裂隙矿段多尺度精细分区模型构建.pdf

第 3 5卷第 2期 2 0 1 5年 0 4月 矿 冶 工 程 M G AND M ETALLURGI CAL ENGI NEE砌 NG Vo l l3 5 № 2 Ap r i l 2 0 1 5 裂隙矿段 多尺度精细分 区模型构 建① 胡建华 ，胡 昱 ，周科 平 ，何 川 中南 大学 资源与安全工程学 院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘要利用 T R T 6 0 0 0超前探测数据与 3 D Mi n e软件耦合 ， 以切片导出数据的方法 ， 获取裂隙矿段的局地反射系数并确立了数据导 出原则和模型构建方法， 在矿床数字模型基础上， 建立裂隙矿段多尺度精细分区模型。对 T R T 6 0 0 0数据导出及在 3 D Mi n e中建立多 尺度精细分区模型的方法进行了研究 ， 并对构建的多尺度精细分区模型进行了进一步分析 ， 结果表明 切片数据处理方法可以建立 裂隙矿段不同破损程度岩体的分级并进行精细数字化处理； 利用反射系数的分级， 实现了岩体破损精细建模， 有利于不同矿段的差 异化处置与分析 ， 是一种跨空间的多尺度模型。工程应用表明精细化、 多尺度模型满足了区域采矿与局地安全的需要。 关键词矿山建模； 裂隙矿段； 精细分区； T R T 6 0 0 0 ； 超前探测 ； 数据导出；多尺度 中图分类号 T D 1 7 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 3 6 0 9 9 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 l 文章编号 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 2 0 0 0 1 - 0 5 M u l t i s c a l e M o d e l i n g f o r Fr a c t u r e Zo n e wi t h De t a i l e d Di v i s i o n HU J i a n - h u a，HU Yu，Z HOU K e - p i n g，HE Ch u a n S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， H u n a n ，C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e T r u e R e fl e c t i o n T o mo g r a p h y T R T 3 D i ma g e p r o c e s s e d b y s l i c i n g ， t h e g e n e r a t e d d a t a w a s e x p o rt e d a n d c o u p l e d i n t o 3DMi ne s o f t wa r e，r e s u l t i n g i n a l o c a l r e fle c t i o n c o e f f i c i e n t o f f r a c t ur e z o n e ．Th e p rin c i p l e f o r d a t a e x p o r t i n g a n d me t h o d f o r mo de l c o n s t r uc t i o n we r e a l l p r e s e n t e d．Ba s e d o n t h e d i g i t a l mo d e l o f t h e d e p o s i t ，a mu hi s c a l e mo de l i n g for f r a c t u r e z o n e wi t h de t a i l e d d i v i s i o n wa s o b t a i n e d．T he n，a f u r t h e r a n a l y s i s wa s c o n d u c t e d for s u c h mu hi s c a l e mo d e l i n g．Re s ul t s h o we d t h a t t h e p r o c e s s o f s l i c i n g TRT i ma g e c a n g i v e a c l a s s i fic a t i o n o f d e g r e e o f r o c k ma s s d a ma g e i n f r a c t u r e z o ne ．Ba s e d o n t h e di g i t a l p r o c e s s i n g，a mo d e l wi t h d e t a i l e d r o c k ma s s d a ma g e c a n b e c o ns t r u c t e d wi t h t he c l a s s i fic a t i o n o f r e fle c t i o n c o e ffi c i e n t ，wh i c h i s a l s o a mu l t i s c a l e mo d e l f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f s p a c e，be n e fi c i a l for p r o c e s s i n g a n d a n a l y z i n g t h e d i f f e r e n c e i n e a c h m i n e r a l i z e d z o n e ． T h e a p p l i c a t i o n i n t o e n g i n e e r i n g p r o j e c t a l s o i n d i c a t e d s u c h mu l t i s c a l e mo d e l i ng wi t h d e t a i l e d d i v i s i o n c a n me e t t h e r e q u i r e me n t for r e g i o n a l mi ni ng a n d s e c urit y i n u n d e r g r o u n d mi n e ． Ke y wo r dsmi ne mo d e l i ng；f r a c t u r e z o n e；d e t a i l e d d i v i s i o n；TRT6 0 0 0；p r e d i c t i o n；da t a e x po rt；mu hi s c a l e 在矿 山工程 中， 复杂的工程 和水文地质条件对矿 山生产安全和生产组织产生巨大影 响。因此 ， 对矿 山 的超前地质预报及对探测结果 的精细化描述 ， 是矿 山 安全生产的重要依据 ， 具有重大指导意义。T R T T rue R e fl e c t i o n T o mo g r a p h y 6 0 0 0型超前预报系统采用层析 扫描成像技术获得工程前方地质信息的全息图 ， 是 国 际上超前预报领域先进水平 的代表 ， 具有勘探结果准 确 、 全面 、 直观 ， 无耗材 、 勘测费用低 ， 操作简单 、 安全 ， 勘测范围广 最远 达 3 0 0 m 等 特点。 目前 ， T R T 6 0 0 0 在 国内外 已广泛应用于隧道 、 矿 山的超前预报 J ， 如 奥地利过阿尔卑斯 山的塞默灵铁路双线隧道施工 中 ， 就进行 了全程 的超前预报 ， 对 于岩性变化界面和断裂 破碎带进行 了预报 ， 其预报结果与施工揭露 的地质特 征基本一致 ， 有力地指导了施工组织和安全管理。 矿山地下岩土体是一个复杂介质体 ， 目前运用数 字矿山软件对矿床可以建立宏观大尺度的全景数字模 型， 实现了整体矿 山岩土体 的三维可视化 J ，并利用 三维数字模型进行储量计算 、 品位估值 、 矿岩体质量分 区， 改变了矿山传统开采模式l 8 J 。在矿山工程生产与 施工中， 宏观数字矿床模型难 以对 施工及其有效影响 区域的岩体特征实现局地效应 的展现和精细化描述。 多尺度模型考虑空间和时间的跨尺度 和跨层次特征 ， 可 以有效解决宏观与局地微观效应 ， 建立局部精细 模型结构 ， 有利于实现对裂隙矿段采矿活动安全及精 ①收稿 日期 2 0 1 4 1 1 0 8 基金项 目“ 十二五” 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 2 B A B1 4 B 0 1 ； 湖南省科 技重 大专项计 划项 目 2 0 1 1 F J 1 0 0 3 3 作者简介 胡建华 1 9 7 5 - ， 男， 湖南衡南人， 副教授， 博士后， 主要从事高效安全采矿技术与岩土工程稳定性研究。 第 2期 胡建华等 裂隙矿段多尺度精细分区模型构建 在 l ， 值为 4 0 m处所做切片的部分数据 ， 是多尺度精细 分区模型构建的基础数据 。 表 1 导 出数据格式 2 模型构建 碎裂矿段精细分区多尺度模型 ， 主要利用 T R T 6 0 0 0 的切片数据 ， 利用 3 D Mi n e等数字软件 ， 实 现定量数字 化分区模型建构 ， 建模流程见 图 4 。 图 4 多尺度分 区精细模 型构建步骤 在 3 D Mi n e数字矿 山软件 中， 利 用不 同剖面 的等 值线图来构建模型便捷 ， 需通过转化接 口， 绘制不同切 片反射 系数的等值线 图， S u r f e r 软件在绘制数据点位 图 、 等值线图方面有很大优势 ， 在 S u r f e r 软件 中依次导 人单个切片的 E x c e l 文件 ， 滤波 ， 生成等值线图。 2 ． 1 多尺度的实现 矿体模型是对矿体地质资料的整体数字化形状的 表现 ， 是一种宏观尺度数字模型 ， 可以了解整个矿段的 整体情况。然而 ， 对于裂隙矿段 ， 从宏观角度关注整个 矿山的模型结构是不够 的， 必须对其局地 裂隙发育情 况和破碎程度实现精细管理 ， 即在细 、 微尺度上对矿段 进行局地处理及分析 。 2 ． 1 ． 1 裂隙矿段局部精细模 型构建在 3 D Mi n e中导 人在 S u r f e r中制成 的 g r d格式 的等值线切 片文件 ， 把 不同平面之间形状相似、 反射系数相同的等值线连接 形成实体模型。由于反射系数的不同， 构建了许多分 块 的矿段模型， 从局部上了解裂隙矿段 的具体情况 。 2 ． 1 ． 2 破裂程度量化的 实现从 T R T中导 出的文件 中有大量 的数据 ， 而裂隙矿段精细模 型的构建就是建 立在这些数据上 ， 构 建 的不 同分块 实体的属性值 反 射系数 是 已知的， 通过查询反射系数 的大小 ， 就可 以 知道各部分的破裂程度 。 2 ． 2 精细化分区的实现 岩石分级中， 可 以利用声 波速度对岩石进行质量 分级评价 ， 如在凿碎法可钻性岩石分级方法 中就把声 波速度当成岩石分 级 的一个 重要指标 ， 1 9 9 1年林 韵梅等人提出的岩石三性综合分级中， 声波速度也是 反映岩体 三性 稳定 性 、 可 钻性 、 爆 破 性 的重 要参 数 ， 声波在岩石中的传播速度不同， 岩体 的稳定性 、 可钻性 、 爆破性就不同， 对岩体 中不 同声波速度进行划 分 ， 以此对岩石进行分级。借鉴其方法 ， 选择反射系数 时 ， 把不 同反射系数连成 的实体标成不 同颜色以区分 矿段不同区域 ， 在对反射系数分类时 ， 一般取反射系数 为 0作为良好岩性与破碎岩性 的分界点， 取反射系数 一 0 ． 0 2为轻微破碎与严 重破碎 或者其他不 良地质现 象 的临界点 。大量实践及经验表 明 ， 一 0 ． 0 2～ 0的区 域和一 0 ． 2 ～- 0 ． 0 2的区域较为集 中， 说明这两区域物质 性质 声学阻抗 较为接近 ， 所以取一 0 ． 0 2作为临界点 ， 取- 0 ． 2为其终止值 ， 即当地震波从高阻抗物质进入低 阻抗物质 ， 穿过两物质声学 阻抗相差很大 达到极限 时 ， 反射系数值取一 0 ． 2 。 反射系数大于等于0 地震波进入高阻抗物质， 岩 性较为稳定 ， 有软弱带 、 破碎带 、 断层、 含水层 的可能性 较小 。 反射系数介于 [ _ 0 ． 0 2 ， 0 区间 地震波从高阻抗 物质进入低阻抗物质 ， 但两物质声学阻抗差别不大， 区 域可能还有软弱带、 破碎带等不 良地质体 ， 但其情况不 太严重。 反射系数介于[ 一 0 ． 2 ， - 0 ． 0 2 区间 地震波从高 阻 抗物质进入低阻抗物质 ， 两物质声学阻抗差别较大， 区 域破碎带破碎情况较严重 ， 且可能含有空区及含水层。 3 工程应用 3 ． 1 工 程概 况 湖南永州东安新龙锑矿地处华南褶皱 系湘 中、 湘 南印支褶皱带 ， 矿床主要赋存在震旦一 寒武系的浅变质 岩系地层 中， 区内倒转褶皱 、 断层发育 ， 构造复杂 ， 是东 安、 新宁两县交界山区的裂隙充填型脉状矿床 ， 所有矿 脉均严格受断裂破碎带控制 。由于裂 隙发育严重 ， 且 破碎带宽度达数米至几 十米 ， 最宽达百余米。为了施 工安全 ， 须对矿段进行超前探测 ， 建立多尺度精细分 区 模型 ， 精细准确 了解矿段破损程度 。探测地点选取新 龙矿 2 8 0中段 ， 如图 5所示。 探测起始点距巷道交叉 口5 0 m， 成像范 围如图中 实线框定所示 ， 长 1 0 0 m， 宽度沿测线左右各 3 0 m， 垂 直范围在水平 2 5 0 ～ 3 1 0 i n 。在测线的左侧沿脉巷道存 在大量采空区， 探测范围正对斜井上盘基岩。 第 2期 胡建华等 裂 隙矿段 多尺度精 细分区模 型构建 5 该环状 负反射是 由于沿脉巷道和采空区引起的次生破 碎带 。 在 7 5 ～ 9 0 I n位置存在 明显的异常反射带 ， 以负反 射为主， 并且其反射系数介于[ _ 0 ． 2 ， - 0 ． 0 2 区间， 说 明此 区域存在阻抗较低物质。结合破碎带及断层在成 像上 的特点推测 ， 可能是一段赋存大量小型空区的破 碎带 ， 破碎程度较严重。结合巷道模型分析 ， 该破碎带 恰好位于斜井及 2 4 0中段上方 ， 推断震源点前方 7 5 9 0 I n范 围的异常反射体是 由于采掘造成 的空 区及破 碎围岩引起 ， 宽度为 1 5 I 1 1 。 在 9 0～1 1 0 In段范 围 内红色 区域 和黄 色区域交 杂 ， 可以推测此矿段岩石较破碎 ， 裂 隙发育严重 ， 属于 矿区的地质结构裂隙发育地段 ， 属于原生的地质结构 破碎带 ， 在 矿 山的生产 中需要进 行重点 预 防和加 固 处 理 。 4 结 论 1 T R T 6 0 0 0系统能对裂隙矿段完成超前预报 ， 并 且通过切片处理导出的图形数据可以获得预报 区域的 反射系数等参数 ， 为多尺度精细分区模 型构建提供 了 数据基础 。 2 利用 T R T 6 0 0 0和 3 D Mi n e可以对矿段 模型进 行精细化分区构建 ， 从精细化模 型中不仅可 以更精细 地观察裂隙矿段特征， 同时可以实现各地质特征 的定 量化。解决了 T R T 6 0 0 0成图中粗略评估特征 ， 实现 了 从定性到定量的转变 ， 使预报结论更精确。 3 在 3 D Mi n e中能对探测 区域和周边 环境 巷道 模型 、 周 围围岩 、 矿体 等 进行综合分析 ， 数字化 描述 不 良地质体。工程实践表 明， 通过此方法构建 的模型 能正确反映周边各种影响因素并能精确反映其影响因 素的大小 。 参考文献 [ 1 ] T a k u j i Y a ma mo t o ，S u g u r u S h i r a s a g i ，Y a s u h i r o Y o k o t a ． I m a g i n g G e o - 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