三维矿岩崩落块度模拟技术在某铜矿中的应用.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 3 年0 4 月 矿冶工程 ⅣⅡN 口N GA N DM 匝眦L U R G I C A LE N G Ⅱi E E R 矾G V 0 1 ．3 3 №2 A p r i l2 0 1 3 三维矿岩崩落块度模拟技术在某铜矿中的应用① 陈忠强1 - ，王李管1 ’，冯兴隆3 ，熊书敏1 ”，刘浪1 ，2 1 ．中南大学资源与安全工程学院。湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．中南大学数字矿山研究中心，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；3 ．昆明理工大学国土与资源工程学院，云 南昆明6 5 0 0 9 3 ． 摘要以钻孔和坑道调查获得的参数为样本，通过建立矿岩地质块段模型，应用区域化变量统计函数进行节理分布规律统计，利 用D I M I N E 自然崩落块度模拟系统软件，实现了某铜矿首采区矿岩崩落块度大小和分布范围的模拟与预测。结果表明采区下盘岩 体的块度最大，略大于矿体，上盘岩体的块度最小，但三者的等效尺寸最大值比较接近，在2 ．1 ～2 ．5m 之间变化；形状系数分布差 别不大，主要集中在0 ．0 2 0 ．2 之间，形状以盘状和块状块体居多。 关键词块度模拟；节理分布；区域变量统计；蒙特卡洛；形状系数 中图分类号’I D 3 2 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 删．2 0 1 3 ．0 2 ．o o l 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 2 0 0 0 1 一0 4 A p p u 傀廿仰0 f3DS 劬l l l a t i o n0 fF r a g m e n tS i z ei I IB l 傀kC a 血g i naC o p p e rM 【i I 炝 C H E NZ h o n g - q i 粕9 1 ”，W A N GL i ．g u a r l l ”，F E N G 【i n g l o n 9 3 ，X I O N GS h u ．I I l i n l ”，U UL a n 9 1 2 1 ．蜘Z 矿J } k o 珏船s 口趔蚴西涮施碱臀，‰Zs D 毗h 踟溉毋，劬口，舻愚口4 1 0 0 8 3 ，点k 耽n ，劬流口；2 ．C 锄舸 矿嘞f 施，l e 鼢e 口砌，c e 腧以s o 砒‰溉瑙毋，吼口学耽4 1 0 0 8 3 ，肌№，l ，吼i 眦；3 ．‰嘶Q 厂眈以R e s 甜r c e 西画，聊 ，l g ，‰册I i ，l g ‰池倦如矿 诧，黜口以‰ ，l o 嘶，‰肭．她’6 5 0 0 9 3 ，玩，l M ，l ，蕊打m A b 概t B a s e do nt l l ed a t ah D mb o r e h o l e 锄dt u n n e l ，ag e o l o g i c a lb l o c km o d e lw 鹊e s t a b l i s h e df o ro r em c ki nac o p p e r 血n e ．W i t l lt h i sm o d e l ，s t a _ t i s t i c a lf u n c t i o no fr e 舀o n a lV a I i a b l e sw a su s e dt of i g u r eo u tj o i n td i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mi nt l l e c 叩p e rm i n e ． s i m u l a t i o na J l dp r e d i c t i o no ff l 鹚m e n ts i z ei nb l o c kc a v i n ga n dd i s t r i b u t i o na r e ai n 山ei n i t i a lm i n i n ga r e a w e r eo b t a i n e d b yu s i n gn a t u m lb l o c kc a v i n gs i 舢l a t i o ns y s t e mo fD I M I N E ． R e s u l t sr e v e a l e dt l l a t 触舯e n ts i z eo ft l l e ‰a Ⅱi nt l I em i n i n ga r e aw 鹤t l l el 嘲e s t ，s l i g h t l yl a r g e rt h a l lt h eo r eb o d y ，w h i l e 出ef i a g m e n ts i z eo ft l l eh a n 舀n gw a U w 踮t l l es m a U e s t ．T h ee q u i v a l e n td i m e n s i o n so ft l l o s e t l l r e ew e r er e l a t i v e l yc l o s et oe a c ho t l l e r ，r a n 妇n gb e 伽e e n2 ．1m a I l d2 ．5m ．S h 印ef a c t o r so ft h et h r e ed i r e ds l i g h Ⅱy ，v a r y i n gf m m0 ．0 2t o0 ．2 ．卟eh a n g i n gw a u ，‰t w a l la n do r e b o d yw e r ep r e d o I I l i n 粕嘶d i s c s h 印e d 舳db l o c k - s h 印e d ． 1 【e yw o r d s f } a 舯e n ts i z es i m u l a t i o n ；j o i n td i s t r i b u t i o n ；r e 西o n a lv 撕a b l es t 砒i s t i c ；M o n t eC d o ；s h a p ef 她t o r 矿岩崩落的块度是自然崩落法研究的主要内容之 一，矿岩块度决定放矿漏斗尺寸和放出体形态，直接影 响放矿间距、设备选型和生产能力，而矿岩块度模拟就 是对不同分区所形成的矿岩块体大小的范围和分布进 行有效测定u 。2 j 。因此，有效的模拟和预测崩落块度 可以为实际生产设计与控制提供宝贵的决策依据。 的乃断层，其次在含矿超基性岩体和围岩中还发育了 一些小型的断裂错动和节理裂隙。与矿体开采直接有 影响的断裂构造为粥断层，该断层属平推逆断层，分 布于矿区南东侧，呈北东一南西向延伸为5 ．3k m ，倾向 南东，倾角约8 0 。一8 5 0 。 2 矿岩地质块段建模 1 矿区构造概述 2 ．1 矿岩实体建模 某铜矿岩层构造以断裂为主，规模较大的断裂构 造有北东．南西向的鹞断层、F 3 6 断层和北西．南东向 矿岩实体模型是三维矿岩崩落块度模拟的基础模 型，是岩体构造参数分布规律统计的载体。根据矿区 ①收稿日期2 0 1 2 1 0 ’2 3 基金项目国家高技术研究发展计划即“8 6 3 计划”项目 2 0 1 1 A A 0 6 0 4 0 7 ；湖南省研究生科研创新项目 c x 2 0 l l B l l 6 ；教育部博士研究生 学术新人奖 1 3 4 3 7 6 1 4 0 0 0 0 0 1 1 作者简介陈忠强 1 9 8 4 一 ，男，山西吕梁人，博士研究生，主要从事矿山数字化研究。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 地质编录信息，将由矿体和岩体边界形成的线框集，通 过线框模型构碡赫0 3 j 刮实现三维实体化。对于崩落块 度模拟，矿体和岩体模型主要作为区域化变量统计的 作用域而存在，同时也限定了崩落块度模拟的范围。 矿岩模型按区域分主要包括上盘岩体、矿体和下盘岩 体以及模型，将由C A D 诠释的工程图以D x F 文件格 式导人可视化软件，完成由二维向三维的坐标转换后 建立模型。根据矿山地质剖面中矿岩编录轮廓，经过 布尔运算获得的矿岩实体模型见图l 。 2 ．2 模型的块段化 块段模型是构造参数 主要是节理 区域化变量 统计的空间承载。目前，三维模拟块段建模应用最广 泛的是八叉树块段 o c 溉e 次分技术【_ 川，主要是将矿 岩实体模型在三维空间内分为众多单元块，在边界处 通过次分块来控制边界，为根据已知样本参数进行的 区域变量统计做准备。 3 节理参数区域变量统计 3 ．1区域优势节理组统计 对岩体构造空间分布规律认识的深度和可靠性取 决于岩体构造调查的方法和调查数据的分析处理方 法旧J 。因此，在制定正确构造调查方案的同时也应采 用能够全面且准确反映其空间分布规律的统计方法。 优势节理组的统计是能够总体反映节理空间分布规律 的有效手段之一，一般通过密度等值线法绘制S c h I I l i d t 节理极点等密度图一1 来确定优势组及其产状范围。 构造优势节理组的统计是实现崩落块度模拟的重要 前提。 ． 经过对该铜矿首采区的构造调查，以钻孔和坑道 结构面调查相结合的方式获得了11 3 4 条记录，记录 内容主要包括岩石强度、R Q D 、节理间距、节理条件以 及地下水条件5 组指标。通过节理样本极点坐标转换 与空间插值统计的区域节理极点等密度图，见图2 。 由图2 可以看出，矿体内存在4 组优势节理组，上 盘内存在3 组优势节理组，下盘内存在3 组优势节 理组。 图2 区域优势节理组统计 a 矿体； b 上盘； c 下盘 3 ．2 节理迹线长度均值计算 节理迹线是结构面表面在某一平面方向的延伸尺 寸，主要反映节理的持续性。在出露的表面上观测的 结构面迹线长度可以粗略地确定节理迹线的长度值， 然而对其进行任何定量都是非常困难的。因此，在对 节理迹线长度进行有效记录后，一般运用数学方式来 进行统计。经研究，节理面迹线长度服从对数正态分 布，利用对统计节理迹线长度的均值和方差的无偏估 计而建立满足[ 0 ，1 ] 分布的长度对数正太分布模型可 以求解迹线长度。． 3 ．3 节理间距分布模型 节理间距是实现原始块度模拟的重要依据。节理 间距分布模型主要基于构造调查的节理间距统计数 据，以建立的矿岩块段模型为原型，应用距离幂反比 法刨进行节理间距空间插值估计，从而形成三维分布 模型，见图3 。节理间距的三维分布模型可以用于统 计任意区域的节理分布情况。 图3 节理间距空间分布模型 4 崩落块度模拟与预测 4 ．1 块度预测理论基础 一般来讲，崩落矿岩块度规律主要表现出以下特 点⋯①构造对岩体的切割性状是由岩体中构造面的 万方数据 第2 期陈忠强等三维矿岩崩落块度模拟技术在某铜矿中的应用 几何参数决定的。②岩体可以视为被构造面切割而 成的大小和形状各异的岩块的集合体。③在应力作 用下，岩体的破坏将优先沿已有的裂隙面发生。④岩 体中构造面各几何参数包括构造面倾角、倾向、间距等 都表现出了较好的分布规律，通过将参数进行组合可 以从整体上对构造面的空间展布特性进行描述，这为 实现三维块度模拟提供了良好的基础。 因此，可以首先对构造面的空间特性进行统计，采 用M o m eC 砌。技术建立空间节理组模拟系统，应用三 维实体切割技术建立矿岩块度的三维截取模型，在考 虑节理特性的基础上，按照空间统计原理模拟构造面 的分布状况，然后划分一定的范围，使用构造面对模型 原型进行切割，最终由切割块体形成的块体集合来模 拟矿岩块度，并根据一种新的块体形状分类方法1 | ， 统计实体内部由构造面切割出的岩块大小和形状分布 组成。块度分布模拟的具体方法见文献[ 1 2 ] 。 在进行M o n t eC d o 随机模拟后，从模拟三维节理 网络中抽样生成三维块体，然后计算块体的体积、三维 尺寸、三维形状参数和各个顶点的坐标，最后统计分析 块度预测的块体尺寸和形状分布。模拟的三维块体模 型按照形状系数主要分为条状、盘状、块状、立方体状 以及球状块体，见图4 。 ④④⑤◎⑧ ，． 哪l删 y 哪哪 y 咙n 冰y 0 3 7y 堋7 条状块体盘状块体块状块体立方体块体球状块体 图4 块体三维形状系数和块体三维形状对照示意 4 ．2 崩落块度模拟 在采用D I M I N E 矿岩块度模拟软件时，需输入如 下4 组参数来进行原始块度模拟①节理面倾角的分 布规律及样本参数估计值；②节理面倾向的分布规律 及样本参数估计值；③节理面间距的分布规律及样本 参数估计值；④节理面迹线长度的分布规律及样本参 数的估计值。 每次节理面抽样的个数设定为3 20 0 0 ，块体抽样 的个数设定为50 0 0 。若块体个数设定值太小，则每次 抽样的总体积会很小，从而导致个别特大块所占的体 积百分比过高，而特大块的产生则是小概率事件，显然 这样的抽样结果不符合实际情况。经多次抽样实验， 发现当块数设定为50 0 0 块时，抽样结果十分稳定，因 此，选定块体抽样样本容量为50 0 0 。由上述步骤中节 理统计以及节理间距建模而获得的4 组参数见表1 ～ 2 ，经计算获得的节理轨迹长度值均值为1 ．1 8 ，方差 为1 ．3 5 。 表l 节理产状统计参数表 倍罾主节理塑塑』 堡鱼』 节理百倾向范围倾角范围 出1 组编号均值方差均值方差分t 匕／％ ／ 。／ 。 表2 矿体、上盘和下盘节理间距统计参数表 崩落块度模拟结果，见图5 。 图5 块度模拟结果 a 全部块体模拟结果； b 内部部分块体模拟结果 4 ．3 块度分布预测 在进行崩落块度模拟的基础上以矿体、上盘岩体 和下盘岩体为不同区域进行了块体分布抽样统计，结 果分别见图6 8 。 体积／m ， 图6 体积分布曲线 ∞如舯加椰鲫加如加m 0 万方数据 4 矿冶工程第3 3 卷 誉 ＼ 丑 套 } 缸 士 蹯 U 壤 零 ＼ 丑 套 也 等效尺寸／m 图7 等效尺寸分布曲线 形状系数 图8 形状系数分布曲线 图6 表明，下盘岩体的特大块所占百分比略大于 上盘岩体和矿体，矿体的块度和下盘的块度比较接近。 矿体、上、下盘的块体体积最大值在1 ～3 ．9m 3 之间变 化，大于1m 3 的块体所占比例分别为1 3 ．6 ％，1 3 ．9 ％ 和1 6 ．9 ％。大于2m 3 的块体所占比例分别为5 ．5 ％， 5 ．5 ％和4 ．7 ％。 从图7 可见，矿体和下盘岩体的块度略大于上盘 的块度，但三者的等效尺寸最大值比较接近，在2 ．1 ～ 2 ．5m 之间变化。矿岩块度中，等效尺寸大于0 ．9m 的块体，矿体中占5 9 ．2 ％，上盘中占5 9 ．5 ％，下盘中占 6 6 ．3 ％；等效尺寸大于1 ．3m 的块体，矿体中占 3 5 ．8 ％，上盘中占3 4 ．5 ％，下盘中占4 1 ．9 ％。 由图8 可见，矿体、上盘和下盘岩体的形状系数分 布差别不大，主要集中在0 ．0 2 ～0 ．2 之间，对照图4 可 见，块体形状以盘状块体和块状块体占绝大多数。 5 结语 1 铜矿设计溜井净直径为3 ．5m ，溜井口设格 筛，合格块度为8 0 0 一9 0 0m m ，即溜井上设9 0 0m m 9 0 0m m 的格筛。按照块度等效尺寸预测结果，等效尺 寸大于o ．9m 的块体，矿体中占5 9 ．2 ％，上盘岩体中 占5 9 ．5 ％，下盘岩体中占6 6 ．3 ％，因此，为防止溜井堵 塞而投入崩落采矿的二次破碎工作量会偏大。 2 采用1 1 0 0 的相似比进行了现场放矿模拟试 验，研究发现，当大于1 ．3m 的块度筛上累积百分比超 过4 0 ％时，放矿口将会频繁堵塞；按照块度预测结果， 放矿时放矿口发生堵塞的可能性较高。因此，在设计 放矿口参数时，在考虑结构稳定性的前提下应适当增 大放矿口，同时通过采用适宜的放矿速度来降低大块 在放矿口的累计百分比，也还需要通过有效的二次爆 破来进行大块的处理。 参考文献 [ 1 ] 王文星．岩体力学[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ]何昌盛．自然崩落法矿岩可崩性评价及分级分区研究[ D ] ．长 沙中南大学资源与安全工程学院，2 0 0 6 ． [ 3 ] 徐钟济．蒙特卡洛方法[ M ] ．上海上海科学技术出版社，1 9 8 5 ． [ 4 ]王李管，尚晓明，冯兴隆，等．基于M m t ec a r l o 模拟的矿岩块度预 测[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 8 6 6 3 5 6 3 9 ． [ 5 ]朱良峰，吴信才，刘修国，等．基于钻孔数据的三维地层构建 [ J ] ．地理与地理信息学，2 0 0 4 ，2 0 3 2 6 3 0 ． [ 6 ] 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