基于線框模型的復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)

基于線框模型的復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)

1復(fù)雜地質(zhì)體精細數(shù)值模型的建立技術(shù)有限差分法和有限差分法在土木工程和地質(zhì)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是一種不可或缺的分析工具。然而,由于缺乏模擬復(fù)雜地質(zhì)體實際的工具,用戶在建立復(fù)雜地質(zhì)體模型時往往需要進行大量的簡化,因此,經(jīng)常出現(xiàn)計算模型與地質(zhì)體實際嚴(yán)重不符,從而在很大程度上降低了計算結(jié)果的可靠性。國外已經(jīng)涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的三維建模及可視化軟件,并已應(yīng)用在采礦、巖土、石油等領(lǐng)域。常見的軟件有Surpac、Datamine、GoCAD、GemCom、EarthVision、Micromine等。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代以來,在采礦工程中的三維地質(zhì)可視化技術(shù)也取得了較大發(fā)展,常見的三維地質(zhì)建模軟件有:北京理正研究院的三維地質(zhì)建模軟件、北京東澳達科技有限公司的3Dmine。中南大學(xué)王李管等在分析國內(nèi)外三維地質(zhì)建模軟件優(yōu)缺點和調(diào)查國內(nèi)礦山需求的基礎(chǔ)上,開發(fā)出的一整套專業(yè)礦山應(yīng)用解決方案Dimine。地質(zhì)軟件的出現(xiàn),解決了復(fù)雜地質(zhì)體三維建模的難題,并廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、采礦、水利等巖土領(lǐng)域[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。羅周全等利用礦業(yè)軟件Surpac建立了多個復(fù)雜礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)模型,為礦山進行采掘計劃、安全監(jiān)管及評價提供了重要的基礎(chǔ)。但上述軟件基于不同的界面平臺,且生成的三維地質(zhì)可視化模型缺乏與通用數(shù)值計算軟件的結(jié)合。可視化模型與數(shù)值模型的轉(zhuǎn)換,仍然是亟待研究的熱點。因此,如能讓數(shù)值模擬直接繼承和利用復(fù)雜地質(zhì)體模型數(shù)據(jù),則可大大簡化數(shù)值模擬前處理的難度,解決由于簡化模型帶來的計算結(jié)果可靠性不高的難題。近年來國內(nèi)外開展了一系列相關(guān)問題的研究,如文獻提出了基于Surpac的復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型生成技術(shù),文獻則通過實例研究了3DGIS與3DEC離散元的集成。眾多文獻在模型轉(zhuǎn)化中均進行了模型簡化,致使數(shù)值計算模型與地質(zhì)模型不完全相符,因此,本文在研究相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上,提出了基于Surpac與MIDAS/GTS的復(fù)雜地質(zhì)體三維數(shù)值模型的集成方法,建立三維精細數(shù)值模型,并在冬瓜山銅礦復(fù)雜采空區(qū)群圍巖穩(wěn)定性研究中驗證了其有效性和實用性。2surpac復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型2.1生成tin的方法線框模型(wireframemodel)是一種表現(xiàn)實體表面形態(tài)的方法,它既可以用于表現(xiàn)地形、巖層層位面等不封閉的實體(稱為DTM模型),也可以用于表現(xiàn)礦體、不同巖性區(qū)域等封閉的實體(3DM)。普遍采用的線框模型是用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)來逼近實體的表面形態(tài),而生成TIN的方法則主要采用Delaunay三角形連法,其基本原理是:由隨機分布在空間不同位置的數(shù)據(jù)點連接三角形,而每一個三角形的外接圓不會覆蓋除構(gòu)成該三角形3個頂點之外的其他任意點,如圖1所示。塊體模型采用八叉樹結(jié)構(gòu)來表達三維地質(zhì)體的空間分布,其基本思想是將地質(zhì)體的空間幾何模型按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊,然后對整個地質(zhì)體范圍內(nèi)的單元塊進行賦值?？臻g八叉樹結(jié)構(gòu)與一維的二叉樹和二維的四叉樹類似,是一種空間非均勻網(wǎng)格剖分方法,該方法將含有整個域的空間長方體按3個方向分割成8個子長方體網(wǎng)格,組織成一棵八叉樹。若某一子長方體網(wǎng)格中所含景物面片數(shù)大于給定的閾值,則為該子長方體作進一步的剖分,直至八叉樹每一個葉子節(jié)點所含面片數(shù)均小于給定的閾值為止。2.2塊體模型與線框模型邊界對比線框模型和塊體模型是Surpac表達地質(zhì)體三維模型的兩種方式?；诰€框模型的建模特點,能完整地描述巖體空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)和空間邊界,準(zhǔn)確表達地表、巖層、礦體、空區(qū)、斷層、節(jié)理三維結(jié)構(gòu)等,但線框模型之間及模型內(nèi)部空間在軟件內(nèi)無法實現(xiàn)單元剖分,使得導(dǎo)出的數(shù)據(jù)還需另外重新剖分,因而過程復(fù)雜,實現(xiàn)難度大。塊體模型是在線框模型基礎(chǔ)上,對線框模型之間以及線框模型內(nèi)部運用規(guī)則六面體進行剖分,盡管能逐層分級,直到次級塊大小足夠小,滿足精確模型邊界問題,但剖分時由于單元類型只能是六面體,單元大小只能是倍數(shù)關(guān)系,因而網(wǎng)格屬于規(guī)則均勻網(wǎng)格,不能實現(xiàn)漸變單元,這將導(dǎo)致塊體模型邊界與線框模型邊界無法完全重合,塊體模型邊界呈齒狀,從而使模型精度大大降低。圖2為Surpac線框模型與塊體模型邊界對比,由圖中可清楚看出,模型間邊界位置相差較大,塊體模型邊界不能完全與線框模型邊界重合,如采用塊體模型進行數(shù)值模擬,模擬精度可想而知。另外,塊體模型由于只能是均勻網(wǎng)格,這無形中增加了模型網(wǎng)格、節(jié)點數(shù)量,計算時間加長。綜上所述,與塊體模型相比,線框模型為模擬復(fù)雜地質(zhì)體的最佳模型,使GTS復(fù)雜地質(zhì)體模型直接繼承和利用Surpac三維復(fù)雜地質(zhì)線框模型,既能簡化數(shù)值模擬軟件前處理難度,又能滿足模型精度。3midas/gts計算以往建立的數(shù)值計算模型中很難準(zhǔn)確反映線框模型的實際形態(tài),大多簡化為規(guī)則平面代替,從而簡化模型構(gòu)建。顯然,如此處理線框模型不符合地質(zhì)體實際形態(tài),也無法通過數(shù)值模型求的線框模型邊界上及模型相交位置的應(yīng)力場、位移場等重要信息。MIDAS/GTS是專用于巖土和隧道結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的有限元分析軟件。通過研究Surpac與GTS對線框模型各自表達的特點,研究了將Surpac中線框模型無縫轉(zhuǎn)換為GTS數(shù)值模型的方法。3.1地表模型的精確表面模型用來虛擬地形和表面,一般由一系列離散的、稀疏的、空間上分布不均勻的散點組成,將點聯(lián)成若干相鄰的三角面,然后形成一個三角網(wǎng)隨著地面起伏變化的單層模型,可以精確地表示模型的邊界。如在Surpac中建立的地表、巖層和斷層模型均屬于表面模型,而非線框模型。通常表面模型是一系列等密線通過點間三角網(wǎng)的連接組成,線的密集程度反映了表面模型的精確度,如在建立地表模型時,等高線的間距為1~10m不等,間距越小,所建模型越精確,但所需計算機內(nèi)存也越大。通過研究Surpac與GTS對表面模型各自表達的特點,成功將Surpac中表面模型無縫轉(zhuǎn)換為GTS數(shù)值模型。以地表模型為例,闡述其方法如下:(1)在Surpac中建立地表模型;(2)根據(jù)建模精度將地表模型生成一系列的等值線,如圖3所示;(3)編輯等值線并輸出為三維DXF線文件;(4)利用GTS強大的地形生成器TGM(terraingeometrymaker)直接讀取三維DXF線文件,確定建模范圍及精度,生成復(fù)雜不規(guī)則地表模型;(5)在GTS中直接讀取TGM建立的地表模型,通過坐標(biāo)平移或轉(zhuǎn)換形成GTS地表模型,如圖4所示。巖層和斷層模型在GTS中的實現(xiàn)過程與地表模型類似。3.2模型建立與預(yù)測設(shè)備表面模型通常只能表達開放物體的表面信息,如要表達封閉物體的全部形態(tài),則必須使用實體模型,如礦體、采空區(qū)和巷道模型均屬于實體模型。與建立表面模型方法不同,實體模型的建立更為復(fù)雜。Surpac中實測采空區(qū)實體模型無縫轉(zhuǎn)換為GTS數(shù)值模型方法如下:(1)采用加拿大采空區(qū)激光探測系統(tǒng)(cavitymonitoringsystem,CMS)現(xiàn)場探測采空區(qū);(2)實測采空區(qū)數(shù)據(jù)后處理,并在Surpac中建立實測的采空區(qū)實體模型,如圖5所示;(3)利用軟件模型剖分功能將實測采空區(qū)實體模型生成一系列平行的剖面線,剖面線密集程度直接決定后續(xù)模型生成的精度;(4)編輯剖面線并輸出為三維DXF線文件;(5)利用GTS接口程序直接讀取三維DXF線文件,通過坐標(biāo)平移或轉(zhuǎn)換,最終實現(xiàn)實測采空區(qū)模型在軟件中的再現(xiàn),如圖6所示。礦體模型在GTS中的實現(xiàn)過程與采空區(qū)模型類似。4工程實例4.1深孔階段空場樹后充填法冬瓜山銅礦是銅陵有色金屬公司的后續(xù)主力礦山,是目前已發(fā)現(xiàn)國內(nèi)埋藏最深的特大型銅礦山,礦體賦存于-690~-1007m之間。根據(jù)礦床開采技術(shù)條件,采用大直徑深孔階段空場嗣后充填和扇形中深孔階段空場嗣后充填法采礦方法,兩步驟回采礦房礦柱,先回采礦房,礦房膠結(jié)充填后再回收礦柱。首采區(qū)形成的礦房采空區(qū)經(jīng)空區(qū)激光探測系統(tǒng)(CMS)現(xiàn)場探測,數(shù)據(jù)經(jīng)處理建立復(fù)雜實測空區(qū)三維線框模型,準(zhǔn)確獲取采空區(qū)多維信息,包括體積、頂板面積、實際邊界及回采質(zhì)量參數(shù)等。從獲取的參數(shù)來看,54-14#采場爆破效果欠佳,出現(xiàn)了冒頂和片幫等空區(qū)災(zāi)變現(xiàn)象。為真實反映其發(fā)生原因,自左向右選取54-10#、54-12#、54-14#和54-16#共4個典型采空區(qū),結(jié)合礦業(yè)軟件建立礦區(qū)數(shù)字化模型,包括地表模型、巖層模型、巷道模型、礦體模型等,建立復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)模型,如圖7所示。4.2巖體力學(xué)參數(shù)的確定采用實體模型GTS構(gòu)建方法將礦區(qū)三維地質(zhì)模型與數(shù)值計算模型實現(xiàn)無縫集成和轉(zhuǎn)換,最終建立的冬瓜山銅礦復(fù)雜礦區(qū)數(shù)值計算模型如圖8所示。對模型采用表1中的巖體力學(xué)參數(shù)進行屬性賦值,建立位移約束邊界條件,即模型的左右(X方向)邊界,前后邊界(Y方向)和底邊界均施加位移約束條件,上邊界為自由邊界。根據(jù)現(xiàn)場實測點應(yīng)力值進行初始地應(yīng)力反演,獲得最佳的初始水平應(yīng)力組合,側(cè)壓系數(shù)分別為0.8和0.9,采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則分6步進行采場分步開挖及充填模擬計算,模擬采場實際開挖及充填后周圍圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的分布特征與變化規(guī)律。4.3e54-14#采場采場礦柱段限于篇幅,只列舉第5步采場全部開挖后的計算結(jié)果進行顯示,其中采場中心位置剖切面垂直位移、最大主應(yīng)力和塑性區(qū)等值線分別如圖9~11所示。(1)空區(qū)周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中,尤其在礦柱厚度較小處更為顯著,最大主應(yīng)力范圍在6~80MPa之間,其中最大值出現(xiàn)在54-14#和54-16#之間的礦柱上;局部地段最小主應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力,空區(qū)頂?shù)装灞憩F(xiàn)較為顯著,最大拉應(yīng)力值為0.58MPa,在圍巖抗拉強度以內(nèi),圍巖沒有發(fā)生破壞。(2)隨著采場的逐步開挖,最先形成的采場應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增加,其中頂板最大位移約2.48cm,出現(xiàn)在54-14#采場頂板。(3)塑性區(qū)主要集中在礦柱和采場頂板部分位置,尤其在54-12#和54-14#之間的礦柱位置,由于礦柱厚度只有12m,遠小于設(shè)計厚度18m,因此,該礦柱為危險礦柱,應(yīng)及時充填礦柱周邊采場。(4)由于54-14#采場在爆破設(shè)計中存在炮孔布置不準(zhǔn)、采場周圍結(jié)構(gòu)面發(fā)育等原因,致使該采場出現(xiàn)嚴(yán)重超挖,超挖厚度達6m。通過CMS實測及對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析,驗證了該采場發(fā)生超挖的原因。5復(fù)雜地質(zhì)體模型的建立(1)復(fù)雜地質(zhì)體的三維數(shù)值模擬本身相當(dāng)復(fù)雜,影響因素