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)_第1頁(yè)
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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(xì)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(shí)際的工具,用戶在建立復(fù)雜地質(zhì)體模型時(shí)往往需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化,因此,經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算模型與地質(zhì)體實(shí)際嚴(yán)重不符,從而在很大程度上降低了計(jì)算結(jié)果的可靠性。國(guó)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(jiàn)的軟件有Surpac、Datamine、GoCAD、GemCom、EarthVision、Micromine等。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代以來(lái),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(jiàn)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(dá)科技有限公司的3Dmine。中南大學(xué)王李管等在分析國(guó)內(nèi)外三維地質(zhì)建模軟件優(yōu)缺點(diǎn)和調(diào)查國(guó)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(gè)復(fù)雜礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)模型,為礦山進(jìn)行采掘計(jì)劃、安全監(jiān)管及評(píng)價(jià)提供了重要的基礎(chǔ)。但上述軟件基于不同的界面平臺(tái),且生成的三維地質(zhì)可視化模型缺乏與通用數(shù)值計(jì)算軟件的結(jié)合??梢暬P团c數(shù)值模型的轉(zhuǎn)換,仍然是亟待研究的熱點(diǎn)。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(jiǎn)化數(shù)值模擬前處理的難度,解決由于簡(jiǎn)化模型帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果可靠性不高的難題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開展了一系列相關(guān)問(wèn)題的研究,如文獻(xiàn)提出了基于Surpac的復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型生成技術(shù),文獻(xiàn)則通過(guò)實(shí)例研究了3DGIS與3DEC離散元的集成。眾多文獻(xiàn)在模型轉(zhuǎn)化中均進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化,致使數(shù)值計(jì)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(xiàn)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(xì)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(yàn)證了其有效性和實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)體(3DM)。普遍采用的線框模型是用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)來(lái)逼近實(shí)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(jī)分布在空間不同位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接三角形,而每一個(gè)三角形的外接圓不會(huì)覆蓋除構(gòu)成該三角形3個(gè)頂點(diǎn)之外的其他任意點(diǎn),如圖1所示。塊體模型采用八叉樹結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)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(duì)整個(gè)地質(zhì)體范圍內(nèi)的單元塊進(jìn)行賦值。空間八叉樹結(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(gè)域的空間長(zhǎng)方體按3個(gè)方向分割成8個(gè)子長(zhǎng)方體網(wǎng)格,組織成一棵八叉樹。若某一子長(zhǎng)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(zhǎng)方體作進(jìn)一步的剖分,直至八叉樹每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)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(duì)比線框模型和塊體模型是Surpac表達(dá)地質(zhì)體三維模型的兩種方式?;诰€框模型的建模特點(diǎn),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(dá)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(wú)法實(shí)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(guò)程復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度大。塊體模型是在線框模型基礎(chǔ)上,對(duì)線框模型之間以及線框模型內(nèi)部運(yùn)用規(guī)則六面體進(jìn)行剖分,盡管能逐層分級(jí),直到次級(jí)塊大小足夠小,滿足精確模型邊界問(wèn)題,但剖分時(shí)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(shí)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(wú)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(duì)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(jìn)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(wú)形中增加了模型網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)數(shù)量,計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)。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(jiǎn)化數(shù)值模擬軟件前處理難度,又能滿足模型精度。3midas/gts計(jì)算以往建立的數(shù)值計(jì)算模型中很難準(zhǔn)確反映線框模型的實(shí)際形態(tài),大多簡(jiǎn)化為規(guī)則平面代替,從而簡(jiǎn)化模型構(gòu)建。顯然,如此處理線框模型不符合地質(zhì)體實(shí)際形態(tài),也無(wú)法通過(guò)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(chǎng)、位移場(chǎng)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(jì)的有限元分析軟件。通過(guò)研究Surpac與GTS對(duì)線框模型各自表達(dá)的特點(diǎn),研究了將Surpac中線框模型無(wú)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(lái)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(diǎn)組成,將點(diǎn)聯(lián)成若干相鄰的三角面,然后形成一個(gè)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(guò)點(diǎn)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(shí),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(jì)算機(jī)內(nèi)存也越大。通過(guò)研究Surpac與GTS對(duì)表面模型各自表達(dá)的特點(diǎn),成功將Surpac中表面模型無(wú)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(qiáng)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(guò)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(shí)現(xiàn)過(guò)程與地表模型類似。3.2模型建立與預(yù)測(cè)設(shè)備表面模型通常只能表達(dá)開放物體的表面信息,如要表達(dá)封閉物體的全部形態(tài),則必須使用實(shí)體模型,如礦體、采空區(qū)和巷道模型均屬于實(shí)體模型。與建立表面模型方法不同,實(shí)體模型的建立更為復(fù)雜。Surpac中實(shí)測(cè)采空區(qū)實(shí)體模型無(wú)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(cè)系統(tǒng)(cavitymonitoringsystem,CMS)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采空區(qū);(2)實(shí)測(cè)采空區(qū)數(shù)據(jù)后處理,并在Surpac中建立實(shí)測(cè)的采空區(qū)實(shí)體模型,如圖5所示;(3)利用軟件模型剖分功能將實(shí)測(cè)采空區(qū)實(shí)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(guò)坐標(biāo)平移或轉(zhuǎn)換,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)過(guò)程與采空區(qū)模型類似。4工程實(shí)例4.1深孔階段空?qǐng)鰳浜蟪涮罘ǘ仙姐~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(guó)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?qǐng)鏊煤蟪涮詈蜕刃沃猩羁纂A段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V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(cè)系統(tǒng)(CMS)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè),數(shù)據(jù)經(jīng)處理建立復(fù)雜實(shí)測(cè)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(shí)際邊界及回采質(zhì)量參數(shù)等。從獲取的參數(shù)來(lái)看,54-14#采場(chǎng)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì)算模型實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jì)算模型如圖8所示。對(duì)模型采用表1中的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)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(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)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(kù)侖破壞準(zhǔn)則分6步進(jìn)行采場(chǎng)分步開挖及充填模擬計(jì)算,模擬采場(chǎng)實(shí)際開挖及充填后周圍圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)的分布特征與變化規(guī)律。4.3e54-14#采場(chǎng)采場(chǎng)礦柱段限于篇幅,只列舉第5步采場(chǎng)全部開挖后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示,其中采場(chǎng)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(qiáng)度以內(nèi),圍巖沒(méi)有發(fā)生破壞。(2)隨著采場(chǎng)的逐步開挖,最先形成的采場(chǎng)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(chǎng)頂板。(3)塑性區(qū)主要集中在礦柱和采場(chǎng)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(yuǎn)小于設(shè)計(jì)厚度18m,因此,該礦柱為危險(xiǎn)礦柱,應(yīng)及時(shí)充填礦柱周邊采場(chǎng)。(4)由于54-14#采場(chǎng)在爆破設(shè)計(jì)中存在炮孔布置不準(zhǔn)、采場(chǎng)周圍結(jié)構(gòu)面發(fā)育等原因,致使該采場(chǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重超挖,超挖厚度達(dá)6m。通過(guò)CMS實(shí)測(cè)及對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析,驗(yàn)證了該采場(chǎng)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

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