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三维建模技术在露天矿土质边坡研究中的应用
2018-09-20
由于露天矿山土质边坡土体强度低、孔隙度大,地下水易富集和渗流以致更易发生滑 坡。针对巴润露天矿山土质边坡稳定性差和地下水患严重的问题,以边坡“水、土” 作为研究中心, 通过将二维地勘资料进行三维转换,建立矿区第四系三维可视化模型,并进行矿区土体厚度、基岩 面起伏形态、基岩面坡度坡向等分析。结果表明,巴润露天矿第四系土层变化复杂,具有厚度深、多 向坑内倾斜、坡度大的特征,这些不利因素造成了巴润矿地下水富集和土质滑坡频发。综合现有边 坡滑体区域可以发现,除2#和3#滑体外,其余滑体均位于土层厚度大或坡度大区域。结果对于今 后矿山边坡维护和后期采矿设计具有重要的指导意义。
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对于露天边坡而言,软硬岩组、断裂构造、地下水等问题一直是影响露天矿山边坡的关键因素[1],但对于一些第四系厚度较大、分布范围较广、变化较快的露天矿山,土质边坡由于其自身土体强度低、孔隙大,地下水易富集,因此土层较厚区域边坡常常极易发生滑坡。此外第四系土层发育的露天矿山,采场水患常常较为严重。由于土质边坡常常处于矿山边坡高位,下部基岩更易风化,地下水易于向坑内渗流,造成露天矿坑地下水患发育,影响采场生产。综上所述,对于土质边坡问题可以说是“水、土”问题。以往针对露天矿山边坡问题多集中于构造和岩性的影响,而对于一些土层较厚的露天矿山对于第四系土层的研究较少,但由于土层引发的边坡“水、土”问题常常给矿山带来极大困扰。

传统的露天矿山边坡研究主要采用平面图和剖面图,其做法是将边坡空间地层、地貌、构造等地质信息投影到某一平面上进行计算分析,但此方法往往存在直观性差、制作过程复杂繁琐、图像失真扭曲严重等诸多不足。矿山采矿活动是一个三维空间时间的动态活动,利用三维可视化建模技术使得理解空间地质信息更加逼真直观[2~4],通过强大的可视化技术可提高对复杂地质条件的理解和判定,减少了图像的扭曲失真[5],此外通过三维地质建模减少对复杂模型进行近似计算,提高了数据分析的准确度,尤其是采用一些强有力的空间地质统计分析方法和空间变化交互式分析工具是地质数据分析可靠性和准确度更高,灵活性更强[6]

1 研究区情况

位于包头市白云鄂博的包钢集团巴润露天铁矿现已开采近十年,矿石年产量1500万吨。近几年来,随着开采深度和开采强度的不断增大,露天边坡发生大小滑坡已达十余起,其中五处滑坡位于采场固定斜坡路的上方或下方,直接影响到生产的正常进行,同时威胁着生产作业的安全,给包钢集团巴润露天铁矿造成极大困扰。在这十几起滑坡中近三分之一为地下水所导致的土层抗剪强度过低引发的圆弧形滑坡。这些土质滑坡地下水富集,土体强度低,边坡治理难度大,花费较多。若能查清露天矿区边坡土层地质分布特征,采取针对性稳坡和治水方案,将能极大提高露天矿边坡的安全性,此外也能一定程度地降低露天矿采场水患,将对今后类似矿山建设具有十分重要的意义。

2 露天矿山土体三维地质建模

2.1 地质剖面图二维三维转换

本次第四系三维地质建模主要采用地质剖面图提取第四系和地表信息建立三维模型,但原始地质剖面图等地质资料都是二维图件(如图1),无法直接进行三维分析。因此将二维地质剖面图转化为三维地质剖面是三维建模的必须环节。本次三维建模地质剖面图三维转换工作先将地质剖面进行YZ坐标互换,再选取地质剖面图和勘探线工程布置图对应点坐标进行平面两点坐标转换,这样就实现了将二维剖面图转换为三维剖面图(如图2)。

二维地质剖面图

图1 二维地质剖面图

地质剖面图二维三维转换

图2 地质剖面图二维三维转换

2.2 矿区土层三维建模

在传统露天矿山边坡研究中,常常采用二维剖面图反映边坡地质体变化规律。但是土质边坡土体和地下水常常纵向和横向上均有较大差异,无法形象直观准确表示地质体的空间位置及形态,且效率低,直观性差,难以实现露天矿山边坡的有效治理和采矿设计的规划。

本次三维可视化地质建模是将二维地质剖面图进行三维转换后提取相关第四系顶底界面,采用三角网法建立第四系三维可视化地质模型(如图3)。从中可以十分直观准确地研读原始地表的起伏变化和第四系地层的空间起伏形态和厚度变化趋势。从图中发现矿区第四系变化十分复杂,多向坑内倾斜,厚度呈现中间厚两边薄的趋势,厚度多在10~20米左右,但存在多处第四系厚层区,最厚处达170余米。

矿区土层三维模型

图3 矿区土层三维模型

3 分析

3.1 土体厚度

土体厚度是影响第四系边坡稳定性的关键因素之一。露天矿区土体厚度大,一方面,采矿生产剥岩土方量较大,成本较高;另一方面,土体厚度大区域,地下水更易储水富集,土体强度本身就低,造成土体厚度大区域边坡稳定性常常较差。本次在第四系三维可视化地质模型基础之上根据土层的顶底界面计算第四系的厚度,绘制第四系厚度等值线图。从图4可以看出巴润露天矿区土层厚度差异十分大,从5~170米不等。矿区大多数区域土层较薄,厚度多少于15米,但在东西采场结合部厚度均较大,最厚处在100米以上。根据现有滑体区域分布和土层厚度的对比关系可以看到,5号和8号滑体均位于土层厚度较大处。

土层厚度值线与滑体区域对比

图4 土层厚度值线与滑体区域对比

3.2 基岩面地形分析

地形分析是数字地形模型的一种重要方法,可以从三维第四系土层模型属性中可提取各类地形参数和特征,以对基岩面起伏形态作直观和定量分析[7],下面着重介绍基岩面起伏形态和坡度坡向指标的提取。

基岩面起伏形态利于地下水的渗流和滑坡的形成[8]。据相关资料统计,很多土层滑坡其滑面多为基岩面,此外边坡基岩面过低将会对矿区深部开采边坡稳定性十分不利。因此确定基岩面的起伏形态是十分必要的。通过第四系土层三维地质模型计算基岩面起伏形态。从图5和图6可以看出除2号和3号滑体其他区域均为低凹处,其中5号滑体和8号滑体东侧基岩面最低高程在标高1500米之下,为一巨厚土层凹陷区。此区域土层极厚,边坡不会随着开采深度的不断推进变得越发稳定。

基岩起伏等值线与滑体区域对比

图5 基岩起伏等值线与滑体区域对比

基岩起伏立体图

图6 基岩起伏立体图

坡度是表征物体表面倾斜陡峭程度的指标,数学上严格讲是任一点切平面与水平地面的夹角。坡向是表征倾斜面的朝向,表示表面某处最陡的倾斜方向[9。坡向常常以度为单位,正北方向为0度,沿顺时针方向,正东方向为90度[10]

         (式1)

                 (式2)

式中为坡度,为坡向,fx是x方向的高程变化率,fy是y方向的高程变化率。

根据基岩面起伏形态提取基岩面的坡度和坡向因子。坡度越大的地方,地下水下蚀能力越强,边坡越容易滑坡,此外若基岩面坡向与边坡坡向一致时也越容易形成滑坡和地下水渗流。在基岩面低凹坡度较大处土层较厚,同时地表水和大气降水等水源也更容易汇集。由于研究区为一大向斜构造,基岩面多为向坑内倾斜,土质边坡稳定性更弱,地下水将会沿着基岩面凹陷向坑内富集渗漏。从图7和图8可以看出矿区土层局部坡度在15度以上,土层较厚的区域,边坡基岩面坡向与边坡坡向基本一致,多向坑内倾斜,其坡度较陡,多在15度以上,因此巴润矿这种独特的第四系土层特征造成地下水更易富集,土质滑坡频发的现象。

基岩面坡向图

图7 基岩面坡向图

基岩面坡向图

图8 基岩面坡向图

4 结 论

通过地勘资料提取第四系信息建立第四系土层三维模型。在此基础上提取土层厚度、基岩面起伏、基岩面坡度和坡向等信息。研究发现巴润露天矿第四系土层变化复杂,具有厚度深、多向坑内倾斜、坡度大的特征,这些不利因素造成了巴润矿地下水富集和土质滑坡频发。综合现有边坡滑体区域可以发现除2号和3号滑体外,其余滑体均位于土层厚度大或坡度大区域。因此研究第四系土层的变化对于露天矿边坡和地下水防治具有重要作用。

 



作者:王蒙 何滔 常建平(内蒙古科技大学矿业研究院)本文发表于《现代矿业》2018年第8期

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