基于DI MI NE软件的某锑矿开采沉陷预计

杨 殷,熊章强

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410012;2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学), 湖南 长沙 410012;3.长沙迪迈数码科技股份有限公司, 湖南 长沙 410012)

0 引 言

矿山地质环境问题是指采矿活动作用于地质环境所产生的环境污染和破坏.

我国矿产资源丰富,种类齐全,目前已成为全球最大的资源生产国、消费国和贸易国.长期以来,随着对矿产资源开发力度的加大,矿山地质环境问题日益凸显,在一些地区制约了经济和社会的发展,影响了其附近居民的人身财产安全和正常生活秩序[1].

由于矿体赋存地质条件、采矿方法、开采设备及回采顺序不同,所引起的地质环境问题也不尽相同.而以开采沉陷为代表的矿山地质环境问题是一个“老大难”问题,逐渐受到了社会的广泛关注和重视[2G3].

开采沉陷预计是矿山开采沉陷的核心内容之一,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义.由于采矿引起的地面沉陷损坏地面建筑、公路、铁路等,不但给人民生活带来了威胁,而且破坏环境.开采沉陷的预计,对建筑物和生态环境的保护有重要意义.

近年来,随着计算机技术的发展,国内外针对开采沉陷也做了很多研究[4G5],主要包括基于CAD软件、Arc Gis等进行二次开发、基于DI MINE软件开采沉陷研究等.

1 DI MINE开采沉陷模块

矿山开采沉陷是一个十分复杂的空间和时间问题,我国在这方面积累了丰富的经验[4G9].目前,常用的变形预计方法有概率积分法、典型曲线法以及负指函数法等,其中DI MINE软件开采沉陷插件是基于概率积分法研发的,主要功能包括开采沉陷基础数据准备与参数设置、沉陷分析与计算、结果表述等.

该功能模块基于矿山三维地表DT M模型、采区模型进行沉陷分析和计算,不仅针对性强、计算速度快,还能很好地利用GIS强大的空间分析和图形显示能力,并将计算分析结果以二维和三维的形式直观展现出来.

2 某锑矿开采沉陷预计

2.1 矿山简介

该矿为超大似层状锑矿床,成矿地质条件优越,矿体主要产于含矿层位与北北东、北东向断裂下盘交汇处及其半边背斜东翼.矿体的富集与含矿层的破碎和裂隙发育程度密切相关.Ⅰ号矿体分布于背斜轴及东翼,走向近东西,倾向南,倾角19°~40°,单个矿体走向长100~1200 m,矿体与地层产状一致,为层状、似层状,形态稳定.矿山开采技术条件比较简单,矿井开拓方式为联合开拓,采矿最大深度达469 m.采矿方法有普通房柱法、胶结充填法等.

矿山开采已有一百多年历史,留下了大面积的采空区及老窿,老窿采空区星罗棋布,上覆岩厚度离地表最薄处不足1 m,一般为20~100 m.部分老采空区未充填,随着时间推移,空场不断扩大,现有的矿区地下采空区达2.5 k m2.因此,采区对地表的影响成为矿山日常工作中的重点环节.

2.2 矿山三维空间模型的建立

矿山三维模型,主要包括地表DT M模型、矿体模型、岩层模型、块段模型和井巷工程模型等.准确、真实、合理的三维模型能直观反映矿区地面、地下等各工程空间地理信息,能够为矿山开采沉陷预测及分析奠定良好基础,还可以为矿山生产、管理提供准确、有效的依据.

利用DI MINE软件线框建模技术和地表DT M建模技术,快速完成矿山三维可视化模型构建.2.2.1 地表DT M 模型

数字化地表模型DT M(Digital Terrain Model)由若干地形等高线和散点(高程点)生成,DI MINE软件根据每个点、线的坐标值,将所有点线联成若干相邻的三角面,然后形成一个随着地面起伏变化的单层模型,以使人们对矿区及构筑物位置在宏观上有个完整的认识.

构建地表模型首先是把Mapgis或者CAD地质地形图直接导入DI MINE,然后为等高线或散点附上实际高程值,执行“实体建模”中的“整体DT M”命令可以得到地表模型.

在此模型的基础上,利用已有的矿区卫星遥感图片,通过软件的“材质纹理贴图”功能,将照片附着到地表模型上,得到更接近于实际的地表模型(见图1),如此能够更加直观地表现地表的实际情况.

图1 贴图后的地表模型

2.2.2 三维矿体模型

从勘探线剖面中提取矿体轮廓线,对相邻剖面轮廓线进行矿体建模,形成三维矿体模型,如图2所示.三维矿体模型,不仅可以在三维空间中直观分析矿体空间形态和位置、分析矿体成矿规律、还可以快速进行体积查询.

2.2.3 三维岩层、断层模型

与构建三维矿体模型类似,在提取各岩层、构造分界界线基础上,可以形成矿区范围内岩层、断层的三维空间模型(见图3).三维岩层模型,可以在三维空间中直观分析岩层、矿体空间关系,利于成矿规律和进一步找矿研究.

2.3 模拟开采及沉陷预测

矿山开采活动对地质环境的影响,尤其是已回采的采区若未及时充填对地表沉降的影响,是矿山地质环境监测工作中很重要的一项内容.本文以井下2＃矿体6＃、7＃采区开采为例进行研究,计算开采后地表沉降值和沉降范围,如图4所示.

图2 矿体模型

图3 剖面地层、断层整体形状

图4 地表及采区范围

计算前,需对采区进行相应属性设置与计算分析:

(1)根据矿山实验计算及经验值得出岩石力学参数:开采厚度为5.5 m,下沉系数为0.6;采区倾角为20°;最大影响角正切为2.

(2)选择“初始地表模型”进行计算,计算后将会生成预计的塌陷后地表模型、沉降范围表和沉降点坐标表,分别如图5、表1和表2所示.

矿山三维模型的应用为矿山采空区影响地表塌陷区域范围研究提供了一个很好的平台.在三维平台下能够直观展示地表塌陷区的沉降区域,通过三维地表DT M模型及DI MINE剖面出图功能,直接看到塌陷区域地表前后的对比.通过模型的可视化,能够提前预知地表塌陷,从而指导井下生产,提前对地表做好安全防护.

图5 地表沉降模拟模型

表1 地表沉降范围

表2 沉降范围点

经地表沉降平、剖面图分析可知,6＃、7＃采区的开采将会对地表的矿山建筑造成影响,如图5、图6所示.

经过进一步模拟分析,当开采范围不包括6＃、7＃采区时(如图7、图8所示),则不会影响到地表建筑,所以为了防止破坏地表的关键建筑物,6＃、7＃采区的开采应该受到限制.

图6 2－7号采区开采A－A′剖面

图7 2－5号采区地表沉降模拟

图8 2－5号采区开采A－A′剖面图

3 结 论

DI MINE软件地表沉陷预测功能,为地表塌陷范围及塌陷趋势分析提供了良好工具,能够直观反映开采沉降影响的范围及程度,可有效应用于矿山开采规划和生产管理、地质环境监测分析等业务中,为安全、高效生产服务.

矿山三维地质体模型,不仅可进行三维展示与属性查询,还可通过剖面切割,地表、巷道三维漫游,三维模型透明化,图层管理等一系列应用功能,将其更好地应用于地质环境监测管理中.

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