基于Rhino 和3Dmine 的露天煤矿边坡三维数值模型构建

杜昌华，宋景辉，张传伟，刘籽钰，吴建圻

（1.昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650011；2.云南省煤炭产业集团有限公司，云南 昆明 650032）

露天矿是一个以采掘为中心的大型生产系统[1]。随着露天矿开采规模的不断扩大，露天矿开采深度不断增加，其边坡高度也在加大，滑坡失稳现象逐年增多[2-3]。露天矿边坡的高陡化也使边坡安全问题日益凸显，不稳定的边坡具有潜在的滑坡危险。因此，在追求更高资源回采率的同时，保证露天矿的安全生产成为一项最重要挑战[4]。工程人员在进行三维边坡分析时大多采用单一软件建模，导致对边坡模型大幅度简化，使分析结果偏离实际[5-7]。

现有的建模软件各有所长，软件间联合建模的处理方式会让软件优势互补，从而高效地实现露天矿复杂三维地质模型的精细建模[8-9]。为此，以我国某露天煤矿为例，进行基于Rhino 和3Dmine 的三维边坡模型的构建及验证分析。

1 建模思路与流程

1）建模思路。经人工开挖后的露天矿三维边坡模型不同于普通地质模型，实现精细化露天矿三维边坡模型的构建必须针对露天矿地质及工况特点，选用针对性的建模平台。露天边坡的三维空间的特殊性可归纳为地表形态与地形平滑过渡的天然边坡不同，露天矿边坡表面经采矿活动改造，地表起伏突出、棱角分明，而地层相对平滑。因此，针对露天煤矿空间上的主要特点，选用曲面处理能力强大的Rhino 软件和地层建立便捷的3Dmine 软件分别处理地表及地层模型，再将3Dmine 建立的DTM 地层模型，经由Rhino 软件处理为Nurbs 模型，完成网格的划分及输出，最终完成露天煤矿三维数值模型的建立。

2）建模流程。矿体三维模型的建立，有2 种常见方式：①实测资料较少、未确定开采方案及计划部分占整体的比例很大等不确定条件较多的情况，这种情况下建模方式主要基于勘探线剖面图，辅以各中段平、剖面图和垂直勘探线的剖面图修正，以从右至左或从左至右的空间顺序建立三维模型；②已有调查资料较多，多数地质情况已知的条件下，基于中段平、剖面实测图和激光扫描的矿体表面模型或矿体地形图，辅以勘探线剖面修正，以从上至下或从下至上的空间顺序建立三维模型。

2 三维模型的建立

利用Rhino 和3Dmine 分别建立的地表面及地层面模型如图1。

图1 地表及地层模型的建立

在Rhino 中，可以创建由多曲线定义的近似Nurbs 曲面。首先对导入的地形数据进行预处理，建立Nurbs 地表模型，并对网格面编辑、调整模型坐标系位置及确定模型边界等操作，即可方便快捷地得到未划分地层的露天煤矿地表模型。

DTM 模型是以三维等高线为约束条件来展现接近实景地貌的一种模型，可直接利用钻孔数据，采用不规则的三角网自动连接生成地层面，利用3Dmine 可方便快捷地完成前期地层模型构建。地层模型建立完毕后，导入Rhino 将DTM 模型处理为Nurbs 模型，并调整边界、编辑网格面，3Dmine 地层模型就可为Rhino 所用。这种地层建模方法适用绝大多数复杂地质条件的建模，且可对分别每个地层分别建模，进行网格编辑。

模型导入Rhino 中曲面均需要转换为Nurbs 曲面。基于Nurbs 的曲面差值法，具有计算效率高、操作简洁等优点，可描绘复杂的曲面和曲线，提高模型整体或局部的连续性，提供多种网格单元需求，降低畸形网格和节点的出现频率，在处理具有较多台阶起伏的露天煤矿边坡地形方面有优异的效果。利用Rhino 划分地层后的体模型如图2。

图2 划分地层后的体模型

3 案例分析

模型建立后，可根据不同研究目的进行分析，对其定义本构模型、边界条件和初始条件之后，可进行三维数值计算。现以某露天煤矿为例对此方法所得模型进行试算分析，以确定此方法的可靠性。

位移计算结果如图3，剪应变增量云图如图4。

图3 位移计算结果

图4 剪应变增量云图

由图3 位移计算结果可知：滑体上部沉降最为明显，下部底鼓趋势明显，而1 断层附近沉降微弱，1断层附近岩体沿1 断层走向错动，发生沿西北方向的剪切滑动，与现场情况吻合。且由水平位移云图可知，x 和y 方向位移量相差不大；综合位移计算结果可以明确得出，此露天煤矿边坡潜在滑体滑动方向为西北-东南方向。

由剪图4 应变增量云图可知：滑体形态大致为“倒心形”，滑体后缘位于1 断层附近，前缘位于2 断层附近；1 断层对东帮稳定性施加影响的范围主要为其拐角以西部分，其余部分对东帮稳定性影响微弱；2 断层剪应变增量贯穿于整个断层，但增量远小于1 断层。因此推断1 断层对控制此露天煤矿边坡潜在滑体的稳定性起决定作用，2 断层处剪应变增量主要是上部岩体的滑动挤压所产生，对潜在滑体稳定性影响较小。

为了研究断层附近岩体在失稳过程中的变形情况，对两断层的上下盘各设置1 条以西侧为起始点、沿断层走向的监测线。断层附近岩体位移曲线如图5。

图5 断层附近岩体位移

由图5 可知：1 断层上盘水平位移小于下盘水平位移，而竖向位移相差较小；说明失稳时，1 断层发生沿着西北-东南方向的剪切破坏，且1 断层下盘较上盘水平方向移动更为明显，1 断层两侧岩体在失稳时将发生错动；2 断层上盘与下盘水平位移量几乎相同，因此2 断层上下盘在滑坡过程中几乎没有发生错动，这与前文根据剪应变计算结果所进行的推断相吻合。

二维分析剖面的确定应首先确定潜在滑动面的范围及主滑方向，这样得出的计算结果才是可靠的。由变形分析结果可知，潜在滑体滑动方向为西北-东南方向，而现有7 勘探线剖面为北-南方向，并非潜在滑体的主滑方向，因此以现有7 勘探线剖面进行二维边坡稳定性分析将变相约束潜在滑体的西-东方向的位移，使计算结果偏于安全，给本露天矿的安全生产埋下隐患。

4 结语

针对露天煤矿边坡人工地表起伏突出和自然地层相对平滑的几何特点，介绍了一种高效建立露天煤矿边坡三维数值模型的方法，并以某露天煤矿边坡为例分析验证。此建模方法能够根据不同工况，提供多种网格单元需求，降低畸形网格和节点的出现频率，兼顾露天煤矿边坡有较多台阶起伏的人工地表和相对平滑的自然地层组合的特点。建模全程三维可视，可在任一阶段进行模型修改，容错率高。通过工程实例验证利用此建模方法作为数值分析的前处理手段，所获得的计算结果可充分体现边坡的三维效应，对露天矿边坡三维分析具有一定参考价值。