矿山顶板冒落危险性预测可视化模型研究

王子健 Matheus M Kanime 程五一 赵 贞

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；2.世纪万安科技(北京)有限公司，北京 100029)

由于非煤矿山开采深度的增加，顶板冒落事故有增多的趋势。为了更好地进行深部开拓采场的顶板管理，许多学者从顶板事故原因分析出发，利用模糊综合理论、顶板监测法，从顶板事故影响因素中选取相应指标，构建模型划分顶板冒落危险性高中低区域，并根据危险性高低进行管理的方法，取得了较不错的成果[1-6]。然而多数非煤矿山顶板冒落危险性区域划分图多为平面图绘制，由于地下矿山具有隐伏性强、空间分布特征规律性差等特点，给矿山的顶板管理带来不小的困难。因此如果能够建立矿山的三维空间模型，将顶板冒落危险性区域图立体地展现出来，对非煤矿山顶板管理具有重要的指导意义。

本研究利用Surpac软件，结合相山某矿实际开采情况，基于大量钻孔等勘探资料，绘制了该矿山的可视化模型，并将该矿顶板冒落危险性评价结果与Surpac相结合，绘制出该矿山顶板冒落危险性的可视化模型，对类似工程有重要指导意义。

1 矿区地质概况

矿床地层的基底由震旦系千枚岩及云母石英片岩组成；盖层所含岩石种类较多，主要为上侏罗统打鼓顶组、酸性火山熔岩、陆相碎屑沉积岩、局部夹火山碎屑岩等。

矿山地质构造复杂，断裂构造等十分发育，矿床内主要的断裂构造为区域性继承式华夏系邹家山—石洞深断裂带，特点为多期活动，晚期为压扭性活动。

矿床工程地质条件较好，基岩致密坚硬，裂隙不发育，稳固性较好，极限抗压强度为79.15～158.65 MPa。矿山浮土分布范围不大，主要分布在沟谷地带，局部见于山坡。除沟谷中厚度稍大外，一般厚度1～5 m。氧化带平均深度21 m，近断裂处裂隙发育，氧化带大多发育较深。

47～61勘探线施工钻孔193个(其中分支孔16个)，本地段矿体规模、形态及其变化的基本特征是中、小矿体数量多，多成脉状、透镜状，少数为囊状，其形态比较复杂。

2 矿山顶板冒落危险性可视化模型构建

2.1 可视化模型构建流程

澳大利亚SSI公司开发的Surpac 软件是一款三维可视化系统[7]，该软件应用广泛，可以应用于矿山生产的整个周期，通常用于矿产资源评估及矿山采矿规划与设计等。

矿山顶板冒落危险性可视化模型构建主要流程有：①原始地质准备；②导入到地质数据库；③工程轨迹的三维显示；④地表模型的建立；⑤圈定矿体的边界；⑥构造矿体三维实体模型；⑦对不同危险性矿体进行着色；⑧构造矿山顶板冒落危险性可视化模型。具体的矿山顶板冒落危险性可视化模型构建流程见图1。

图1 矿山顶板冒落危险性可视化模型构建流程Fig.1 Visualization model constructionprocess of roof caving hazard

2.2 创建地质数据库

矿山地质数据库是三维地质建模的基础和前提。钻孔数据的显示和统计分析、实体模型建立等都离不开地质数据库。数据库由“表”和“字段”组成。一个数据库中存在若干表，而每个表中存在若干字段，每个字段都有相应的数据格式。对数据库格式分析完毕后，Surpac端快速地创建一个数据库框架，并导入数据[8]。

为构建钻孔地质数据库，对原始资料进行了数字化处理，按照地质数据库的格式要求，建立了钻孔表(Collar)、测斜表(Survey)、岩性表(rock)3个表。其中：钻孔表是用来记录钻孔信息，由于是三维地质模型，在钻孔表中添加了Z方向坐标以及最大深度。整理的钻孔表如表1所示(表中坐标已进行处理)。

表1 47～61勘探线部分钻孔数据Table 1 Partial borehole data of line 47 to 61 m

测斜表记录钻孔的行进方向的测斜信息，可以完整记录钻孔的走向，其中根据实际情况，认为倾角应该为负，符合实际情况，所以对于倾角进行转换，如表2所示。

表2 47～61勘探线部分测斜数据Table 2 Partial inclinometer data of line 47 to 61

岩性表是表明矿山的岩石和矿石的分布，由于45线到47线的岩性有缺漏，故采用47线到61线的岩性，其中A代表矿石，B代表岩石。矿山所整理的岩性表如表3部分所示。

表3 47～61勘探线部分岩性数据Table 3 Partial lithology data of line 47 to 61

2.3 矿山地表模型的建立

表面模型是Surpac软件的基础，主要形成彩色地图以及地貌图。一般地表模型建立需要以下几个步骤[9]：

(1)通过AUTO CAD软件构建数字化地质地形图。

(2)将地质地形图转换为Surpac中的线文件，把各聚集点、交叉点等进行消除，将线文件变为平面线文件，各等高线的高程值为零。

(3)利用Surpac软件将各等高线的Z坐标赋值并闭合，从而完成等高线线文件的“立体”转换。

(4)利用线文件建立地表模型。

按照上述步骤构建矿山地表模型如图2所示，钻孔与地表对应关系如图3所示。

图2 矿区地表数字化模型(自由视角，按Z值着色)

图3 矿区钻孔与地表对应关系(俯视视角，按Z值着色)

2.4 矿山实体模型的建立

实体模型是用来描述三维空间的物体，是矿山顶板冒落危险性区域划分可视化模型建立的基础，矿山矿体实体模型建立过程如下：

(1)根据原始钻孔资料，并结合岩石性质等重新地质解译矿山47～61勘探线各剖面的矿体范围和各地质界线。

(2)通过勘探线切剖面，在三维空间里圈定各剖面矿体边界线及其他地质解译线，各剖面的矿体解译完成后，将各勘探线的解译线合成一个线文件，并置于三维空间，即形成各剖面矿体的解译线(如图4所示)。

图4 矿体55剖面部分解译线Fig.4 Partial interpretation line of 55 section of ore body

(3)根据矿体外围轮廓线，大致圈定矿体赋存范围，结合矿山实际，确定连接原则，并以此圈定矿体的精确范围(如图5所示)。

图5 矿体55剖面部分实体模型Fig.5 Partial solid model of 55 section of ore body

(4)根据矿体解译线完成矿体的三角网连接，然后要对矿体实体模型进行“实体验证”，验证实体为真，保存为“dtm”格式的实体模型。验证为假，修改信息使得验证为真，矿山所得实体模型图如图6所示。

图6 矿区矿体实体模型(俯视)

2.5 矿山顶板冒落危险性可视化实现

为了建立矿山顶板冒落危险性可视化模型，在矿体品位分析功能上进行二次开发，笔者首先利用Fisher准则判别分析法建立顶板事故预测数学模型对矿山47～61勘探线矿区进行了危险性预测，并将钻孔划分为危险与非危险钻孔，类别分别为1、2，如表4部分所示(表中坐标已经过处理)。

表4 矿山47～61勘探线顶板冒落危险性部分预测数据Table 4 Roof caving hazard prediction data of line 47～61

为了矿山矿体实体模型中将顶板事故危险区域凸现出来，设置存在顶板事故危险区域的矿体显示为红色，不存在顶板事故危险性的矿体显示为绿色。利用Surpac的着色功能将对矿山矿体进行着色，如图7所示，将着色好的矿体与矿山地表模型以及实体模型结合，如图8所示。

图7 矿山矿体危险区域预测模型Fig.7 Prediction model for dangerous area of mine body

图8 矿山矿区地表、矿体对应关系Fig.8 Relationship between the surfaceand the ore body of the mine area

3 结 论

(1)基于钻孔数据，应用Surpac软件，构建了矿山钻孔三维信息可视化立体模型，将地下隐蔽工程三维可视化，使得矿山空间分布特征更加直观明了。

(2)结合矿山顶板冒落危险性预测结果，将矿山顶板分为危险区域以及安全区域，并分别着色以示区分，利用Surpac软件二次开发功能，构建矿山顶板冒落危险性预测可视化模型，实验结果显示，模型清楚直观地显示矿体的危险性，方便矿山管理人员进行顶板管理。本研究的探索性尝试,对类似工程实践具有重要指导意义。

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