深埋矿体移动带三维圈定方法研究

原 野，王 贺，曹 辉，于世波

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

地下开采必然会产生各种各样的采空区，使原岩应力平衡产生破坏，围岩发生变形移动，导致地表产生开裂、倾斜和弯曲等变形，甚至出现塌陷坑，在山区可能引起山体滑坡等地质灾害，不仅给矿山造成巨大的经济损失，而且对矿山的安全生产构成巨大的威胁。同时，地表移动带的圈定是一个非常复杂的问题，一方面移动带的圈定必须满足安全生产的要求，另一方面减少征地面积，降低生产成本就是企业天然需求[1-5]。目前金属矿山移动范围圈定主要方法有工程类比法、理论分析法、数值分析法。工程类比法的准确性对设计者的工程经验和知识结构要求很高，存在着因人而异的主观人为因素；理论分析法主要包括上盘渐进崩落理论、上盘渐进断裂理论、松动区引起地表岩层移动理论、概化随机介质理论等，由于矿山差别较大，这些理论对同一问题可能给出有差异的结果，不能直接应用于矿山；数值分析法对矿体赋存条件的参数准确度要求较高[6-10]。因此，如何科学合理地确定矿山地下开采的地表移动范围是一项重要的科研难题[11-21]。

本文提出了一种将复杂矿体的三维模型与经典地表移动带圈定方法相结合的移动带圈定方法。首先根据矿区地质资料通过三维建模软件建立矿山模型，然后在模型中切割各个典型的剖面，由于三维模型中各组成部分被赋予了几何形状与空间分布要素，包括走向、倾向和倾角，因此可以根据需求截取任意多个分析剖面，计算剖面含有岩层组成和产状、结构面产状等信息，结合经典的地表移动带圈定方法获取岩移参数，最后将各岩移参数确定的地表移动带边界点连接，即可圈定地表移动带。该方法在纱岭金矿山地表移动带的圈定中获得了成功应用，效果良好。

1 工程应用

1.1 工程简介

纱岭金矿的矿体属于大面积、缓倾斜中厚—厚矿体，似层状、大脉状，具分枝复合、膨胀夹缩等特点，产状与主裂面基本一致，倾向243°～291°、平均272°，倾角6°～42°、平均倾角约27°。沿走向最大1 582 m，沿倾向最大斜长2 158 m，最大垂深1 016 m，矿体单工程厚1.20～125.64 m，平均14.89 m。预计随着矿山开采的正常进行，采空区不断扩大，岩移范围也相应扩大。当岩移范围扩大到地表时，地表将产生变形和移动，形成下沉盆地或塌陷坑。目前，矿山急需对其地采所引起的地表移动带范围进行研究，以避免不必要的损失。

1.2 矿山地表模型建立

由于矿区保留着大量不同阶段的地表高程实测图，但存在数据相互冲突、部分区域相互重叠等问题。将纱岭金矿矿区的地表地形图导入3DMINE三维软件，结合现场调查的情况，通过采用人机交互的方法对不同阶段的数据进行修补，在软件中对其地形等高线进行编辑，包括移动、删除离散点等操作，最终得到修正后的地表等高线，并对其进行赋值，形成地表模型，如图1所示。

图1 矿区地表模型Fig.1 Model of mine surface

1.3 矿体模型的建立

根据所有钻孔数据和勘探线的剖面资料，生成矿体的水平与垂直剖面图，然后将其导入3DMINE三维软件中，形成矿体的轮廓线图[5-6]，利用三角网算法来完成矿体模型的建立，如图2所示。

图2 矿体三维模型Fig.2 3D model of ore body

1.4 剖面的选取及移动角的确定

通过已经建立的矿区地表模型[7-8]与矿体模型，根据矿区地层信息，按精度要求切割相应的剖面，若所切割的剖面内的地层信息差异不大，可选取不同方向的几个典型剖面进行计算分析，得到剖面的统一移动角；若切割的剖面的地层信息差异较大，就需要对切割的剖面分别进行计算分析，得到不同的移动角。从纱岭金矿所切割的剖面图来看，地层信息差异不大，只需要分析计算几个典型剖面即可。

本文参考传统经典的矿岩移动带的圈定原理[9-10]，参照类似条件下矿山的实际资料选取移动角，并综合考虑矿山的具体条件，对所选取的值进行修正，最终确定其上盘移动角与走向移动角都是70°，如图3所示。

图3 典型剖面图的移动角Fig.3 Movement angle of a typical section

1.5 地表移动带的确定

根据所有已确定移动角的典型剖面，得到地表的移动带边界点，然后将所有典型剖面图确定的地表移动带边界点连接，即可圈定地表移动带，如图4所示。

图4 地表移动带Fig.4 Surface movement zone

2 结论

由于深埋矿体的形态变化较大，而地下矿山的移动角的选取是一个十分复杂的问题，既要满足安全生产的需求，又要降低征地面积减少成本。本文结合纱岭金矿的工程实例，介绍了基于三维地质建模技术的移动带圈定方法，为矿山生产开发奠定了有益基础。

1)通过对纱岭金矿的现场调查，并对所有的钻孔数据与勘探线剖面图进行整理、修正，综合运用相邻轮廓线法和三角网算法，构建了纱岭金矿的地表模型及矿体的三维实体模型。

2)按精度要求切割相应的剖面，根据相应剖面图中确定的移动角得到地表移动边界点，实现精度的控制与地表移动带的圈定。

3)基于三维地质建模技术的移动带圈定方法的适用性好、使用简单、操作方便，虽然前期建模工作量大，但圈定的地表移动带精度大大提高，具有一定的推广应用价值。