盧安夏銅礦水淹礦山三維建模技術研究

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，北京 100083)

0 引言

盧安夏銅礦1928年開始建設（14號豎井），1955年18 號豎井投產(chǎn)，1963 年28 號豎井投產(chǎn)。經(jīng)過70 多年連續(xù)不間斷的地下開采（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五十年一遇的暴雨，導致盧安夏壩排洪鐵管損壞，洪水從溢洪道管泄出，流進羅恩盆地采空區(qū)，進而導致整個盧安夏礦井被淹，相關區(qū)域開采工作停產(chǎn)至今。該區(qū)域資源量地質(zhì)品位高，要恢復開采，須先建立水淹礦山三維模型。

首先通過現(xiàn)場調(diào)研，收集以往的歷史勘探以及開采資料；其次將收集的礦山地質(zhì)鉆孔資料、勘探線剖面圖、開采平面圖、井巷工程以及開采工程等資料通過AutoCAD 軟件進行數(shù)字化；然后再將數(shù)字化資料導入到礦山建模軟件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上，開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 軟件對原始圖片進行修正，將修正好的圖片以原坐標插入AutoCAD 中進行描圖，描圖完成后，檢查是否有遠離有效圖形的無效點、線，并將其刪除，同時檢查圖形內(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，即可實現(xiàn)圖片向數(shù)字化圖的轉(zhuǎn)變。

通過將Photoshop 軟件與AutoCAD 軟件相結合，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，同時為了檢測該方法準確性，隨機選取井筒位置，如28#井，數(shù)字化后的坐標為（X,Y）=（?10 100.771，6105.826），與已有資料中28#井坐標（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)有技術資料進行調(diào)查與分析，在對礦區(qū)14#～28#豎井井下工程平、剖面圖等關鍵技術資料數(shù)字化的基礎之上，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)確定好的各階段實際標高對中線賦Z值，并繪制出14#～28#豎井位置及相應高度；最后利用3DMine 地下模塊中的腰線巷道建模功能，對已賦好Z值的中線及腰線建模，即可實現(xiàn)礦山井巷工程三維建模。

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

2.2 礦體三維建模

基于勘探線剖面圖構建礦體模型，利用鉆孔數(shù)據(jù)、剖面線等對礦體三維模型進行精細化處理。建模過程主要是通過建立初步三維模型、校正鉆孔數(shù)據(jù)、加密勘探線剖面、構建礦體精細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。礦體西側賦存深度較深，標高約為0 m。礦體中部賦存深度較淺，最淺處標高約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褶皺。礦體東側傾向方向?qū)挾容^小，西側傾向方向?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)礦體精細化三維模型以及礦區(qū)總體采空區(qū)平面圖，通過3DMine 軟件的三維布爾運算，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)，可以進行采空區(qū)的體積估算及殘留礦體的儲量估算。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)分布于整個研究區(qū)域，其中羅恩延長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，這也進一步驗證了所構建的井巷工程、采空區(qū)及殘留礦體三維模型的準確性。

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采，主要集中在28#井和SS34勘探線附近；羅恩延長和羅恩盆地采空區(qū)面積較大，殘留礦體資源較少，殘留礦體主要為預留礦柱。因此，為最大程度地回收水淹資源，以預留礦柱（SS30 勘探線附近）為界將研究區(qū)域分為東、西兩部分，對預留礦柱以西部分的穆利亞希資源量通過礦山建模軟件3DMine 進行粗略估算。

經(jīng)計算可知，礦體資源量為6459.3 萬t，最新統(tǒng)計的穆里亞希部分礦體資源量為6139 萬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系統(tǒng)模型，無法單獨截出穆里亞希部分，理論上對資源量估算應減去井巷系統(tǒng)在礦體中的體積。

4 結論

（1）根據(jù)原有的生產(chǎn)技術資料以及現(xiàn)場收集的礦山井巷工程平面圖照片，通過Photoshop 和AutoCAD 軟件，實現(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，基本可以實現(xiàn)零誤差，并且對原始圖紙無損害，具有很好的應用前景。

（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 圖導入3DMine 中，并對各階段實際標高賦Z值，即可實現(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，對后期水淹資源開發(fā)提供技術支撐。

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

（4）借助3DMine 軟件，對采空區(qū)的體積及殘留礦體的儲量進行估算。通過對比礦山最新資源量，對兩者差異原因進行了對比分析，這對水淹資源的開采具有一定的指導意義。