河南省洛寧縣吉家洼金礦工程地質建模

李海富 王 玲 郭勤強 陳偉華 郎 磊 王翊欣

(1.河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院,河南 洛陽 471000;2.北京科技大學冶金與生態工程學院,北京 100083)

固體礦山中的工程地質研究內容包括采礦工藝中涉及的地質體空間分布規律和工程地質特征調查,具體工作手段包括工程地質填圖、巖石力學試驗、地應力測試、爆破減災試驗等[1-4]。工程地質建模是應用三維地質建模技術,將地層、巖性、工程地質巖組、結構面、巖石力學特征等工程地質信息進行可視化,為后期的巖石力學模擬提供基礎支持,同時也可以指導礦山設計和生產[2,5-9]。

傳統工程地質研究成果可視化是借助CAD或GIS軟件將調查研究成果展示在二維平面,隨著三維建模技術的發展,GOCAD、Petrel、GeomModeller3D、GIS3D、Earthvision、Vulcan、Micrormine、Datamine、Surpac和Leapfrog等三維地質軟件的應用推廣,工程地質建模豐富了二維平面可視化方式,逐漸成為礦山設計和生產中的必要環節[10-12]。目前,工程地質建模的主流成果是實體模型(Wireframe),可以用來進行可視化,也可以用于FLAC、ABAQUS和Geostudio等軟件進行巖石力學模擬[13-14]。然而實體模型只能用于定性觀察礦區工程地質特征,由不同工程地質特征因素形成的多個實體模型之間缺乏有機聯系。目前,形成塊體模型表達空間任意一點的工程地質綜合信息,是工程地質學研究的發展趨勢[15-17]。

吉家洼金礦位于河南省洛寧縣,礦山自1996年建成投產,歷經20多年生產,創造了較好的經濟效益和社會效益。隨著開采深度加大,礦區工程地質條件逐漸復雜[18-19],采礦過程中出現安全作業條件差、礦石貧化嚴重等問題,亟須加強研究工程地質條件,優化采礦工藝。本研究在礦區工程地質調查的基礎上,借鑒固體礦山三維地質建模流程和方法,利用Datamine和Leapfrog軟件構建礦區工程地質模型,在主流實體建模的基礎上,利用數據標準化、經驗公式、克里金空間插值等方法構建礦區工程地質塊體模型(Block),為開采作業中開拓巷道布置、采場尺寸和鑿巖爆破等參數設計提供參考,為礦山安全、穩定、高效生產及精細化管理提供保障。

1 礦區地質概況

礦區位于華北板塊南緣,洛寧縣南部熊耳山多金屬成礦帶—上宮成礦帶北西部,變質作用強烈,巖漿活動頻繁,斷裂構造發育,成礦條件優越,但工程地質條件相對復雜。礦區內出露或工程揭露的地層主要為新太古界太華群石板溝巖組(Arsb)、龍潭溝巖組(Arln)、龍門店巖組(Arlm)以及零星分布的第四系(Q)。石板溝巖組(Arsb)主要巖性為角閃斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖、淺粒巖、混合巖夾少量角閃巖、透輝角閃石巖、蝕變輝桿巖、滑石巖等。龍潭溝巖組(Arln)主要巖性為黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、淺粒巖等。龍門店巖組(Arlm)主要巖性為淺粒巖、斜長角閃片麻巖、角閃斜長片麻巖等(圖1)[20]。

圖1 吉家洼金礦礦區地質特征Fig.1 Geological characteristics of the mining area of Jijiawa Gold Mine

礦區內斷裂構造較為發育,按其展布方向可分為近SN、NE、EW、NW向4組,而近SN向斷裂是礦區的主要斷裂,分布于礦區中部及西部,為后期破礦斷裂,多為直立,局部反傾,斷裂帶內巖性多為碎裂巖、蝕變巖、泥礫巖。區內構造力學性質表現為張性—壓扭性力學性質,具有多期構造活動疊加的特點[20]。

礦區內侵入巖主要為輝綠巖(βμ)和閃長玢巖(δμ)。輝綠巖呈巖脈、巖墻狀產出,多數走向近EW,次為NW、NE向,少數呈NNE向;規模大小不等,最長約3 000 m,最短只有十余米,寬度最大為200～500 m,小者只有數十厘米,常有分枝現象,傾角為40°～70°,個別近直立;巖石呈暗綠色、深灰色,輝綠結構,塊狀構造[20];主要礦物成分為普通輝石和基性斜長石,次要礦物為角閃石、次閃石、絹云母、黑云母、綠簾石、綠泥石等,偶有石英出現。閃長玢巖分布于礦區南部邊緣,呈巖基狀產出;巖石呈淺灰色,半自形粒狀結構、斑狀結構,塊狀構造。主要礦物成分有斜長石(55%～60%)、角閃石(30%～40%),次要礦物有石英、絹云母、次閃石、輝石、綠泥石、黑云母、黝簾石等。閃長玢巖中斑晶為斜長石,含量為5%～15%,半自形—自形寬板狀或短柱狀晶體,粒度為(0.5×1.0)～(2×5) mm,大部分已強烈絹云母化、鈉黝簾石化。

2 工程地質建模

工程地質建模的基礎數據來源于礦山工程地質調查,其常用手段是對鉆孔巖心進行工程地質編錄和巖石力學測試,編錄包含的內容較多,包含巖性、巖石蝕變、斷層、節理頻數和節理產狀、巖石強度和巖石質量指標(RQD)等,巖石力學測試是采集不同的巖石樣品,進行抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、內摩擦角、彈性模量和泊松比等參數測定。

本次工程地質建模是在工程地質調查的基礎上,構建巖性模型、斷層模型和節理裂隙模型,其中巖性模型和斷層模型包含實體模型和塊體模型,節理裂隙模型只有塊體模型,3個塊體模型中各自工程地質參數經過經驗公式和數據標準化轉換形成工程地質塊體模型,主要字段為ENZONE,其代表綜合工程地質參數。

2.1 巖性模型

地層建模是根據鉆孔編錄資料,利用Leapfrog軟件形成實體模型,再利用Datamine軟件中進行塊充填,形成塊體模型。模型塊尺寸為10 m×10 m×10 m,巖性字段編號為ZONE,代表工程地質參數,ZONE為1代表黑云斜長片麻巖,ZONE為2代表角閃斜長片麻巖,ZONE為3代表角輝綠巖(圖2)。

礦區黑云斜長片麻巖和角閃斜長片麻巖抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、內摩擦角、彈性模量和泊松比等巖石力學參數取值接近,而輝綠巖的巖石力學參數明顯偏低,可能是由于輝綠巖一般發育較強的蝕變作用(圖3和表1)。將角閃斜長片麻巖的抗壓強度參數定義為100,黑云斜長片麻巖和輝綠巖的抗壓強度參數分別定義為98和81,依次將抗拉強度、抗剪強度、內摩擦角、彈性模量和泊松比等巖石力學參數進行類似處理,然后將處理結果求平均值,獲得的黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖和輝綠巖的工程地質參數(ZONE)分別為97、100和79。

圖3 礦區巖石照片Fig.3 Rock photos in the mining area

2.2 斷層模型

斷層建模只考慮礦區中部近SN向主要斷裂,其他小的斷裂位移較小,工程地質調查中以裂隙考慮。斷層建模步驟為:① 建模過程是根據編錄資料在剖面上連接斷層;② 利用多個剖面的斷層線形成斷層面的實體文件;③ 提取實體文件三角網產狀,形成斷層產狀點文件;④ 利用最近距離法獲得三角網中心點與空間點的距離;⑤ 利用動態橢球體技術將距離標準化后賦予塊體模型,搜索橢球體參數為100 m×100 m×10 m,最小樣品為2,最大樣品數為10。斷層點文件屬性為單一值,評估斷層發育程度是利用空間點與斷層的距離(TD),也就是斷層塊體模型中TD字段代表工程地質參數(圖4)。

圖4 折層塊體模型及產狀Fig.4 Block model and occurrence of fault

2.3 節理裂隙模型

節理裂隙建模步驟如下:

(1)對節理裂隙進行統計分析,編錄節理裂隙密度按照每2 m節理裂隙數量計算,礦區節理裂隙密度最大為61,最小為1,兩種片麻巖中節理裂隙密度類似,輝綠巖中較高,斷裂帶內最高(圖5)。

圖5 節理裂隙統計Fig.5 Statistics of joint fissure

(2)節理裂隙密度空間數據采用克里金法分析和擬合,結果如圖6所示。沿不同方向變異函數擬合模型的塊金值均為0.25,說明節理裂隙密度空間數據變異性較小,但沿不同方向的變程有明顯差異,其中圖6(a)中沿鉆孔軌跡方向變程為62 m,圖6(b)中沿358°∠-5°(相當于178°∠5°)方向變程為69 m,圖6(c)中沿258°∠-65°方向變程為190 m,圖6(d)中沿270°∠25°方向變程為61 m,說明數據各向異性明顯,沿NE方向數據相關性最強,該方向也是模型分析中橢球體的長軸方向。

圖6 礦體沿不同方向節理裂隙密度克里金分析Fig.6 Kriging analysis of joint fissure density in the ore body along different directions

(3)塊體模型賦值,賦值方法為普通克里金法,搜索橢球體參數為200 m×200 m×50 m,最小樣品為3,最大樣品數為10。節理裂隙密度塊體模型中FDENSITY字段為節理裂隙密度,代表節理裂隙密度塊體模型的工程地質參數。

2.4 工程地質塊體模型

工程地質塊體模型是利用巖性(ZONE)、斷層(TD)和節理裂隙塊體模型工程地質參數(FDENSITY)形成工程地質塊體模型的工程地質綜合參數(ENZONE)。工程地質塊體建模步驟如下:

(1)礦區工程地質塊建模的前提是給巖性、斷層和節理裂隙密度等工程地質參數賦予不同權重,而不同礦山的地層、斷層和節理裂隙密度對于工程地質特征的影響各異,所占權重也不同。本研究利用每個權重比例下礦區的綜合工程地質參數計算值與多個已知地區(采礦工程揭露地區)的實際值進行對比,發現30(地層權重)∶30(節理裂隙權重)∶40(斷層權重)的賦值組合與已知地區的實際值吻合度最高,因此本研究工程地質塊體建模中使用該權重比例。

(2)塊體模型中斷層和節理裂隙密度參數標準化。本研究參數標準化處理采用歸一化法,目的是使得數據壓縮在[0,1]以內。斷層中工程地質參數(TD)為標準化參數乘以其權重(40),節理裂隙密度中工程地質綜合參數(FDENSITY)為標準化參數乘以其權重(30)。

(3)地層、斷層和節理裂隙密度的標準化工程地質參數相加形成綜合工程地質參數。工程地質塊體模型中ENZONE字段代表綜合工程地質參數(圖7)。

圖7 工程地質模型Fig.7 Engineering geological model

3 工程地質模型應用

礦區工程地質模型在指導采礦生產方面發揮著重要作用,尤其在開拓工程、采場尺寸和鑿巖爆破參數選擇等方面,可以有效修正經驗參數,既有利于安全生產,又有助于節約生產成本。

根據模型計算值與多個已知地區(采礦工程揭露地區)的實際工程地質條件,將模型ENZONE值劃分為4個等級,大于90為好,80～90為較好,60～80為較差,小于60為差。該礦區工程地質模型顯示SN向斷裂兩側ENZONE的值低,為0～60,工程地質條件差;斷層下盤84800N兩側和斷層上盤85300N兩側ENZONE值約60,工程地質條件較差,開拓工程設計中應盡量避免ENZONE值小于60的地區。目前生產中,在工程地質條件較好地區,ENZONE值約70,采場尺寸為40 m×20 m×5 m(長×寬×高),當ENZONE的值減少到60左右時,采場尺寸應減小到20 m×20 m×5 m(長×寬×高),相應的單位體積穿孔和裝藥數量也應適當減少。

4 結 論

在吉家洼金礦工程地質調查的基礎上,構建了巖性、斷層和節理裂隙密度的實體模型和塊體模型,同時形成了工程地質塊體模型,為礦山安全、穩定、高效生產及精細化管理提供了保障。所得結論如下:

(1)將礦區巖性、斷層和節理裂隙的定性或定量參數進行標準化賦值,獲得礦山工程地質塊體模型。模型中巖性數據使用標準化后的巖石力學參數,斷層使用動態橢球體技術和距離冪次反比法估算空間點與斷層的距離,節理裂隙密度使用克里金插值。

(2)為礦區地層、節理裂隙和斷層分別賦予權重30%、30%和40%,并將數據標準化后相加形成工程地質塊體模型,用ENZONE字段表示,代表工程地質綜合參數。構建的吉家洼金礦工程地質模型顯示礦區SN向斷裂兩側、斷層下盤84800N兩側和上盤85300N兩側ENZONE值偏低,約為60,預示工程地質條件較差,后期礦山設計和生產中應予以重視。