礦山頂板冒落危險性預測可視化模型研究

王子健 Matheus M Kanime 程五一 趙 貞

(1.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083；2.世紀萬安科技(北京)有限公司，北京 100029)

由于非煤礦山開采深度的增加，頂板冒落事故有增多的趨勢。為了更好地進行深部開拓采場的頂板管理，許多學者從頂板事故原因分析出發，利用模糊綜合理論、頂板監測法，從頂板事故影響因素中選取相應指標，構建模型劃分頂板冒落危險性高中低區域，并根據危險性高低進行管理的方法，取得了較不錯的成果[1-6]。然而多數非煤礦山頂板冒落危險性區域劃分圖多為平面圖繪制，由于地下礦山具有隱伏性強、空間分布特征規律性差等特點，給礦山的頂板管理帶來不小的困難。因此如果能夠建立礦山的三維空間模型，將頂板冒落危險性區域圖立體地展現出來，對非煤礦山頂板管理具有重要的指導意義。

本研究利用Surpac軟件，結合相山某礦實際開采情況，基于大量鉆孔等勘探資料，繪制了該礦山的可視化模型，并將該礦頂板冒落危險性評價結果與Surpac相結合，繪制出該礦山頂板冒落危險性的可視化模型，對類似工程有重要指導意義。

1 礦區地質概況

礦床地層的基底由震旦系千枚巖及云母石英片巖組成；蓋層所含巖石種類較多，主要為上侏羅統打鼓頂組、酸性火山熔巖、陸相碎屑沉積巖、局部夾火山碎屑巖等。

礦山地質構造復雜，斷裂構造等十分發育，礦床內主要的斷裂構造為區域性繼承式華夏系鄒家山—石洞深斷裂帶，特點為多期活動，晚期為壓扭性活動。

礦床工程地質條件較好，基巖致密堅硬，裂隙不發育，穩固性較好，極限抗壓強度為79.15～158.65 MPa。礦山浮土分布范圍不大，主要分布在溝谷地帶，局部見于山坡。除溝谷中厚度稍大外，一般厚度1～5 m。氧化帶平均深度21 m，近斷裂處裂隙發育，氧化帶大多發育較深。

47～61勘探線施工鉆孔193個(其中分支孔16個)，本地段礦體規模、形態及其變化的基本特征是中、小礦體數量多，多成脈狀、透鏡狀，少數為囊狀，其形態比較復雜。

2 礦山頂板冒落危險性可視化模型構建

2.1 可視化模型構建流程

澳大利亞SSI公司開發的Surpac 軟件是一款三維可視化系統[7]，該軟件應用廣泛，可以應用于礦山生產的整個周期，通常用于礦產資源評估及礦山采礦規劃與設計等。

礦山頂板冒落危險性可視化模型構建主要流程有：①原始地質準備；②導入到地質數據庫；③工程軌跡的三維顯示；④地表模型的建立；⑤圈定礦體的邊界；⑥構造礦體三維實體模型；⑦對不同危險性礦體進行著色；⑧構造礦山頂板冒落危險性可視化模型。具體的礦山頂板冒落危險性可視化模型構建流程見圖1。

圖1 礦山頂板冒落危險性可視化模型構建流程Fig.1 Visualization model constructionprocess of roof caving hazard

2.2 創建地質數據庫

礦山地質數據庫是三維地質建模的基礎和前提。鉆孔數據的顯示和統計分析、實體模型建立等都離不開地質數據庫。數據庫由“表”和“字段”組成。一個數據庫中存在若干表，而每個表中存在若干字段，每個字段都有相應的數據格式。對數據庫格式分析完畢后，Surpac端快速地創建一個數據庫框架，并導入數據[8]。

為構建鉆孔地質數據庫，對原始資料進行了數字化處理，按照地質數據庫的格式要求，建立了鉆孔表(Collar)、測斜表(Survey)、巖性表(rock)3個表。其中：鉆孔表是用來記錄鉆孔信息，由于是三維地質模型，在鉆孔表中添加了Z方向坐標以及最大深度。整理的鉆孔表如表1所示(表中坐標已進行處理)。

表1 47～61勘探線部分鉆孔數據Table 1 Partial borehole data of line 47 to 61 m

測斜表記錄鉆孔的行進方向的測斜信息，可以完整記錄鉆孔的走向，其中根據實際情況，認為傾角應該為負，符合實際情況，所以對于傾角進行轉換，如表2所示。

表2 47～61勘探線部分測斜數據Table 2 Partial inclinometer data of line 47 to 61

巖性表是表明礦山的巖石和礦石的分布，由于45線到47線的巖性有缺漏，故采用47線到61線的巖性，其中A代表礦石，B代表巖石。礦山所整理的巖性表如表3部分所示。

表3 47～61勘探線部分巖性數據Table 3 Partial lithology data of line 47 to 61

2.3 礦山地表模型的建立

表面模型是Surpac軟件的基礎，主要形成彩色地圖以及地貌圖。一般地表模型建立需要以下幾個步驟[9]：

(1)通過AUTO CAD軟件構建數字化地質地形圖。

(2)將地質地形圖轉換為Surpac中的線文件，把各聚集點、交叉點等進行消除，將線文件變為平面線文件，各等高線的高程值為零。

(3)利用Surpac軟件將各等高線的Z坐標賦值并閉合，從而完成等高線線文件的“立體”轉換。

(4)利用線文件建立地表模型。

按照上述步驟構建礦山地表模型如圖2所示，鉆孔與地表對應關系如圖3所示。

圖2 礦區地表數字化模型(自由視角，按Z值著色)

圖3 礦區鉆孔與地表對應關系(俯視視角，按Z值著色)

2.4 礦山實體模型的建立

實體模型是用來描述三維空間的物體，是礦山頂板冒落危險性區域劃分可視化模型建立的基礎，礦山礦體實體模型建立過程如下：

(1)根據原始鉆孔資料，并結合巖石性質等重新地質解譯礦山47～61勘探線各剖面的礦體范圍和各地質界線。

(2)通過勘探線切剖面，在三維空間里圈定各剖面礦體邊界線及其他地質解譯線，各剖面的礦體解譯完成后，將各勘探線的解譯線合成一個線文件，并置于三維空間，即形成各剖面礦體的解譯線(如圖4所示)。

圖4 礦體55剖面部分解譯線Fig.4 Partial interpretation line of 55 section of ore body

(3)根據礦體外圍輪廓線，大致圈定礦體賦存范圍，結合礦山實際，確定連接原則，并以此圈定礦體的精確范圍(如圖5所示)。

圖5 礦體55剖面部分實體模型Fig.5 Partial solid model of 55 section of ore body

(4)根據礦體解譯線完成礦體的三角網連接，然后要對礦體實體模型進行“實體驗證”，驗證實體為真，保存為“dtm”格式的實體模型。驗證為假，修改信息使得驗證為真，礦山所得實體模型圖如圖6所示。

圖6 礦區礦體實體模型(俯視)

2.5 礦山頂板冒落危險性可視化實現

為了建立礦山頂板冒落危險性可視化模型，在礦體品位分析功能上進行二次開發，筆者首先利用Fisher準則判別分析法建立頂板事故預測數學模型對礦山47～61勘探線礦區進行了危險性預測，并將鉆孔劃分為危險與非危險鉆孔，類別分別為1、2，如表4部分所示(表中坐標已經過處理)。

表4 礦山47～61勘探線頂板冒落危險性部分預測數據Table 4 Roof caving hazard prediction data of line 47～61

為了礦山礦體實體模型中將頂板事故危險區域凸現出來，設置存在頂板事故危險區域的礦體顯示為紅色，不存在頂板事故危險性的礦體顯示為綠色。利用Surpac的著色功能將對礦山礦體進行著色，如圖7所示，將著色好的礦體與礦山地表模型以及實體模型結合，如圖8所示。

圖7 礦山礦體危險區域預測模型Fig.7 Prediction model for dangerous area of mine body

圖8 礦山礦區地表、礦體對應關系Fig.8 Relationship between the surfaceand the ore body of the mine area

3 結 論

(1)基于鉆孔數據，應用Surpac軟件，構建了礦山鉆孔三維信息可視化立體模型，將地下隱蔽工程三維可視化，使得礦山空間分布特征更加直觀明了。

(2)結合礦山頂板冒落危險性預測結果，將礦山頂板分為危險區域以及安全區域，并分別著色以示區分，利用Surpac軟件二次開發功能，構建礦山頂板冒落危險性預測可視化模型，實驗結果顯示，模型清楚直觀地顯示礦體的危險性，方便礦山管理人員進行頂板管理。本研究的探索性嘗試,對類似工程實踐具有重要指導意義。

[1] 高 峰，周科平，胡建華.采場穩定性的模糊物元評價模型及應用研究[J].采礦與安全工程學報，2006(2):164-168.

Gao Feng，Zhou Keping,Hu Jianhua.Fuzzy matter-element evaluation model for the stabilityof stope and its application[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2006(2):164-168.

[2] 連清旺.礦井頂板(圍巖)狀態監測及災害預警系統研究及應用[D].太原:太原理工大學，2012.

Lian Qingwang.Study on Roof (Surrounding Rock) State Monitoring and the Disaster Warning System and Its Application in Mine[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2012.

[3] 李俊平.某金礦采場巖礦冒落預測預報研究[J].工業安全與防塵,1994(10):29-33.

Li Junping .Prediction of rock caving in a gold mine[J].Industrial Safety and Dust Control,1994(10):29-33.

[4] 梁勝增.某礦山采場頂板穩定性分析研究[J].科技視界,2015(9):7.

Liang Shengzeng.Analysis on the stability of a mine's roof[J].Science and Technology Vision,2015(9):7.

[5] 盧 平.用模糊數學方法評價采場穩定性[J].南方冶金學院學報,1989(2):1-9.

Lu Ping.Applying fuzzy mathematies method to evaluation of stope stability[J].Journal of Southern Institute of Metallurgy，1989(2):1-9.

[6] 傅鶴林.用模糊數學方法綜合評價采場穩定性[J].有色礦山,1994(1):53-57.

Fu Helin.Applying fuzzy mathematies method to comprehensive evaluation of stope stability[J].Nonferrous Mines,1994(1):53-57.

[7] 程天赦,楊文靜.Surpac Vision軟件在金屬礦山中的應用研究[J].金屬礦山,2007(9):16-19.

Cheng Tianshe，Yang Wenjing.Research on application of Surpac Vision software in metal mines[J].Metal Mine，2007(9):16-19.

[8] 任志遠，靳 洋，熊章華,等.Surpac在金屬礦山三維建模中的應用研究[J].山西建筑,2014(25):99-101.

Ren Zhiyuan,Jin Yang,Xiong Zhanghua,et al.The influence research on Surpac in metal mine three-dimensional modeling[J].Shanxi Architecture，2014(25):99-101.

[9] 趙春波，趙桂香，孫云東.Surpac軟件在烏努格吐山銅鉬礦建模的應用[J].黃金，2010(2):34-36.

Zhao Chunbo,Zhao Guixiang,Sun Yundong.Application of Surpac software in Wunugetushan copper-molybdenum mine[J].Gold,2010(2):34-36.