河南省洛宁县吉家洼金矿工程地质建模

李海富 王 玲 郭勤强 陈伟华 郎 磊 王翊欣

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,河南 洛阳 471000;2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083)

固体矿山中的工程地质研究内容包括采矿工艺中涉及的地质体空间分布规律和工程地质特征调查,具体工作手段包括工程地质填图、岩石力学试验、地应力测试、爆破减灾试验等[1-4]。工程地质建模是应用三维地质建模技术,将地层、岩性、工程地质岩组、结构面、岩石力学特征等工程地质信息进行可视化,为后期的岩石力学模拟提供基础支持,同时也可以指导矿山设计和生产[2,5-9]。

传统工程地质研究成果可视化是借助CAD或GIS软件将调查研究成果展示在二维平面,随着三维建模技术的发展,GOCAD、Petrel、GeomModeller3D、GIS3D、Earthvision、Vulcan、Micrormine、Datamine、Surpac和Leapfrog等三维地质软件的应用推广,工程地质建模丰富了二维平面可视化方式,逐渐成为矿山设计和生产中的必要环节[10-12]。目前,工程地质建模的主流成果是实体模型(Wireframe),可以用来进行可视化,也可以用于FLAC、ABAQUS和Geostudio等软件进行岩石力学模拟[13-14]。然而实体模型只能用于定性观察矿区工程地质特征,由不同工程地质特征因素形成的多个实体模型之间缺乏有机联系。目前,形成块体模型表达空间任意一点的工程地质综合信息,是工程地质学研究的发展趋势[15-17]。

吉家洼金矿位于河南省洛宁县,矿山自1996年建成投产,历经20多年生产,创造了较好的经济效益和社会效益。随着开采深度加大,矿区工程地质条件逐渐复杂[18-19],采矿过程中出现安全作业条件差、矿石贫化严重等问题,亟须加强研究工程地质条件,优化采矿工艺。本研究在矿区工程地质调查的基础上,借鉴固体矿山三维地质建模流程和方法,利用Datamine和Leapfrog软件构建矿区工程地质模型,在主流实体建模的基础上,利用数据标准化、经验公式、克里金空间插值等方法构建矿区工程地质块体模型(Block),为开采作业中开拓巷道布置、采场尺寸和凿岩爆破等参数设计提供参考,为矿山安全、稳定、高效生产及精细化管理提供保障。

1 矿区地质概况

矿区位于华北板块南缘,洛宁县南部熊耳山多金属成矿带—上宫成矿带北西部,变质作用强烈,岩浆活动频繁,断裂构造发育,成矿条件优越,但工程地质条件相对复杂。矿区内出露或工程揭露的地层主要为新太古界太华群石板沟岩组(Arsb)、龙潭沟岩组(Arln)、龙门店岩组(Arlm)以及零星分布的第四系(Q)。石板沟岩组(Arsb)主要岩性为角闪斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩、浅粒岩、混合岩夹少量角闪岩、透辉角闪石岩、蚀变辉杆岩、滑石岩等。龙潭沟岩组(Arln)主要岩性为黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、浅粒岩等。龙门店岩组(Arlm)主要岩性为浅粒岩、斜长角闪片麻岩、角闪斜长片麻岩等(图1)[20]。

图1 吉家洼金矿矿区地质特征Fig.1 Geological characteristics of the mining area of Jijiawa Gold Mine

矿区内断裂构造较为发育,按其展布方向可分为近SN、NE、EW、NW向4组,而近SN向断裂是矿区的主要断裂,分布于矿区中部及西部,为后期破矿断裂,多为直立,局部反倾,断裂带内岩性多为碎裂岩、蚀变岩、泥砾岩。区内构造力学性质表现为张性—压扭性力学性质,具有多期构造活动叠加的特点[20]。

矿区内侵入岩主要为辉绿岩(βμ)和闪长玢岩(δμ)。辉绿岩呈岩脉、岩墙状产出,多数走向近EW,次为NW、NE向,少数呈NNE向;规模大小不等,最长约3 000 m,最短只有十余米,宽度最大为200～500 m,小者只有数十厘米,常有分枝现象,倾角为40°～70°,个别近直立;岩石呈暗绿色、深灰色,辉绿结构,块状构造[20];主要矿物成分为普通辉石和基性斜长石,次要矿物为角闪石、次闪石、绢云母、黑云母、绿帘石、绿泥石等,偶有石英出现。闪长玢岩分布于矿区南部边缘,呈岩基状产出;岩石呈浅灰色,半自形粒状结构、斑状结构,块状构造。主要矿物成分有斜长石(55%～60%)、角闪石(30%～40%),次要矿物有石英、绢云母、次闪石、辉石、绿泥石、黑云母、黝帘石等。闪长玢岩中斑晶为斜长石,含量为5%～15%,半自形—自形宽板状或短柱状晶体,粒度为(0.5×1.0)～(2×5) mm,大部分已强烈绢云母化、钠黝帘石化。

2 工程地质建模

工程地质建模的基础数据来源于矿山工程地质调查,其常用手段是对钻孔岩心进行工程地质编录和岩石力学测试,编录包含的内容较多,包含岩性、岩石蚀变、断层、节理频数和节理产状、岩石强度和岩石质量指标(RQD)等,岩石力学测试是采集不同的岩石样品,进行抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、弹性模量和泊松比等参数测定。

本次工程地质建模是在工程地质调查的基础上,构建岩性模型、断层模型和节理裂隙模型,其中岩性模型和断层模型包含实体模型和块体模型,节理裂隙模型只有块体模型,3个块体模型中各自工程地质参数经过经验公式和数据标准化转换形成工程地质块体模型,主要字段为ENZONE,其代表综合工程地质参数。

2.1 岩性模型

地层建模是根据钻孔编录资料,利用Leapfrog软件形成实体模型,再利用Datamine软件中进行块充填,形成块体模型。模型块尺寸为10 m×10 m×10 m,岩性字段编号为ZONE,代表工程地质参数,ZONE为1代表黑云斜长片麻岩,ZONE为2代表角闪斜长片麻岩,ZONE为3代表角辉绿岩(图2)。

矿区黑云斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、弹性模量和泊松比等岩石力学参数取值接近,而辉绿岩的岩石力学参数明显偏低,可能是由于辉绿岩一般发育较强的蚀变作用(图3和表1)。将角闪斜长片麻岩的抗压强度参数定义为100,黑云斜长片麻岩和辉绿岩的抗压强度参数分别定义为98和81,依次将抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、弹性模量和泊松比等岩石力学参数进行类似处理,然后将处理结果求平均值,获得的黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和辉绿岩的工程地质参数(ZONE)分别为97、100和79。

图3 矿区岩石照片Fig.3 Rock photos in the mining area

2.2 断层模型

断层建模只考虑矿区中部近SN向主要断裂,其他小的断裂位移较小,工程地质调查中以裂隙考虑。断层建模步骤为:① 建模过程是根据编录资料在剖面上连接断层;② 利用多个剖面的断层线形成断层面的实体文件;③ 提取实体文件三角网产状,形成断层产状点文件;④ 利用最近距离法获得三角网中心点与空间点的距离;⑤ 利用动态椭球体技术将距离标准化后赋予块体模型,搜索椭球体参数为100 m×100 m×10 m,最小样品为2,最大样品数为10。断层点文件属性为单一值,评估断层发育程度是利用空间点与断层的距离(TD),也就是断层块体模型中TD字段代表工程地质参数(图4)。

图4 折层块体模型及产状Fig.4 Block model and occurrence of fault

2.3 节理裂隙模型

节理裂隙建模步骤如下:

(1)对节理裂隙进行统计分析,编录节理裂隙密度按照每2 m节理裂隙数量计算,矿区节理裂隙密度最大为61,最小为1,两种片麻岩中节理裂隙密度类似,辉绿岩中较高,断裂带内最高(图5)。

图5 节理裂隙统计Fig.5 Statistics of joint fissure

(2)节理裂隙密度空间数据采用克里金法分析和拟合,结果如图6所示。沿不同方向变异函数拟合模型的块金值均为0.25,说明节理裂隙密度空间数据变异性较小,但沿不同方向的变程有明显差异,其中图6(a)中沿钻孔轨迹方向变程为62 m,图6(b)中沿358°∠-5°(相当于178°∠5°)方向变程为69 m,图6(c)中沿258°∠-65°方向变程为190 m,图6(d)中沿270°∠25°方向变程为61 m,说明数据各向异性明显,沿NE方向数据相关性最强,该方向也是模型分析中椭球体的长轴方向。

图6 矿体沿不同方向节理裂隙密度克里金分析Fig.6 Kriging analysis of joint fissure density in the ore body along different directions

(3)块体模型赋值,赋值方法为普通克里金法,搜索椭球体参数为200 m×200 m×50 m,最小样品为3,最大样品数为10。节理裂隙密度块体模型中FDENSITY字段为节理裂隙密度,代表节理裂隙密度块体模型的工程地质参数。

2.4 工程地质块体模型

工程地质块体模型是利用岩性(ZONE)、断层(TD)和节理裂隙块体模型工程地质参数(FDENSITY)形成工程地质块体模型的工程地质综合参数(ENZONE)。工程地质块体建模步骤如下:

(1)矿区工程地质块建模的前提是给岩性、断层和节理裂隙密度等工程地质参数赋予不同权重,而不同矿山的地层、断层和节理裂隙密度对于工程地质特征的影响各异,所占权重也不同。本研究利用每个权重比例下矿区的综合工程地质参数计算值与多个已知地区(采矿工程揭露地区)的实际值进行对比,发现30(地层权重)∶30(节理裂隙权重)∶40(断层权重)的赋值组合与已知地区的实际值吻合度最高,因此本研究工程地质块体建模中使用该权重比例。

(2)块体模型中断层和节理裂隙密度参数标准化。本研究参数标准化处理采用归一化法,目的是使得数据压缩在[0,1]以内。断层中工程地质参数(TD)为标准化参数乘以其权重(40),节理裂隙密度中工程地质综合参数(FDENSITY)为标准化参数乘以其权重(30)。

(3)地层、断层和节理裂隙密度的标准化工程地质参数相加形成综合工程地质参数。工程地质块体模型中ENZONE字段代表综合工程地质参数(图7)。

图7 工程地质模型Fig.7 Engineering geological model

3 工程地质模型应用

矿区工程地质模型在指导采矿生产方面发挥着重要作用,尤其在开拓工程、采场尺寸和凿岩爆破参数选择等方面,可以有效修正经验参数,既有利于安全生产,又有助于节约生产成本。

根据模型计算值与多个已知地区(采矿工程揭露地区)的实际工程地质条件,将模型ENZONE值划分为4个等级,大于90为好,80～90为较好,60～80为较差,小于60为差。该矿区工程地质模型显示SN向断裂两侧ENZONE的值低,为0～60,工程地质条件差;断层下盘84800N两侧和断层上盘85300N两侧ENZONE值约60,工程地质条件较差,开拓工程设计中应尽量避免ENZONE值小于60的地区。目前生产中,在工程地质条件较好地区,ENZONE值约70,采场尺寸为40 m×20 m×5 m(长×宽×高),当ENZONE的值减少到60左右时,采场尺寸应减小到20 m×20 m×5 m(长×宽×高),相应的单位体积穿孔和装药数量也应适当减少。

4 结 论

在吉家洼金矿工程地质调查的基础上,构建了岩性、断层和节理裂隙密度的实体模型和块体模型,同时形成了工程地质块体模型,为矿山安全、稳定、高效生产及精细化管理提供了保障。所得结论如下:

(1)将矿区岩性、断层和节理裂隙的定性或定量参数进行标准化赋值,获得矿山工程地质块体模型。模型中岩性数据使用标准化后的岩石力学参数,断层使用动态椭球体技术和距离幂次反比法估算空间点与断层的距离,节理裂隙密度使用克里金插值。

(2)为矿区地层、节理裂隙和断层分别赋予权重30%、30%和40%,并将数据标准化后相加形成工程地质块体模型,用ENZONE字段表示,代表工程地质综合参数。构建的吉家洼金矿工程地质模型显示矿区SN向断裂两侧、断层下盘84800N两侧和上盘85300N两侧ENZONE值偏低,约为60,预示工程地质条件较差,后期矿山设计和生产中应予以重视。