表區(qū)域留設(shè)了部分條形礦柱，礦柱寬度約為6 m；而穆利亞希南的采空區(qū)面積較小，井下殘留大量硫化礦資源尚未開(kāi)采，主要集中在28#井以及SS34 勘探線附近。

將采空區(qū)、殘留礦體與礦山井巷工程三維模型進(jìn)行耦合，從耦合模型中可以直觀地看到井巷工程在采空區(qū)、殘留礦體中的分布情況，并且發(fā)現(xiàn)三者具有很好的耦合效果，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了所構(gòu)建的井巷工程、采空區(qū)及殘留礦體三維模型的準(zhǔn)確性。

3 水淹礦體資源量估算

由于28#礦井地下采空區(qū)與東部的18#礦井和14#礦井的地下采空區(qū)連通，從后期水淹資源可回收角度來(lái)看，穆利亞希南采空區(qū)面積較小，井下殘留大量硫化礦資源尚未開(kāi)采，主要集中在28#井和SS34勘探線附近；羅恩延長(zhǎng)和羅恩盆地采空區(qū)面積較大，殘留礦體資源較少，殘留礦體主要為預(yù)留礦柱。因此，為最大程度地回收水淹資源，以預(yù)留礦柱（SS30 勘探線附近）為界將研究區(qū)域分為東、西兩部分，對(duì)預(yù)留礦柱以西部分的穆利亞希資源量通過(guò)礦山建模軟件3DMine 進(jìn)行粗略估算。

經(jīng)計(jì)算可知，礦體資源量為6459.3 萬(wàn)t，最新統(tǒng)計(jì)的穆里亞希部分礦體資源量為6139 萬(wàn)t，兩者存在了一定的偏差，具體原因表現(xiàn)在：

（1）穆里亞希部分礦體建模受勘探剖面稀疏（僅9 條）及鉆孔數(shù)據(jù)圖缺失（穆里亞希北部）影響；

（2）穆里亞希部分礦體建模受采空區(qū)模型的影響，雖然減少了羅恩延長(zhǎng)和羅恩盆地采空區(qū)影響，但依然存在部分采空區(qū)；

（3）未添加井巷工程三維模型，由于井巷工程是一個(gè)系統(tǒng)模型，無(wú)法單獨(dú)截出穆里亞希部分，理論上對(duì)資源量估算應(yīng)減去井巷系統(tǒng)在礦體中的體積。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)原有的生產(chǎn)技術(shù)資料以及現(xiàn)場(chǎng)收集的礦山井巷工程平面圖照片，通過(guò)Photoshop 和AutoCAD 軟件，實(shí)現(xiàn)了盧安夏銅礦14#～28#豎井井下工程平剖面圖的數(shù)字化。采用Photoshop 軟件與AutoCAD 軟件相結(jié)合的方法，和采用掃描儀將圖紙掃成光柵圖等傳統(tǒng)方法相比，該方法具有成本低、效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，基本可以實(shí)現(xiàn)零誤差，并且對(duì)原始圖紙無(wú)損害，具有很好的應(yīng)用前景。

（2）井下工程三維建模采用3DMine 軟件，將井巷工程總平面圖的數(shù)字化 AutoCAD 圖導(dǎo)入3DMine 中，并對(duì)各階段實(shí)際標(biāo)高賦Z值，即可實(shí)現(xiàn)14#～28#豎井井下工程的三維建模。礦山井巷工程三維模型可以直觀反映該礦區(qū)井下巷道的分布情況，對(duì)后期水淹資源開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

（3）將地表模型與礦山井巷工程模型、礦體模型、采空區(qū)及殘留礦體模型進(jìn)行耦合分析。通過(guò)耦合分析可知，這幾個(gè)模型的耦合效果較好，因此也驗(yàn)證了地表、礦山井巷工程、礦體、采空區(qū)及殘留礦體三維模型的準(zhǔn)確性。

（4）借助3DMine 軟件，對(duì)采空區(qū)的體積及殘留礦體的儲(chǔ)量進(jìn)行估算。通過(guò)對(duì)比礦山最新資源量，對(duì)兩者差異原因進(jìn)行了對(duì)比分析，這對(duì)水淹資源的開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義。