白音华三号矿三维地质模型构建及凸台边坡稳定性分析

侯 伟

（国家电投集团内蒙古白音华煤电有限公司 露天矿，内蒙古 锡林郭勒 026209）

矿区三维地质建模不仅仅是二维地质建模向三维的延伸，三维地质建模技术突破了传统地质构造二维表示的局限性，它能更直观地描述露天矿山岩层及地质体的空间和结构位置关系，是实现露天矿“透明地质”的基础。露天煤矿岩层多为沉积岩层，边坡三维模型的构建对于矿山生产规划及露天矿边坡数值模拟等工作具有重要的意义。随着人们对露天矿区地质精细程度的增加，研究人员也逐步意识到三维精细化地质模型在矿区生产的必要性，提出了一系列三维数值建模的措施。李春生等[1]以ArcGIS 软件作为开发平台，以矿区钻孔数据库为基础，采用基于层面的约束不规则三角网（TIN）建立了露天矿地质模型；李佳君[2]基于三维矿业软件DIMINE三维矿业软件建立了白云鄂博矿区的地表DTM 模型和钻孔数据库模型，进一步对数据看进行品位整合后通过地质解译建立矿体三维模型。三维地质模型的误差分析一直是技术人员关注的重点，模型的准确度直接决定了地质模型用于指导生产的适用性。针对三维地质模型可能存在的误差，刘光伟等[3]分析了三维建模过程中误差来源，提出采用C－F 方法对三维地质模型各阶段不确定性进行统一度量，以实现三维地质模型精度有效评价；朱良峰等[4]提出了三维地质结构模型精度评估、误差检测、动态修正的总体研究框架，为三维地质结构模型度与误差修正的理论体和方法体系奠定了基础。

露天矿边坡稳定性研究经历了由经验分析、定性分析、单一评价理论到理论分析、定量分析、多种方法综合评价的转变。其中定性分析方法主要有工程地质分析法和图解法[5]，定量分析方法主要有极限平衡法[6-8]和数值分析方法[9-12]等。其中数值分析方法已成为边坡稳定性分析的一种重要的方法。随着计算机技术的日益发展和成熟，有限单元法、离散元法、有限差分法、数值流形法等常用数值计算方法也在边坡稳定性分析中得到了充分的发展，数值分析方法可以从较大范围考虑边坡介质的复杂性，全面地分析分析边坡的应力应变状况，有助于对边坡变形和破坏机理的认识。

为此，以白音华三号露天矿已有的地质钻孔信息为基础，基于3Dmine 软件和Rhino 软件，结合无人机航拍图，建立了能够反映露天矿区岩土体空间分布的三维地质模型；进一步在白音华三号矿新布置了2 个钻孔，经过钻孔岩心图与三维模型中同一位置岩性的分布对比，验证了模型具有较高的准确性；在对地质信息充分了解后，建立了白音华三号矿凸台边坡三维数值模拟，基于三维数值模拟得到了边坡主要的变形破坏区域。

1 工程概况

白音华三号矿隶属于国家电投集团内蒙古能源有限公司，矿山位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华镇管辖范围内，白音华三号矿面积约35.1 km2，年产量1 500 万t。由于矿权原因，在矿区的东北部形成了1 个三面解除约束的凸台。白音华露天矿共有3 个煤组，其中凸台下部压有大量的优质煤炭，但是凸台的北面出现了部分区域出现了明显的变形，边坡底部产生了0.5 m 的底鼓，凸台的稳定性制约着煤炭的高效开采。

矿区所在的白音华煤田为大兴安岭南段西侧的山间断陷盆地，北东—北北东向长条状展布。地堑式，盆地规模600 km2，长宽比近5：1，最大沉积厚度近1 400 m，含煤性好，富煤带展布方向与盆地长轴方向一致。白音华三号露天矿位于煤田的中部，露天矿岩（土）体地层较为简单，白音华三号矿典型岩土层分布如图1。

图1 白音华三号矿典型地质图

岩土自上而下分布为第四系地层、第三系地层、泥岩层、煤层、泥砂岩互层等主要岩层。第四系地层主要是由腐殖土、砂土、细砂、粗砂、粉砂、亚砂土、砂砾和少量亚黏土、黄土等组成；第三系主要是由黏土或砂质黏土构成，第三系底部含有灰白－灰黄色砂砾层，主采煤层由2－1＃中煤层、2－1＃下煤层、3－1＃煤层、3－2＃煤层、3－3＃煤层5 层煤组成。地层厚度带的总体方向为北东向，中部薄，西南、东北两端厚，最大厚度带偏向于井田西北一侧，中部的厚度变薄带为一个同沉积隆起。

2 白音华三号矿三维地质模型

利用无人机对整个矿区进行扫描得到矿区的高程线，基于高程线生成白音华三号矿DTM 模型，随后在Rhino 中建立与表面大小相同的实体得到矿坑表面模型，在表面模型的基础上建立矿区地质模型。

矿区地质模型主要是根据矿区已有的岩层结构剖面图进行构建。Rhino 软件建模的核心是NURBS曲面技术，NURBS 是指能够用数学的方式精确的描述所有造型，即从简单的2D 线到复杂的3D 有机自由曲面与实体。将岩性分界面与矿区表面模型进行整合，建立矿山岩层实体模型如。白音华露天矿三维地质体模型如图2。

图2 白音华露天矿三维地质体模型

对三维模型进行贴图能够更直观反映矿坑真实情况，对于分析边坡雷达点变形、裂隙分布等地质信息有重要意义。贴图过程是在Rhino 软件中完成，根据无人机航拍的高清矿区图片，对所建立的白矿模型进行岩性赋予，选择保存的无人机图片并调整贴图轴大小实现贴图。白音华三号矿地表－地下精细化三维地质模型如图3。

图3 白音华三号矿地表－地下精细化三维地质模型

3 白音华三号矿三维地质模型准确性验证

为了验证模型的准确性，在白音华三号矿凸台边坡的西北部设计施工了2 个钻孔，2 个钻孔标高及钻孔信息见表1。实际施工中根据岩石性质选择钻进方法，钻头规格选用ϕ113 mm，岩心管选用ϕ89 mm，回次进尺长度均未超过岩心管有效容纳长度，钻进松散、破碎的岩层时，根据实际情况采用低转速、小泵量，保证取心质量。

表1 新增钻孔信息表

基于新增的2 个钻孔岩心岩性分布图对所建模型准确度进行检验。首先根据钻孔岩心图标注出不同深度的岩性，然后将模型中对应深度的岩性与钻孔中编录的岩性进行对比。白音华三号矿模型准确性检验图如图4。图4 中，四边形的颜分别代表了钻孔揭露岩性和模型表征的岩性，四变形的高度代表了不同岩性（砂岩、泥岩、煤层）。

图4 白音华三号矿模型准确性检验图

由对比可以看出：结果显示模型能相对准确地反应岩土体的赋存状态，尤其是在含煤的深度误差较小，这对于煤层的开采具有重要的作用，通过对比，模型准确度较高。

4 白音华三号矿凸台边坡稳定性分析

主要通过FLAC3D软件实现凸台边坡稳定性分析。其求解过程采用显示有限差分格式，人机交互界面易于操作。针对应力场的控制微分方程进行求解，既不需要像极限平衡法一样通过迭代求解，也不需要通过刚度矩阵，只需借助建立相应的本构关系，直接由应变求解应力。

建立的凸台边坡三维数值模型如图5。

图5 白音华三号矿凸台边坡三维计算模型

模型总高度为540 m，模型计算忽略岩体内部的构造应力仅在纯重力作用下求解平衡，设置加载方向为竖直向下的重力加速为9.8 m/s2，对研究区域模型底面边界固定x、y、z 位移，顶面设定为自由面，左侧和右侧边界水平位移限制x 方向的水平位移；前、后两边界限制y 方向的水平位移。模型的z 方向竖直向上；x 轴正向指定为大地坐标系的“东”方向，即为模型的右侧；正y 方向对应于大地坐标系的“北”方向，即指向边坡的背面。

首先基于弹性本构模型求解凸台边坡的初始地应力，获得初始地应力后基于摩尔－库伦弹塑性本构模型求解边坡的主要破坏区域。当模拟中的最大不平衡力与典型内力比值下限达到10－5时，认为系统达到平衡。

初始平衡状态最大主应力如图6，初始平衡状态最小主应力云图如图7，初始平衡状态最大剪应力云图如图8。

图6 初始平衡状态最大主应力云图

图7 初始平衡状态最小主应力云图

图8 初始平衡状态最大剪应力云图

由图6 可知：初始平衡状态最小主应力随深度增加而增加，等值线方向近乎与边坡平行，在边坡内部最大主应力方向与重力方向一致，在临近坡表位移变为与坡面平行。

由图7 可知：初始平衡状态最小主应力随埋深增加逐渐增大，同一水平靠近边坡的位置应力小，远离边坡的位置应力大，最小主应力的方向在坡体内部一般为水平方向，而在临近坡表调整为与坡面垂直。

由图8 可知：坡面顶部剪应力较小，坡脚处出现了剪应力集中现象。

边坡塑性区分布可以反映边坡的破坏，凸台边坡塑性变形区域分布如图9。

图9 凸台边坡塑性变形云图

由图9 中可以看出边坡局部产生了塑性变形，塑性变形主要集中在凸台边坡北面及西面边坡坡底处，凸台南面边坡坡底的高程较北面坡底较高，凸台南面边坡相对于北面边坡高度较小，因此在凸台南面边坡底部产生的破坏明显少于北面边坡底部；凸台边坡北面与西面的转角处边坡产生破坏较为严重，原因是凸台北面与凸台相向的边坡为开采边坡，开采边坡的存在使得在凸台北面与西面边坡底部转角处形成了应力集中，在该区域由于应力集中，底部岩体极易产生破坏，同时现场再该区域观察到明显的底鼓现象，也验证了应力集中现象的存在；此外在凸台边坡顶部有部分塑性区产生，这些区域与现场变形较大的区域基本吻合，验证了模拟的准确性，同时为边坡监测及生产提供了参考。

4 结语

基于白音华三号矿的地下钻孔信息及无人机航拍图信息，利用3Dmine 软件和Rhino 软件建立了白音华三号露天煤矿三维地质模型。通过新增的钻孔岩心数据验证了模型的准确性，通过与新增钻孔信息的对比认为模型能够相对较真实地反映矿山的岩土体空间分布特征。基于白音华三号矿的边坡三维数值模型和Flac3D软件研究得出边坡破坏主要集中在边坡坡底、凸台边坡坡顶和凸台边坡北侧转角处边坡，模拟结果与现场变形区相吻合。