安家嶺煤礦巖體結構數字識別及關鍵塊體確定

胡高建,楊天鴻,師文豪,于慶磊,劉洪磊,王培濤,王述紅

(1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧沈陽 110819;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧沈陽 110819)

安家嶺煤礦巖體結構數字識別及關鍵塊體確定

胡高建1,2,楊天鴻1,2,師文豪1,2,于慶磊1,2,劉洪磊1,2,王培濤1,2,王述紅2

(1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧沈陽 110819;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧沈陽 110819)

安家嶺煤礦存在大量不穩定塊體,安全隱患非常高,必須進行關鍵塊體的預防治理工作。以北幫1300邊坡平臺為工程背景,采用先進的三維巖體不接觸測量技術,進行巖體結構面的現場測量,獲取巖體節理幾何形態空間分布信息,建立三維巖體結構面空間分布模型。在此基礎上,利用獲得的邊坡巖體結構面基本參數信息,基于不穩定塊體快速識別和分析系統(GeoSMA-3D),進行邊坡關鍵塊體的搜索,并對所得結果進行理論分析,確定邊坡較易掉落的塊體及影響塊體不穩定的因素。

結構面;數字攝影測量;裂隙巖體參數表征;關鍵塊體

結構面是巖體中具有一定方向、力學強度相對較低而兩相延伸(或具有一定厚度)的地質界面(或帶)[1],是控制巖體穩定性的決定因素。巖體結構面力學特征的研究與巖石力學的發展息息相關[2-3]。研究結構面的意義主要有2個方面:第一,結構面是巖體中力學強度相對較薄弱的部位,導致巖體的不連續性、不均一性和各向異性;第二,巖體結構特征對巖體的變形、破壞方式和強度特征起重要的控制作用。任何一項巖體工程的研究首先必須充分了解巖體中結構面的分布情況,主要包括方位、間距、跡長、起伏度、張開度、粗糙度和充填物等。

在巖體結構面信息獲取方面,國內外許多學者均做了大量的研究實驗,已經取得了一些成果,提出了多種巖體結構面信息采集的方法[4],常用的有測線法、精測線法[5]、取樣窗法和鉆孔巖芯節理采集法[6]。但這些常規測量方法在施用時野外工作量大,誤差大,效果不佳,已經不能滿足現代化施工的需求。因此攝影測量技術[7-8]作為一種全新、快速、高效、準確、全面地獲取隨機巖體結構面信息的方法,在求解結構面方位和規模信息方面顯得尤為先進。其優點是依據非接觸測量手段,提供基于三維空間坐標數據和實體模型的數字產品,創建實時的地質信息交流和反饋環境,經過軟件處理和運算,直接獲得巖體的結構面信息數據,并建立所測范圍內巖體表面的三維實體模型,直觀地反映出巖體表面結構面的發育情況以及塊體信息。

塊體理論[9-10]是石根華博士在20世紀70年代提出的,該理論假定巖體結構面為平面、結構面切割而成的塊體為剛體、塊體失穩為脫離巖體或沿結構面產生剪切滑移等平動形式,利用幾何拓撲學方法分析不同開挖面上可能出現或已出現的可移動塊體、關鍵塊體的類型,分析塊體的幾何形態特征,塊體失穩模式,并結合剛體極限平衡分析,計算塊體的穩定性,探討相應的工程支護措施,在國內外已獲得廣泛的應用。隨著塊體理論的發展,產生了基于結構面幾何、力學特征隨機變化的隨機塊體幾何問題分析方法,該方法能很好地應用于邊坡、基坑、地下硐室、隧道等巖體工程的塊體穩定分析中。

本文基于隨機塊體問題分析方法的理論,結合先進的巖體結構面信息獲取手段,將現場獲取的巖體結構面幾何參數信息以及巖石力學信息應用到關鍵塊體軟件GeoSMA-3D中。進行邊坡關鍵塊體的搜索確定,為礦山危巖體穩定性識別分析提供數據支持和理論依據,對礦山安全生產提供實際的指導意義。

1 工程背景

安家嶺煤礦位于山西省朔州市境內的平朔礦區中南部,屬典型黃土高原地貌,礦區賦存地層主要有排棄物料、第四系黃土、第三系紅土和石炭系基巖,各地層之間的接觸關系為不整和接觸。1300平臺位于北幫邊坡中部區段,平臺高度12 m,整體邊坡角75°～85°,單平臺邊坡角可達85°,屬陡幫開采。

經勘查發現,巖體層位賦存明顯,巖性主要為泥巖和砂巖,風化嚴重。巖體干燥,基本沒有滲水現象,節理大量發育,貫通性好,切割作用非常明顯,部分節理開度達幾厘米,將邊坡表面切割成大小不等的塊狀巖體,危立于邊坡表面,非常危險。據了解,礦山曾多次發生邊坡塊體滑落和損害車輛設備等情況,因此對邊坡巖體進行結構面信息的獲取和關鍵塊體滑落的預先識別處理就顯得尤為重要和迫在眉睫。

2 結構面參數的獲取

結構面參數獲取依托的方法為數字攝影測量技術,使用的手段為ShapeMetriX3D巖體幾何參數三維不接觸測量系統[11],該系統可以獲取巖體詳實的幾何測量數據,包括結構面產狀、傾向、傾角和跡長等參數信息。其基本原理是從2個不同角度對指定區域進行成像并通過像素匹配技術進行三維幾何圖像合成,經過一系列的技術處理,實現邊坡表面真三維模型重構,通過后期后處理操作實現每個結構面的識別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態信息參數(產狀、跡長、間距、斷距等)的獲取。立體圖像合成原理如圖1所示。

圖1 ShapeMetriX3D三維圖像合成原理Fig.1 3D principle of ShapeMetriX3D image synthesis

結構面參數獲取主要在安家嶺煤礦北幫1300平臺節理發育明顯區域進行,邊坡測量長度20 m,高度12 m,考慮大節理切割造成的關鍵塊體的情況,選取貫通巖體的節理裂隙,進行節理組分組識別,共識別出3組,用紅綠藍表示,紅色標示節理組1、綠色標示節理組2和藍色標示節理組3,節理分組識別結果如圖2所示。

基于圖2分組識別結果,對每組節理信息進行統計分析,獲取結構面的傾向、傾角、跡長、間距和線密度等信息,具體每條節理的傾向、傾角和跡長見表1。

圖2 節理分組識別結果Fig.2 Consequence of joint grouping identify

表1 結構面參數信息Table 1 Information of structural plane parameters

將結構面參數進行統計分析,獲取各節理組參數的均值情況,統計結果見表2。

統計結構面優勢產狀有3組,傾向、傾角均值分別為219.35°∠3.06°,113.02°∠85.90°和221.40°∠83.05°,結構面產狀信息對于認識礦山邊坡巖體切割情況有理論指導意義,同時為危巖體識別和塊體移動分析提供數值依托。

表2 結構面參數特征值Table 2 Parameter values of structural plane

3 關鍵塊體理論

GeoSMA-3D(geotechnical structure and model analysis)是“巖土工程結構與模型分析系統”的簡稱,為東北大學自主研發。它是以一般塊體方法為理論基礎開發的,采用Visual C++6.0編程語言中的MFC在Windows環境下開發,能自動形成軟件界面框架,同時利用OpenGL技術進行程序的圖形顯示開發,取得了較好的三維圖形表達效果。

GeoSMA-3D軟件[12-15]把結構面簡化為有限圓盤形,采用概率統計、隨機理論作為非確定性網絡裂隙模擬的依據和基礎。把裂隙形成巖體看作是一種過程,實現方法分為兩大部分,即裂隙對巖體的切割和塊體的合并,在切割的過成中,做如下約定:①塊體初始化為已知的凸形塊體,通常為所建的巖體模型;②按照裂隙的順序逐一地對現有塊體進行切割;③只要裂隙與塊體相交,就用裂隙把此塊體完全切割。

具體切割過程如圖3所示,實際上就是對塊體中每個面的切割,括號外是切割前塊體表面的編號,括號內是切割后新形成的面在新塊體中的編號。按編號遍歷此塊體中的每個面,實現裂隙與多邊形的切割。

圖3 裂隙面切割塊體Fig.3 Blocks cutted by fissure-plane

以DG所在直線為例,設裂隙面所在的平面方程為Ax+By+Cz+D=0,點D坐標為(x1,y1,z1),點G坐標為(x2,y2,z2),分別代入方程中結果為

點D在平面上,點G在平面下,求出DG所在直線與裂隙平面的交點K,然后把KD相關數據放入上面塊體相應的多邊形中,KG相關數據放入下面塊體相應的多邊形中。接下來用這個裂隙切割其他與其相關的塊體,直到切割完與其相關的所有塊體,然后進入下一個裂隙的切割過程,最終完成所有裂隙的切割。

塊體可移動必須滿足3個條件:具有出露面,幾何可移動,穩定系數小于規定值。

幾何可移動的判別:ω為塊體所受驅動力,ni為塊體表面的方向矢量(指向塊體內部),i為多邊形在塊體內的編號(不包括出露面),s0為塊體的運動方向。幾何可動表示為

穩定性的判別:計算穩定性系數時采用Mohr-Coulomb準則,主動力只考慮塊體自重,分2種情況:

(1)當塊體沿單面i滑動時,按式(1)計算穩定系數。

式中,Q為塊體質量;αi為滑動面傾角;Si為滑動面i的面積;Ci和φi分別為滑動面上的黏聚力和內摩擦角。

(2)當塊體沿雙面i和j滑動時,按式(2)計算穩定系數。

式中,Cj,φj分別為滑動面j上的黏聚力及內摩擦角;Sj為滑動面j的面積;α為滑動面i和j交線棱的傾角;Ni和Nj為作用在二滑動面上的法向力。

4 北幫1300平臺測區關鍵塊體的確定

基于塊體理論和實測的結構面參數信息情況,將表1和2中的節理數據信息導入到GeoSMA-3D軟件中,同時結合表3中邊坡巖體不同層位的巖土物理力學性質指標,進行邊坡巖體的關鍵塊體搜索確定。

圖4為結構面跡線在邊坡巖體的空間分布情況,圖5為關鍵塊體的空間位置關系及相應體積的大小(數字1,2,3,……表示切割出的關鍵塊體的編號,按塊體體積從大到小編號),圖6為去除關鍵塊體后的邊坡模型情況。

表3 巖土物理力學性質指標Table 3 Rock and soil physical mechanical properties index

圖4 結構面空間立體模型Fig.4 Space model of structural plane

圖5 關鍵塊體空間位置Fig.5 Location plan of key block

依據塊體切割情況計算得出不同關鍵塊體的滑動面數以及安全系數,見表4(忽略體積0.5 m3以下塊體)。數據顯示,塊體體積最大的為1號塊體,位于邊坡中部,屬危險的大關鍵塊體,體積為10.079 m3,關鍵塊體面數6個,滑動面數為2個,安全系數為0.505。體積較大的塊體還有2,3,4號塊體,體積均在5 m3以上,滑動面數分別為2,2,3,安全系數分別為0.641,0.569,0.918,應重點加強關注,必要時可采取處理措施。

圖6 除去關鍵塊體的邊坡模型Fig.6 Slope model of remove the key block

表4 關鍵塊體詳細信息Table 4 Detail information of key block

分析表4中關鍵塊體面數和關鍵塊體滑動面的個數可知,當邊坡產生關鍵塊體后,關鍵塊體面數大于滑動面數,塊體并不會沿所有的面滑動,但塊體的滑動面數也不是單一的,一般具有2～3個及以上的潛在滑動面,具體的滑動趨勢沿該處塊體穩定性最不利的方向產生。

因GeoSMA-3D軟件在建立邊坡模型的過程中,對邊坡表面進行了簡化處理,忽略了坡面的凹凸不平,將邊坡面簡化為一平面,同時將實測結構面信息簡化為有限圓盤進行邊坡表面的切割,所以可以認為通過GeoSMA-3D軟件計算的關鍵塊體結果為最初原始邊坡狀態下受結構面切割造成的關鍵塊體情況,即為邊坡形成初始的塊體賦存情況,此時邊坡剛開挖形成,尚未受其他擾動、風化和侵蝕等的影響。

通過搜索的塊體結果和現階段現場塊體賦存情況進行對比,若相應塊體掉落位置能很好的對應,則可說明所確定塊體的正確性,若現場邊坡相應位置的塊體尚未掉落,則應引起重視,需結合現場實際情況采取必要的治理措施。

圖7為現場邊坡圖片,塊體掉落現象非常明顯,紅線圈定的區域為已經掉落的區域,即掉落區1、掉落區2和掉落區3,與圖6,7中所確定的關鍵塊體的空間位置相吻合,驗證了軟件在搜索確定關鍵塊體方面的準確性及該方法手段的工程實用性。

圖7 塊體滑落區域Fig.7 Picture of block drop area

對軟件確定的關鍵塊體和現場實際掉落塊體情況進行對比分析,其中掉落區1對應于圖6中的1,2號關鍵塊體,塊體體積最大且安全系數低,已經掉落;掉落區2對應于圖6中的6,7,8,9號關鍵塊體,6,9號塊體已經掉落,7,8號塊體尚未掉落,屬危險塊體,需引起重視;掉落區3對應于圖6中的3,4,5,10號關鍵塊體,3,4號塊體已經掉落,其余塊體尚未掉落但安全系數相對較低,有非常大的安全隱患。

對塊體產生的原因進行分析,該處邊坡主要賦存3組結構面,一組產狀219.35°∠3.06°近水平節理和兩組產狀分別為113.02°∠85.90°和221.40°∠83.05°垂直節理,3組節理交錯分布,節理相交密集處對邊坡的切割作用最明顯。

對塊體掉落的原因進行分析,外力擾動、風化侵蝕等為主要的外部誘因,包括爆破震動影響、地震等地質活動以及雨水沖刷等,適當的減少外力擾動等對邊坡的影響能夠起到減少塊體掉落的作用。

塊體產生后,塊體在巖層內的賦存情況也是塊體掉落的一個主要原因,若塊體周圍巖石層位松散,易于風化剝落,則該處塊體易于掉落,在本例邊坡平臺,賦存巖層主要為砂巖層和泥巖層,主體為砂巖層,部分泥巖層貫穿砂巖體內,因邊坡形成后泥巖層出露,受風化侵蝕松散破碎,形成粉土掉落,致使塊體周圍受力不均衡,應力場失穩而最終掉落。

5 結 論

(1)安家嶺煤礦北幫1300平臺賦存3組優勢結構面,產狀均值分別為219.35°∠3.06°,113.02°∠85.90°和221.40°∠83.05°,3組結構面將巖體表面切割成破碎的塊體。

(2)基于關鍵塊體理論和不穩定塊體快速識別分析系統(GeoSMA-3D),進行關鍵塊體的判別,研究區域共識別出10個關鍵塊體,與現場實際相吻合,對礦山的安全生產和關鍵塊體滑落的預判有一定的理論指導作用。

(3)當邊坡產生關鍵塊體時,關鍵塊體一般具有2～3個及以上的潛在滑動面數,滑動趨勢沿該處塊體穩定性最不利的方向產生。

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Digital recognition and key block identification of rock mass structure in Anjialing Coal Mine

HU Gao-jian1,2,YANG Tian-hong1,2,SHI Wen-hao1,2,YU Qing-lei1,2, LIU Hong-lei1,2,WANG Pei-tao1,2,WANG Shu-hong2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.School of Resources& Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

The rock masses are separated by structural surfaces and there are many instability blocks with different geometric shapes which can be easily seen from the field in Anjialing open pit.It is a high risk for the slope safety due to the bad geological condition,so a study on the blocks stability is urgently needed.In this study,the step at+1300 level of the slope was investigated.Firstly,the spatial geometric parameters of the structural planes was gained by photogrammetry using a three-dimensional contact-free measuring system.Then a 3D numerical model of the structural planes was built based on the measured parameters.Finally,a self-developed software instability block fast recognition and analysis system(GeoSMA-3D)was used to search and analyze the key block of the slope rock mass.The simulation results reflect the actual situation very well,which means that the method of the key block search and analysis is reasonable and feasible.

structural surface;digital photogrammetry;parameters characterization of fractured rock mass;key block

TD313

A

0253-9993(2014)12-2412-06

2013-12-12 責任編輯:常 琛

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2013CB227902);國家自然科學基金資助項目(51174045,51034001)

胡高建(1987—),男,山東臨沂人,博士研究生。Tel:024-83671626,E-mail:hugaojian8@163.com。通訊作者:楊天鴻(1968—),男,教授,博士生導師。Tel:024-83671626,E-mail:yang_tianhong@126.com

胡高建,楊天鴻,師文豪,等.安家嶺煤礦巖體結構數字識別及關鍵塊體確定[J].煤炭學報,2014,39(12):2412-2417.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1831

Hu Gaojian,Yang Tianhong,Shi Wenhao,et al.Digital recognition and key block identification of rock mass structure in Anjialing Coal Mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2412-2417.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1831