李海富 王 玲 郭勤強(qiáng) 陳偉華 郎 磊 王翊欣

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南 洛陽(yáng) 471000;2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083)

固體礦山中的工程地質(zhì)研究?jī)?nèi)容包括采礦工藝中涉及的地質(zhì)體空間分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征調(diào)查,具體工作手段包括工程地質(zhì)填圖、巖石力學(xué)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、爆破減災(zāi)試驗(yàn)等[1-4]。工程地質(zhì)建模是應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù),將地層、巖性、工程地質(zhì)巖組、結(jié)構(gòu)面、巖石力學(xué)特征等工程地質(zhì)信息進(jìn)行可視化,為后期的巖石力學(xué)模擬提供基礎(chǔ)支持,同時(shí)也可以指導(dǎo)礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[2,5-9]。

傳統(tǒng)工程地質(zhì)研究成果可視化是借助CAD或GIS軟件將調(diào)查研究成果展示在二維平面,隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展,GOCAD、Petrel、GeomModeller3D、GIS3D、Earthvision、Vulcan、Micrormine、Datamine、Surpac和Leapfrog等三維地質(zhì)軟件的應(yīng)用推廣,工程地質(zhì)建模豐富了二維平面可視化方式,逐漸成為礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)[10-12]。目前,工程地質(zhì)建模的主流成果是實(shí)體模型(Wireframe),可以用來進(jìn)行可視化,也可以用于FLAC、ABAQUS和Geostudio等軟件進(jìn)行巖石力學(xué)模擬[13-14]。然而實(shí)體模型只能用于定性觀察礦區(qū)工程地質(zhì)特征,由不同工程地質(zhì)特征因素形成的多個(gè)實(shí)體模型之間缺乏有機(jī)聯(lián)系。目前,形成塊體模型表達(dá)空間任意一點(diǎn)的工程地質(zhì)綜合信息,是工程地質(zhì)學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)[15-17]。

吉家洼金礦位于河南省洛寧縣,礦山自1996年建成投產(chǎn),歷經(jīng)20多年生產(chǎn),創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著開采深度加大,礦區(qū)工程地質(zhì)條件逐漸復(fù)雜[18-19],采礦過程中出現(xiàn)安全作業(yè)條件差、礦石貧化嚴(yán)重等問題,亟須加強(qiáng)研究工程地質(zhì)條件,優(yōu)化采礦工藝。本研究在礦區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,借鑒固體礦山三維地質(zhì)建模流程和方法,利用Datamine和Leapfrog軟件構(gòu)建礦區(qū)工程地質(zhì)模型,在主流實(shí)體建模的基礎(chǔ)上,利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)驗(yàn)公式、克里金空間插值等方法構(gòu)建礦區(qū)工程地質(zhì)塊體模型(Block),為開采作業(yè)中開拓巷道布置、采場(chǎng)尺寸和鑿巖爆破等參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考,為礦山安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)及精細(xì)化管理提供保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)位于華北板塊南緣,洛寧縣南部熊耳山多金屬成礦帶—上宮成礦帶北西部,變質(zhì)作用強(qiáng)烈,巖漿活動(dòng)頻繁,斷裂構(gòu)造發(fā)育,成礦條件優(yōu)越,但工程地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)出露或工程揭露的地層主要為新太古界太華群石板溝巖組(Arsb)、龍?zhí)稖蠋r組(Arln)、龍門店巖組(Arlm)以及零星分布的第四系(Q)。石板溝巖組(Arsb)主要巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、淺粒巖、混合巖夾少量角閃巖、透輝角閃石巖、蝕變輝桿巖、滑石巖等。龍?zhí)稖蠋r組(Arln)主要巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角閃黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖、淺粒巖等。龍門店巖組(Arlm)主要巖性為淺粒巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖等(圖1)[20]。

圖1 吉家洼金礦礦區(qū)地質(zhì)特征Fig.1 Geological characteristics of the mining area of Jijiawa Gold Mine

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,按其展布方向可分為近SN、NE、EW、NW向4組,而近SN向斷裂是礦區(qū)的主要斷裂,分布于礦區(qū)中部及西部,為后期破礦斷裂,多為直立,局部反傾,斷裂帶內(nèi)巖性多為碎裂巖、蝕變巖、泥礫巖。區(qū)內(nèi)構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為張性—壓扭性力學(xué)性質(zhì),具有多期構(gòu)造活動(dòng)疊加的特點(diǎn)[20]。

礦區(qū)內(nèi)侵入巖主要為輝綠巖(βμ)和閃長(zhǎng)玢巖(δμ)。輝綠巖呈巖脈、巖墻狀產(chǎn)出,多數(shù)走向近EW,次為NW、NE向,少數(shù)呈NNE向;規(guī)模大小不等,最長(zhǎng)約3 000 m,最短只有十余米,寬度最大為200～500 m,小者只有數(shù)十厘米,常有分枝現(xiàn)象,傾角為40°～70°,個(gè)別近直立;巖石呈暗綠色、深灰色,輝綠結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造[20];主要礦物成分為普通輝石和基性斜長(zhǎng)石,次要礦物為角閃石、次閃石、絹云母、黑云母、綠簾石、綠泥石等,偶有石英出現(xiàn)。閃長(zhǎng)玢巖分布于礦區(qū)南部邊緣,呈巖基狀產(chǎn)出;巖石呈淺灰色,半自形粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要礦物成分有斜長(zhǎng)石(55%～60%)、角閃石(30%～40%),次要礦物有石英、絹云母、次閃石、輝石、綠泥石、黑云母、黝簾石等。閃長(zhǎng)玢巖中斑晶為斜長(zhǎng)石,含量為5%～15%,半自形—自形寬板狀或短柱狀晶體,粒度為(0.5×1.0)～(2×5) mm,大部分已強(qiáng)烈絹云母化、鈉黝簾石化。

2 工程地質(zhì)建模

工程地質(zhì)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于礦山工程地質(zhì)調(diào)查,其常用手段是對(duì)鉆孔巖心進(jìn)行工程地質(zhì)編錄和巖石力學(xué)測(cè)試,編錄包含的內(nèi)容較多,包含巖性、巖石蝕變、斷層、節(jié)理頻數(shù)和節(jié)理產(chǎn)狀、巖石強(qiáng)度和巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)等,巖石力學(xué)測(cè)試是采集不同的巖石樣品,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等參數(shù)測(cè)定。

本次工程地質(zhì)建模是在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,構(gòu)建巖性模型、斷層模型和節(jié)理裂隙模型,其中巖性模型和斷層模型包含實(shí)體模型和塊體模型,節(jié)理裂隙模型只有塊體模型,3個(gè)塊體模型中各自工程地質(zhì)參數(shù)經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換形成工程地質(zhì)塊體模型,主要字段為ENZONE,其代表綜合工程地質(zhì)參數(shù)。

2.1 巖性模型

地層建模是根據(jù)鉆孔編錄資料,利用Leapfrog軟件形成實(shí)體模型,再利用Datamine軟件中進(jìn)行塊充填,形成塊體模型。模型塊尺寸為10 m×10 m×10 m,巖性字段編號(hào)為ZONE,代表工程地質(zhì)參數(shù),ZONE為1代表黑云斜長(zhǎng)片麻巖,ZONE為2代表角閃斜長(zhǎng)片麻巖,ZONE為3代表角輝綠巖(圖2)。

礦區(qū)黑云斜長(zhǎng)片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)取值接近,而輝綠巖的巖石力學(xué)參數(shù)明顯偏低,可能是由于輝綠巖一般發(fā)育較強(qiáng)的蝕變作用(圖3和表1)。將角閃斜長(zhǎng)片麻巖的抗壓強(qiáng)度參數(shù)定義為100,黑云斜長(zhǎng)片麻巖和輝綠巖的抗壓強(qiáng)度參數(shù)分別定義為98和81,依次將抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行類似處理,然后將處理結(jié)果求平均值,獲得的黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖和輝綠巖的工程地質(zhì)參數(shù)(ZONE)分別為97、100和79。

圖3 礦區(qū)巖石照片F(xiàn)ig.3 Rock photos in the mining area

2.2 斷層模型

斷層建模只考慮礦區(qū)中部近SN向主要斷裂,其他小的斷裂位移較小,工程地質(zhì)調(diào)查中以裂隙考慮。斷層建模步驟為:① 建模過程是根據(jù)編錄資料在剖面上連接斷層;② 利用多個(gè)剖面的斷層線形成斷層面的實(shí)體文件;③ 提取實(shí)體文件三角網(wǎng)產(chǎn)狀,形成斷層產(chǎn)狀點(diǎn)文件;④ 利用最近距離法獲得三角網(wǎng)中心點(diǎn)與空間點(diǎn)的距離;⑤ 利用動(dòng)態(tài)橢球體技術(shù)將距離標(biāo)準(zhǔn)化后賦予塊體模型,搜索橢球體參數(shù)為100 m×100 m×10 m,最小樣品為2,最大樣品數(shù)為10。斷層點(diǎn)文件屬性為單一值,評(píng)估斷層發(fā)育程度是利用空間點(diǎn)與斷層的距離(TD),也就是斷層塊體模型中TD字段代表工程地質(zhì)參數(shù)(圖4)。

圖4 折層塊體模型及產(chǎn)狀Fig.4 Block model and occurrence of fault

2.3 節(jié)理裂隙模型

節(jié)理裂隙建模步驟如下:

(1)對(duì)節(jié)理裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,編錄節(jié)理裂隙密度按照每2 m節(jié)理裂隙數(shù)量計(jì)算,礦區(qū)節(jié)理裂隙密度最大為61,最小為1,兩種片麻巖中節(jié)理裂隙密度類似,輝綠巖中較高,斷裂帶內(nèi)最高(圖5)。

圖5 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of joint fissure

(2)節(jié)理裂隙密度空間數(shù)據(jù)采用克里金法分析和擬合,結(jié)果如圖6所示。沿不同方向變異函數(shù)擬合模型的塊金值均為0.25,說明節(jié)理裂隙密度空間數(shù)據(jù)變異性較小,但沿不同方向的變程有明顯差異,其中圖6(a)中沿鉆孔軌跡方向變程為62 m,圖6(b)中沿358°∠-5°(相當(dāng)于178°∠5°)方向變程為69 m,圖6(c)中沿258°∠-65°方向變程為190 m,圖6(d)中沿270°∠25°方向變程為61 m,說明數(shù)據(jù)各向異性明顯,沿NE方向數(shù)據(jù)相關(guān)性最強(qiáng),該方向也是模型分析中橢球體的長(zhǎng)軸方向。

圖6 礦體沿不同方向節(jié)理裂隙密度克里金分析Fig.6 Kriging analysis of joint fissure density in the ore body along different directions

(3)塊體模型賦值,賦值方法為普通克里金法,搜索橢球體參數(shù)為200 m×200 m×50 m,最小樣品為3,最大樣品數(shù)為10。節(jié)理裂隙密度塊體模型中FDENSITY字段為節(jié)理裂隙密度,代表節(jié)理裂隙密度塊體模型的工程地質(zhì)參數(shù)。

2.4 工程地質(zhì)塊體模型

工程地質(zhì)塊體模型是利用巖性(ZONE)、斷層(TD)和節(jié)理裂隙塊體模型工程地質(zhì)參數(shù)(FDENSITY)形成工程地質(zhì)塊體模型的工程地質(zhì)綜合參數(shù)(ENZONE)。工程地質(zhì)塊體建模步驟如下:

(1)礦區(qū)工程地質(zhì)塊建模的前提是給巖性、斷層和節(jié)理裂隙密度等工程地質(zhì)參數(shù)賦予不同權(quán)重,而不同礦山的地層、斷層和節(jié)理裂隙密度對(duì)于工程地質(zhì)特征的影響各異,所占權(quán)重也不同。本研究利用每個(gè)權(quán)重比例下礦區(qū)的綜合工程地質(zhì)參數(shù)計(jì)算值與多個(gè)已知地區(qū)(采礦工程揭露地區(qū))的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)30(地層權(quán)重)∶30(節(jié)理裂隙權(quán)重)∶40(斷層權(quán)重)的賦值組合與已知地區(qū)的實(shí)際值吻合度最高,因此本研究工程地質(zhì)塊體建模中使用該權(quán)重比例。

(2)塊體模型中斷層和節(jié)理裂隙密度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。本研究參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理采用歸一化法,目的是使得數(shù)據(jù)壓縮在[0,1]以內(nèi)。斷層中工程地質(zhì)參數(shù)(TD)為標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)乘以其權(quán)重(40),節(jié)理裂隙密度中工程地質(zhì)綜合參數(shù)(FDENSITY)為標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)乘以其權(quán)重(30)。

(3)地層、斷層和節(jié)理裂隙密度的標(biāo)準(zhǔn)化工程地質(zhì)參數(shù)相加形成綜合工程地質(zhì)參數(shù)。工程地質(zhì)塊體模型中ENZONE字段代表綜合工程地質(zhì)參數(shù)(圖7)。

圖7 工程地質(zhì)模型Fig.7 Engineering geological model

3 工程地質(zhì)模型應(yīng)用

礦區(qū)工程地質(zhì)模型在指導(dǎo)采礦生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用,尤其在開拓工程、采場(chǎng)尺寸和鑿巖爆破參數(shù)選擇等方面,可以有效修正經(jīng)驗(yàn)參數(shù),既有利于安全生產(chǎn),又有助于節(jié)約生產(chǎn)成本。

根據(jù)模型計(jì)算值與多個(gè)已知地區(qū)(采礦工程揭露地區(qū))的實(shí)際工程地質(zhì)條件,將模型ENZONE值劃分為4個(gè)等級(jí),大于90為好,80～90為較好,60～80為較差,小于60為差。該礦區(qū)工程地質(zhì)模型顯示SN向斷裂兩側(cè)ENZONE的值低,為0～60,工程地質(zhì)條件差;斷層下盤84800N兩側(cè)和斷層上盤85300N兩側(cè)ENZONE值約60,工程地質(zhì)條件較差,開拓工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免ENZONE值小于60的地區(qū)。目前生產(chǎn)中,在工程地質(zhì)條件較好地區(qū),ENZONE值約70,采場(chǎng)尺寸為40 m×20 m×5 m(長(zhǎng)×寬×高),當(dāng)ENZONE的值減少到60左右時(shí),采場(chǎng)尺寸應(yīng)減小到20 m×20 m×5 m(長(zhǎng)×寬×高),相應(yīng)的單位體積穿孔和裝藥數(shù)量也應(yīng)適當(dāng)減少。

4 結(jié) 論

在吉家洼金礦工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了巖性、斷層和節(jié)理裂隙密度的實(shí)體模型和塊體模型,同時(shí)形成了工程地質(zhì)塊體模型,為礦山安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)及精細(xì)化管理提供了保障。所得結(jié)論如下:

(1)將礦區(qū)巖性、斷層和節(jié)理裂隙的定性或定量參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦值,獲得礦山工程地質(zhì)塊體模型。模型中巖性數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)化后的巖石力學(xué)參數(shù),斷層使用動(dòng)態(tài)橢球體技術(shù)和距離冪次反比法估算空間點(diǎn)與斷層的距離,節(jié)理裂隙密度使用克里金插值。

(2)為礦區(qū)地層、節(jié)理裂隙和斷層分別賦予權(quán)重30%、30%和40%,并將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后相加形成工程地質(zhì)塊體模型,用ENZONE字段表示,代表工程地質(zhì)綜合參數(shù)。構(gòu)建的吉家洼金礦工程地質(zhì)模型顯示礦區(qū)SN向斷裂兩側(cè)、斷層下盤84800N兩側(cè)和上盤85300N兩側(cè)ENZONE值偏低,約為60,預(yù)示工程地質(zhì)條件較差,后期礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中應(yīng)予以重視。