任凤玉¹, 刘洋^1,2,3, 何荣兴¹, 丁航行¹
1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 弗吉尼亚理工学院暨州立大学 采矿与矿物工程系, 弗吉尼亚州 布莱克斯堡 24060;
3. 北京矿冶研究总院, 北京 100160
收稿日期：2016-10-17
基金项目：国家留学基金资助项目(20160608056)；“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0801601)；国家自然科学基金重点资助项目(51534003)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51404065)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N140104008, N150104006)。
作者简介：任凤玉(1956-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：以大岭西山菱镁矿为例, 基于SURPAC软件平台, 综合应用边界轮廓线法和Delaunay三角化方法的复杂地质体建模方法, 建立了矿区的数字地表模型和空区群的三维实体模型.并以TCL语言为基础, 编制了基于空区底板边界轮廓线、岩石移动角和地表投影标高的矿岩移动范围三维模型自动构建程序, 对大岭西山菱镁矿进行了应用, 得到了矿岩移动范围的三维实体模型, 并将其与数字地表模型进行布尔运算, 圈定地表移动范围.
关键词：金属矿空区群SURPAC三维模型地表移动
Modeling of Complicated Goaf Groups and Its Application on Determining Rock Movement Boundary
REN Feng-yu¹, LIU Yang^1,2,3, HE Rong-xing¹, DING Hang-xing¹
1. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Department of Mining and Minerals Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg 24060, USA;
3. Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China
Corresponding author: LIU Yang, E-mail: yangliu7@vt.edu
Abstract: Based on the SURPAC software, a 3D modeling method on complicated geologic body combined with Delaunay triangularization method and linking adjacent contour method were introduced. Taking the Dalingxishan magnesium mine as an example, the digital terrain model and the 3D model of the goaf group were built. Based on the TCL language and the automatic modeling program of rock movement scope according to the goaf bottom contour data, the critical angle of rock deformation and the target projection height were developed. Then the program was used in the Dalingxishan magnesium mine to obtain the 3D model of the rock movement scope. According to the Boolean calculation result of the rock movement scope model and the digital terrain model, the surface movement boundary was determined immediately.
Key Words: metal minegoaf groupSURPAC3D modelsurface movement
我国许多矿山早期大多经历过混乱开采和民间盗采破坏, 遗留下了大量的采空区, 并且在部分区域出现了采空区集中的现象, 形成了“采空区群”.空区群中部分空区互相贯通, 空间关系混乱, 围岩应力状态复杂、稳定性差、危险性高, 极易引起冒顶塌方、山体滑坡和冲击气浪等灾害.针对采空区的稳定性分析及灾害预测, 国内外学者作了大量研究, 主要的分析方法有理论分析法、相似模拟法^[1]、数值模拟法^[2]和工程类比法等.在进行分析时, 地表、矿体、空区等相关地质体模型的构建至关重要^[3-4].
本文以大岭西山菱镁矿为例, 介绍了在SURPAC软件平台上, 综合应用边界轮廓线法^[5]和基于Delaunay三角化法^[6]的不规则三角网(triangulated irregular network, TIN)的三维建模技术, 并构建了矿区地表和复杂空区群的模型.利用tool command language (TCL)语言^[7], 实现了基于空区底板边界、矿岩移动角和地表投影目标标高的空区引起矿岩移动范围三维实体模型的自动构建, 通过对其进行运算, 进而确定了空区群的矿岩移动边界和地表移动范围.
1 建模方法地质体三维模型实质是在三维空间中表达的地质体数据模型, 如何重塑实体边界是构建地质体模型中的关键问题.目前主要有基于轮廓线和基于离散点两种建模方法, 在建模过程中应根据矿山提供的数据类型选择相应的方法.矿山经过地质勘探、矿区规划、生产设计及实践等过程, 积累了地质勘探钻孔数据库、地表高程离散点MapGIS图、分段水平设计及实测AutoCAD图、勘探线地质剖面AutoCAD图^[8]等数据.在构建矿体、巷道模型时, 由于地质勘探钻孔数据库及分段设计实测图均为垂直或水平剖面数据, 因此大多采用基于轮廓线的建模方法, 即通过连接相邻的矿体或空区边界轮廓线生成TIN; 在构建数字地表模型^[9](digital terrain models, DTM)时, 由于数据多为高程离散点, 故大多采用对离散点进行Delaunay三角化形成TIN的方法.
1.1 复杂空区群矿区营口大岭西山菱镁矿为早元古代区域变质热液交代大型菱镁矿床, 矿体赋存于辽河群大石桥岩组上亚组二段中, 似层状产出, 走向为N75°, 倾向南东, 倾角0~30°.成矿带主要岩性为白云石大理岩、菱镁矿大理岩及菱镁矿体, 总厚度2~200m.矿区共探明民采坑口29个, 形成的采空区形状不定、边界不规整、高度不一, 部分区域重叠数最多达5层, 一般为2~3层.空区顶板一般处于亚稳定状态, 部分节理裂隙比较发育的顶板已经冒落至地表.空区群分布情况见图 1.
图 1(Fig. 1)

图 1 大岭西山菱镁矿空区群分布图Fig.1 Planform of goaf groups in Dalingxishan magnesium mine

1.2 数字地表模型的构建由于空区群形态复杂, 分布不规则, 并且多层重叠, 在进行开拓采准工程设计时, 必须考虑地表模型.矿区经过多年生产, 保留有大量不同开采阶段的地表高程实测MapGIS图, 但存在数据相互冲突、部分区域地表已经塌陷问题.结合现场调查情况, 通过采用人机交互的方法对历史数据进行修补, 形成原始地表的离散点的AutoCAD图, 将其导入SURPAC软件, 对不同特征的离散点进行Delaunay三角化, 形成TIN, 即可得到DTM, 按高程对模型进行着色, 结果如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 矿区数字地表模型Fig.2 Digital terrain model of mining area

1.3 复杂空区群模型的构建大岭西山菱镁矿经过多家矿企的无序开采, 历史资料数据格式多样, 时间、空间关系混乱; 并且由于采空区暴露时间长, 在地压、风化和爆破扰动等因素的影响下, 围岩已发生变形、破坏, 部分空区已经冒透至地表, 原始数据与矿区现状存在较大误差.
通过对历史资料进行比对和预处理, 生成了AutoCAD格式的空区群水平和垂直剖面图, 将其导入至SURPAC软件平台中, 形成线文件.根据现场调查对其进行改正和修补, 最终形成空区群顶底板的轮廓线图, 利用相邻轮廓线法进行三角联网形成TIN, 建立了如图 3所示的空区群三维实体模型.
图 3(Fig. 3)

图 3 空区群三维实体模型Fig.3 3D solid model of goaf groups

2 复杂空区群模型的应用大岭西山菱镁矿由新运营矿企接收后, 由于利用以往的方法难以确定复杂空区群引起的矿岩移动范围, 在圈定残留矿体安全开采边界和开拓采准工程布置安全范围时遇到了较大困难, 导致难以选择采矿方法并布置开拓采准工程.在以往的采矿设计中, 大多采用在剖面图上按矿岩移动角向地表投影, 然后连接各剖面的投影结果形成移动范围^[10], 但此种方法并不适应空区群移动范围的圈定.一方面, 由于空区群的规模和形态变化大, 为较精确地圈定移动范围, 需要以较小的间距做大量的剖面, 工作量巨大; 另一方面, 采空区的空间形态多样, 若按照固定的角度划定剖面, 大量区域的空区边界与剖面形成伪倾斜, 导致圈定的移动范围与实际移动范围有较大误差, 若根据空区形态改变角度划定剖面, 在连接矿岩移动边界时容易发生混乱.
2.1 算法描述为解决上述问题, 本文参考传统矿岩移动范围的圈定原理, 基于SURPAC软件平台, 在三维空间内直接构建矿岩移动模型; 并利用TCL语言, 编制了基于空区底板边界、矿岩移动角和投影地表目标标高三种数据的矿岩移动模型的自动构建程序, 运算流程见图 4.利用该程序, 可自动构建单一采空区的矿岩移动模型, 对多个矿岩移动模型进行合并运算, 即可得到空区群的矿岩移动模型.
图 4(Fig. 4)

图 4 TCL运算流程图Fig.4 Flowchart of TCL algorithm

2.2 空区群矿岩移动模型的构建及应用利用生成的空区群模型提取其底板边界, 形成线文件; 根据对矿石及围岩的稳定性评价结果, 确定矿岩移动角为65°; 利用DTM测定矿区内地表最高标高(340.38m), 为方便后续进行布尔运算, 设定投影目标标高为350.00m.
将上述数据输入程序, 进行自动运算, 由于部分边界出现较大内凹的空区在向地表投影时出现投影边界自相交错误, 需要通过人机交互的方式对其进行简化, 简化前后的空区边界形状见图 5.
图 5(Fig. 5)

图 5 空区边界简化图Fig.5 Simplified boundary of goaf boundary

在SURPAC软件的工作环境中, 通过对程序构建的矿岩移动模型进行合并运算, 即可得到空区群引起的矿岩移动范围的三维实体模型, 如图 6所示.
图 6(Fig. 6)

图 6 矿岩移动范围的三维实体模型Fig.6 3D solid model of rock movement scope

利用形成矿岩移动范围的三维实体模型, 可以准确确定地表移动范围(图 7)及不同水平矿岩移动范围.在进行残留矿体采矿方法选择、开拓采准工程设计时, 可作为重要参考.
图 7(Fig. 7)

图 7 空区群引起地表移动范围Fig.7 Surface movement boundary induced by goaf groups

3 结论1) 通过对大岭西山菱镁矿的现场调查, 并对搜集的数据进行整理、修正, 综合运用相邻轮廓线法和Delaunay三角化方法, 构建了大岭西山菱镁矿的地表DTM及空区群的三维实体模型.
2) 针对空区群矿岩移动范围难以准确确定的问题, 基于TCL语言, 编制了根据空区底板边界、矿岩移动角和投影目标标高的矿岩移动范围三维实体模型构建程序, 并将其应用在大岭西山菱镁矿, 生成了矿岩移动范围的三维实体模型, 并圈定了地表移动范围.
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