一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法

1.本发明属于矿山开采技术领域，具体涉及一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法。


背景技术：

2.随着当今社会、经济的发展和工业需求的增长，矿山的开采压力逐渐增大，原有的开采能力已经不能满足对矿产资源需求量的增加，矿井开采渐渐向深部地层或复杂的地质条件发展，而开发难度增大，对矿区生态环境造成的危害也越发严重。由地下开采活动造成的地压灾害严重危及地下井巷及设备的安全，矿体产出形成的采空区坍塌，致使地层产生移动，并造成地面塌陷，最终使地表产生下沉变形、房屋和建筑物倾倒以及农田破坏，甚至威胁人类的生命和财产安全。
3.目前众多学者对煤矿开采沉陷问题的研究较多，取得了丰硕的成果。金属矿山与煤矿不同，一般是岩浆侵入交代变质成矿，矿体形态多表现为不规则状，大多赋存在地质构造复杂的山区，地质体的力学性质和变形特征呈各向异性。特别是铁矿的采矿工艺，需要综合考虑矿体赋存、矿体品位及开采成本等问题，一般采用崩落法进行开采，因此金属矿山开采造成的岩层移动和地面沉陷机理与煤矿不同，但目前针对金属矿山开采过程导致地面沉陷的研究相对煤矿而言比较少。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明设计一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法；可以直观表现地下矿山开采各步骤对地表稳定性的影响程度，对矿山安全生产提供更科学的参考依据。
5.一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1：采用无人机扫描，确定矿区的地形、地貌、植被及各类建筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化数据；构建钻孔数据库；建立包含矿区地表、巷道、断层与矿体的3dmine三维实体模型及三维精细化计算模型，获得地下矿矿区地层岩性分布、矿体与围岩的关系及矿区断层分布情况；
7.步骤1-1：采用无人机确定矿区的地形、地貌、植被及各类建、构筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化点云数据，实现矿区的无人机倾斜摄影建模；
8.步骤1-2：根据地质剖面图及钻孔勘探数据，整理各个钻孔的工程号、开孔坐标、最大孔深、轨迹类型、深度、方位角、倾角、rmr值、rqd值、整理定位表、测斜表、rmr表和rqd表，在3dmine软件中选择“钻孔-新建数据库”功能，导入以上表格，建立钻孔数据库；
9.步骤1-3：根据矿区所测现状地形图，对等高线、高程点进行提取和三维赋值，利用3dmine软件的约束线条创建dtm功能，建立矿区地表三维模型；根据矿区勘探报告的钻孔数据及勘探线剖面图，开展不同岩体之间边界线的提取，确定岩体空间姿态及位置；根据开拓系统图开展不同标高下有轨运输平道、回风井、斜井和泄水井边界线的提取，确定不同标高
下开拓系统空间姿态以及位置，完成3dmine三维实体模型的构建；
10.步骤1-4：在rhino中根据矿区尺寸建立立方体模型，根据步骤1-1所获得点云数据对其切割，获得带有地表形态的初始模型；根据矿区勘探报告中勘探线、地质纵剖面、矿区地质横剖面，提取断层、围岩、夹岩、矿组的边界线，确定其空间姿态以及空间位置；在rhino软件中，连接某一围岩或夹岩的断面线，采用“放样”功能构建用于切割的实体面；根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对初始模型进行切割，完成矿区rhino三维精细化计算模型及三维网格模型的构建；
11.步骤2、对矿区进行勘探，收集地表建筑物的位置、高度、建筑类型，然后根据规范确定地表建构筑物保护等级；
12.步骤3、利用概率积分法计算地表变形值；判断地表建构筑物是否超过该区域保护等级最大倾斜及水平变形值；采取相应的开采措施，以达到建筑物下矿体安全开采的目标与要求；
13.步骤3-1、将步骤1中建立的3dmine三维实体模型切割成边长为a的块体；并导出块体坐标x、y、z及边长数据；a根据模型大小选取；
14.步骤3-2、由矿区实际测量资料确定地表下沉系数η、水平移动系数bz、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ及拐点偏距s；
15.步骤3-3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形u，公式如下；
[0016][0017][0018][0019]
其中，w0为地表最大下沉值，w0＝mηcosα，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；rz为主要影响半径；
[0020]
步骤3-4、根据步骤3-3获得的每个块体倾斜率、曲率和水平变形值，得到等值曲线图；
[0021]
步骤4、利用基于深度学习的智能识别系统对勘探获取的岩芯照片进行rqd识别，获得准确的岩体质量指标rqd值；根据钻孔描述获取计算岩石工程质量的参数，通过岩石质量参数计算各类岩体力学参数对应权重；采用rqd、rmr、gsi三种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行了岩体质量分级评价，获得全面与准确的岩体质量分级结果；
[0022]
步骤4-1、通过室内单轴抗压试验和标准规范查找对比确定干燥岩石的单轴抗压强度ucs；
[0023]
步骤4-2、对于有岩芯数据的钻孔，利用基于深度学习智能识别岩芯rqd系统，导入岩芯照片，识别岩心长度，获取岩芯rqd值并获得相应权重；对于没有岩芯数据的钻孔，从钻孔描述本身出发，根据钻孔描述中关于破碎程度、结构面条件的文字说明，给出相应的权重；
[0024]
步骤4-3、通过rqd值计算结构面间距js，二者关系为：
[0025]
[0026]
步骤4-4、钻孔描述中涉及的结构面条件的进行相应折减，确定结构面条件权重；
[0027]
步骤4-5、通过水文地质报告中含水层位置涉及的岩性及标高确定地下水条件及权重；
[0028]
步骤4-6、由节理化岩体的岩体参数jv(节理数/m3)细定节理化岩体的地质强度指标gsi；
[0029]
步骤4-7、根据步骤4-2所得rqd值确定rqd分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4-1和4-5所得值确定rmr分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4-6所得值确定gsi分级方法所对应的岩体级别；
[0030]
步骤5、根据组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度、组成岩体的完整岩块的hoek-brown常数以及岩体的地质强度指标gsi，利用hoek-brown强度准则确定各类岩体强度指标与力学参数；
[0031]
步骤5-1、根据室内单轴抗压试验结果获得组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度σ
ci
；
[0032]
步骤5-2、根据岩体类型获得组成岩体的完整岩块的hoek-brown常数mi；
[0033]
步骤5-3、根据岩体的地质强度指标gsi，综合勘探时对岩体结构、矿岩状态、岩体不连续面质量的评价及考虑爆破影响和应力释放的扰动参数d，计算材料常数mb、s、α，计算公式如下：
[0034][0035][0036][0037]
其中，mb为岩体的hoek-brown常量；mi为组成岩体完整岩块的hoek-brown常数；gsi为岩体的地质强度指标；d为爆破或应力释放对岩体扰动程度的系数；
[0038]
步骤5-4、根据hoek-brown强度准则计算各类岩体的单轴抗压强度σc、抗拉强度σ
t
、弹性模量em、摩擦角φ、内聚力c：
[0039]
σc＝σ
cisα
[0040][0041][0042][0043]
[0044][0045]
步骤6、利用步骤1获得的三维精细化计算模型进行矿体开采模拟，分析不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度对矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律，计算地表各点倾斜、曲率、水平变形并绘制等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围并对比地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方式是否合理；
[0046]
步骤6-1、根据的不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度确定工况，采用“放样”对断面线构建切割实体面，根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对三维精细化计算模型进行切割，划分网格；检查并处理网格错误，选择合适尺寸输出网格文件；根据模型大小和想要达到精度选择尺寸；
[0047]
步骤6-2、将网格文件导入flac3d，根据已划分的围岩、断层、矿体进行zone分组及重命名，并将三维精细化计算模型分配为莫尔库伦模型；根据步骤5计算所得的岩体力学参数，按照不同的zone分组进行赋值；将莫尔库伦模型初始地应力平衡；将莫尔库伦模型位移和速度清零；按照不同工况进行开挖、回填求解；
[0048]
步骤6-3、利用有限差分法进行地下金属矿山矿体开采模拟；模拟完成后，将不同工况模型地表的节点x、y、z方向的空间位置坐标及位移输出为文本文件；利用步骤3中的方法计算地表各点倾斜、曲率、水平变形；
[0049]
步骤6-4、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的倾斜、曲率、水平变形等值线图，预测出地表移动范围；
[0050]
步骤6-5、对比步骤2中的地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方法是否安全合理。
[0051]
本发明有益技术效果：
[0052]
(1)利用本发明进行采地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测，可以确定不同开采阶段地表的变形破坏状态，为安全生产提供依据，避免因地表移动与塌陷引起的人员伤亡和财产损失；
[0053]
(2)根据地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测成果，判断邻近建构筑物及设施受采矿影响的程度，为搬迁范围与搬迁时间的确定提供依据，并为合理布置生产、办公与生活等拟建地面设施提供参考；
[0054]
(3)本发明根据实地调查的钻孔信息建立3dmine三维地质数据库，将钻孔的工程定位数据、测斜数据、岩性信息等用数据库管理起来，实现数据的综合查询、组合、提取及计算等，实时进行数据的录入、修改和更新，同时能够进行钻孔数据的查询、三维显示，由此获得岩体空间变异性力学参数，进而作为基础数据用于后续的地质建模工作；利用团队自主研发的rqd智能识别系统分析钻孔取样照片，获得更为真实的分级结果及岩体力学参数。
[0055]
(4)本发明方法提出了适合于模拟充填采矿法开采地下金属矿山诱发地表移动范围预测方法，将矿山等效成岩体模型，对岩体进行分级并计算相关参数，再利用flac3d分析地表移动规律及预测破坏范围，实现地下金属矿山开采诱发地表移动范围三维数值模拟预测。
附图说明
[0056]
图1是本发明具体实施方式的地下矿山矿体分布图；
[0057]
图2是本发明具体实施方式的大直径深孔嗣后充填法示意图，图中1-中段沿脉巷道；2-分段下盘沿脉干线；3-分段上盘沿脉干线；4-盘区联络道；5-出矿穿脉；6-堑沟巷道；7-出矿进路；8-出矿穿脉；9-采场溜井；10-切顶巷道；11-切割天井；12-切顶联道；13-切顶沿脉巷道；
[0058]
图3是本发明具体实施方式的3dmine三维地质模型；
[0059]
图4是本发明具体实施方式的三维精细化计算模型，(a)是正视图，(b)是右视图，(c)是俯视图，(d)是三维图；
[0060]
图5是本发明具体实施方式的基于概率积分法的中干沟地表变形参数图，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0061]
图6是本发明具体实施方式的数值模型网格模型；
[0062]
图7是本发明具体实施方式的方案1地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0063]
图8是本发明具体实施方式的方案2地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0064]
图9是本发明具体实施方式的方案3地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0065]
图10是本发明具体实施方式的方案4地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0066]
图11是本发明具体实施方式的方案5地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0067]
图12是本发明具体实施方式的方案6地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0068]
图13是本发明具体实施方式的方案7地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0069]
图14是本发明具体实施方式的方案8地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0070]
图15是本发明具体实施方式的方案9地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0071]
图16是本发明具体实施方式的方案10地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0072]
图17是本发明具体实施方式的方案11地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0073]
图18是本发明具体实施方式的方案12地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0074]
图19是本发明具体实施方式的方案13地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0075]
图20是本发明具体实施方式的方案14地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲
率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0076]
图21是本发明具体实施方式的方案15地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0077]
图22是本发明具体实施方式的方案16地表变形结果，(a)是倾斜等值线，(b)是曲率等值线，(c)是地表变形等值线；
[0078]
图23是本发明具体实施方式的地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法流程图；
[0079]
图24是本发明具体实施方式的地下金属矿山开采区域的三维建模流程图；
[0080]
图25是本发明具体实施方式的概率积分法计算地表变形理论值流程图；
[0081]
图26是本发明具体实施方式的岩体质量评价流程图；
[0082]
图27是本发明具体实施方式的确定岩体力学参数流程图；
[0083]
图28是本发明具体实施方式的矿体开采模拟流程图。
具体实施方式
[0084]
下面结合附图和实例对本发明做详细说明。
[0085]
以中干沟钒钛磁铁矿地下开采为例，详细说明地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法。
[0086]
该地下矿山的地质背景：中干沟钒钛磁铁矿矿区含矿基性-超基性岩体为一底板不平的岩盆，受后期断层和正长岩分割，形成西南部(w)、北东部(n)和东部(e)三个岩体。主矿体(西南矿体)赋存标高为350m～1280m，埋藏深度150m～1100m。西南矿体大部分为多层矿体，倾角在40
°
～47
°
之间，单层厚度在23～118m，夹石厚度8～22m。东部矿体为单层矿体，倾角68
°
～74
°
，厚度13～73m。矿石类型以辉石岩型为主，橄辉岩型次之，少量辉长岩型，岩石质量等级ⅲ级，岩石质量中等，岩体完整性中等。含矿岩体顶板岩石大部分为第三系昔格达组，成岩作用很差、硬度很小、力学强度很低。矿石结构主要为包含结构、镶嵌结构、海绵陨铁结构；构造以中等浸染状构造为主，稀疏浸染状构造、稠密浸染状构造次之，少量条带状构造、致密块状构造、流状构造、斑杂状构造等，如附图1所示。矿床水文地质条件复杂程度中等，矿区工程地质体条件中等，矿区地质环境条件不良，矿区开发利用条件属于以环境地质问题为主的开采技术条件复杂类型(ⅲ3)。
[0087]
该地下矿山的采矿背景：开采方式为大直径深孔空场嗣后充填法，如附图2所示。设计中段高度为200m，分段高度45m，一期开采880m标高以上的矿体，二期开采480m～880m标高之间的矿体，三期开采480m标高以下矿体。西南矿组划分4个中段，分别为：1080m、880m、680m、480m中段以及480m以下；东部矿体划分为3个中段，分别是1280m、1080m及880m中段。
[0088]
按照开采方式划分16个方案，见表1。
[0089]
表1各种方案工况具体情况
[0090]
方案工况1盘区间柱15m、分段高度为45m、保安矿柱厚度45m2盘区间柱15m、分段高度为45m、保安矿柱厚度60m3盘区间柱15m、分段高度为45m、保安矿柱厚度75m
4盘区间柱15m、分段高度为60m、保安矿柱厚度45m5盘区间柱15m、分段高度为60m、保安矿柱厚度60m6盘区间柱15m、分段高度为60m、保安矿柱厚度75m7盘区间柱18m、分段高度为45m、保安矿柱厚度45m8盘区间柱18m、分段高度为45m、保安矿柱厚度60m9盘区间柱18m、分段高度为45m、保安矿柱厚度75m10盘区间柱18m、分段高度为60m、保安矿柱厚度45m11盘区间柱18m、分段高度为60m、保安矿柱厚度60m12盘区间柱18m、分段高度为60m、保安矿柱厚度75m13盘区间柱25m、分段高度为60m、保安矿柱厚度40m14盘区间柱25m、分段高度为60m、保安矿柱厚度45m15盘区间柱30m、分段高度为60m、保安矿柱厚度40m16盘区间柱30m、分段高度为60m、保安矿柱厚度45m
[0091]
地下金属矿山开采将诱发采空区地表沉降与地面塌陷，破坏大量林地，农田等土地资源以及重要的交通道路和民用建筑，严重威胁矿区附近人民的生命财产安全。如何模拟矿体开采地表塌陷由开始阶段到活跃阶段，最后到衰退阶段的全过程的力学行为，以及在时间和空间上准确预测破坏的发生是预测的难点问题。
[0092]
一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，如图23所示，具体包括以下步骤：
[0093]
步骤1：采用无人机扫描，确定矿区的地形、地貌、植被及各类建构筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化数据；构建钻孔数据库；建立包含矿区地表、巷道、断层与矿体的3dmine三维实体模型及三维精细化计算模型，获得地下矿矿区地层岩性分布、矿体与围岩的关系及矿区断层分布情况；如图24所示；
[0094]
步骤1-1、采用载有psdk 102s倾斜相机的matrice 300rtk飞行器进行无人机倾斜摄影测量，采集地表建构筑物参数数据，写实地反映出地物的外观、位置、高度等属性，搭配pc应用软件——大疆智图，实现中干沟钒钛磁铁矿的地表建模。
[0095]
步骤1-2：根据地质剖面图及钻孔勘探数据，整理各个钻孔的工程号、开孔坐标、最大孔深、轨迹类型、深度、方位角、倾角、rmr值、rqd值、整理定位表、测斜表、rmr表和rqd表，在3dmine软件中选择“钻孔-新建数据库”功能，导入以上表格，建立钻孔数据库；
[0096]
步骤1-3：根据矿区所测现状地形图，对等高线、高程点进行提取和三维赋值，利用3dmine软件的约束线条创建dtm功能，建立矿区地表三维模型；根据矿区勘探报告的钻孔数据及勘探线剖面图，开展不同岩体之间边界线的提取，确定岩体空间姿态及位置；根据开拓系统图开展不同标高下有轨运输平道、回风井、斜井和泄水井边界线的提取，确定不同标高下开拓系统空间姿态以及位置，完成3dmine三维实体模型的构建，如附图3所示；
[0097]
步骤1-4：在rhino中根据矿区尺寸建立立方体模型，根据步骤1-1所获得点云数据对其切割，获得带有地表形态的初始模型；根据矿区勘探报告中勘探线、地质纵剖面、矿区地质横剖面，提取断层、围岩、夹岩、矿组的边界线，确定其空间姿态以及空间位置；在rhino软件中，连接对某一围岩或夹岩的断面线，采用“放样”功能构建用于切割的实体面；根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对初始模型进行切割，完成矿区
rhino三维精细化计算模型如附图4所示及三维网格模型的构建；
[0098]
步骤2、对矿区进行勘探，收集地表建(构)筑物的位置、高度、建筑类型，然后根据《矿区建筑物保护等级划分》、《矿区公路等级划分》、《建筑物破坏与地表变形关系》规范确定地表建构筑物保护等级；
[0099]
根据开采理论，地下采矿引起的地表变形值不超过地面建构筑物的许可变形值，地表建构筑物原则上不会造成破坏。结合中干沟钒钛磁铁矿实际情况，分析井下采矿作业对地表安全性的影响，依据地表变形值讨论各建构筑物承受扰动损伤是否在对应规范允许区间内，以此判断开采作业的合理性。
[0100]
步骤3、利用概率积分法计算地表变形值；如图25所示，判断地表建构筑是否超过该区域保护等级最大倾斜及水平变形值；以采取相应的开采措施，达到建筑物下矿体安全开采的目标与要求；
[0101]
步骤3-1、将步骤1中建立的3dmine三维实体模型切割成边长为10的块体；并导出块体坐标x、y、z及边长数据；
[0102]
步骤3-2、由矿区实际测量资料确定地表下沉系数η、水平移动系数bz、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ及拐点偏距s；
[0103]
步骤3-3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形u，公式如下；
[0104][0105][0106][0107]
其中，w0为地表最大下沉值，w0＝mηcosα，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；rz为主要影响半径；
[0108]
步骤3-4、使用matlab编制程序进行计算，并得到等值曲线图；如图5，(a)为地表倾斜的等值线图，(b)为地表曲率的等值线图，(c)为地表水平变形的等值线图。
[0109]
步骤4、对各类岩体进行工程岩体质量评价。该步骤是对所有工程岩体力学参数进行折减和确定的前提和基础，即通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质与参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类。通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计、支护衬砌、施工方法选择等提供参数和依据。本发明利用rqd、rmr、gsi等多种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行岩体质量分级评价。如图26所示，具体步骤如下：
[0110]
步骤4-1、通过室内单轴抗压试验和标准规范查找对比确定干燥岩石的单轴抗压强度(ucs)；
[0111]
步骤4-2、rqd值反映了岩体被各种结构面切割的程度。由于指标意义明确，可在钻探过程中附带得到，又属于定量指标，对于矿山的总体设计以及巷道支护等的设计有较好的用途。对于有岩芯数据的钻孔，利用基于深度学习智能识别岩芯rqd系统获取岩芯rqd数据；对于没有岩芯数据的钻孔，从岩芯描述本身出发，根据岩芯描述中关于破碎程度、结构
面条件的文字说明，给出相应的权重；
[0112]
步骤4-3、通过rqd计算js(结构面间距)，其计算公式为：
[0113][0114]
步骤4-4、钻孔描述中涉及风化、断层、连续、张开、光滑等结构面条件的进行相应折减，把结构面条件和风化程度考虑在内，确定结构面条件；
[0115]
步骤4-5、通过水文地质报告中含水层位置涉及的岩性及标高确定地下水条件及权重；
[0116]
步骤4-6、由节理化岩体的岩体参数jv(节理数/m3)细定节理化岩体的地质强度指标gsi。
[0117]
步骤4-7、根据步骤4-1～4-6得到三种分级方法的分级结果，见表2。
[0118]
表2岩体质量分级结果；
[0119][0120][0121]
步骤5、利用hoek-brown准则确定岩体力学参数，如图27所示，具体步骤如下：
[0122]
步骤5-1、通过室内试验获得组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度σ
ci
；
[0123]
步骤5-2、根据岩体类型获得组成岩体的完整岩块的hoek-brown常数mi，见表3；
[0124]
表3岩体hoek-brown常数；
[0125]
岩性hoek-brown常量mi岩性hoek-brown常量mi辉石岩25辉长岩25昔格达组泥岩4正长岩25辉石正长混染岩25含铁橄辉岩17昔格达组砂岩17辉绿岩17辉石矿25变质砂岩17辉长矿25白云质大理岩7橄辉矿25
ꢀꢀ
[0126]
步骤5-3、根据岩体的地质强度指标gsi，综合岩体结构、矿岩状态、岩体不连续面质量及考虑爆破影响和应力释放的扰动参数d，计算材料常数mb、s、α，计算公式如下：
[0127]
[0128][0129][0130]
步骤5-4、计算岩体的单轴抗压强度σc、抗拉强度σ
t
、弹性模量em、摩擦角φ、内聚力c，计算公式如下：
[0131]
σc＝σ
cisα
[0132][0133][0134][0135][0136][0137]
计算结果见表4。
[0138]
表4岩体力学参数计算结果；
[0139]
岩石类型抗拉强度(mpa)弹性模量(gpa)摩擦角(
°
)粘聚力(mpa)辉石岩0.8112.2843.072.85昔格达组泥岩0.020.1113.560.02辉石正长混染岩0.7125.4653.142.90昔格达组砂岩0.100.4023.250.20辉石矿1.2012.3843.863.90辉长矿0.686.5246.031.06橄辉矿0.8611.4737.353.42辉长岩0.465.8842.751.66正长岩0.457.5942.212.13含铁橄辉岩0.7915.4744.842.16辉绿岩0.7421.7247.172.46变质砂岩0.8914.5145.102.61白云质大理岩1.1233.1342.523.26
[0140]
步骤6、利用步骤1获得的三维精细化计算模型进行矿体开采模拟，分析不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度对矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律，计算地表各点倾斜、曲率、水平变形并绘制等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围并对比地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方式是否合理；如
图28所示；
[0141]
步骤6-1、在rhino三维模型中采用放样，根据由大到小、由外到内进行切割，合并非流行，用nurbs初步网格划分和网格报错检查，利用griddle插件中对网格自交面、重复面、外露边缘等错误显示，进行网格报错处理，直至网格无报错，选择合适的尺寸进行网格输出，如附图6所示。
[0142]
步骤6-2、将1中输出的网格文件f3grid导入有限元计算软件flac3d中，根据已经划分好的围岩断层矿体等实体块，将flac3d模型中对应的zone分组进行重新命名，固定计算模型的底面、前后面、左右面，将整个计算模型的本构模型分配为莫尔库伦模型。利用上述计算得到的不同围岩、矿体各项参数，并按照不同的zone分组进行赋值。进行计算，不平衡力达到1e-5，视为完成该模型的初始地应力平衡。将模型的位移和速度清零，根据不同工况分别进行开挖和回填，同样模型求解，不平衡力达到1e-5视为开挖或回填完成。
[0143]
步骤6-3、基于岩体力学参数计算的结果和三维精细化计算模型，利用有限差分法进行地下金属矿山矿体开采模拟；模拟完成后，利用编制的fish语言将不同工况模型地表的节点x、y、z方向的空间位置坐标及位移输出为文本文件。利用步骤3中的方法计算地表各点倾斜、曲率、水平变形。
[0144]
步骤6-4、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的倾斜、曲率、水平变形等值线图；
[0145]
步骤6-5、对比步骤2中的地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方法是否安全合理。
[0146]
利用上述三维精细化计算模型及岩体参数，按照开采步骤，进行中干沟钒钛磁铁矿大直径深孔空场嗣后充填法开采数值模拟，得到开采过程中地表移动破坏状况。图7-图22分别为按照方案1-方案16完成开采后地表变形结果。
[0147]
提高间柱尺寸具有较好的控制地表变形的作用，间柱对地表变形的控制作用强于保安矿柱厚度。保安矿柱厚度取45m，分段高度取60m时，当间柱尺寸提高到25m时，宏发尾矿库和博达尾矿库小部分区域的变形超过规范要求，且塑性区未发育到地表，围岩稳定性相对较好；当盘区间柱宽度提高到30m，地表建构筑物变形均能够满足规范要求。同时，提供间柱尺寸保安矿厚度具有减少到40m的可行性。
[0148]
同样，提高保安矿柱厚度，也具备缩小间柱尺寸的可行性。当保安矿柱厚度提高到75m，分段高度达到45m，盘区间柱宽度达到18m时，宏发尾矿库和博达尾矿库小部分区域的变形超过规范要求，围岩塑性区面积也较小，但同样保安矿柱与盘区间柱需加强监测与管理。
[0149]
从地表变形及围岩稳定性出发，后期设计时保安矿柱厚度宜留设45m以上、盘区间柱宜留设20m以上。从经济与安全角度出发，具体推荐的方案为：保安矿柱厚度留设45m、盘区间柱留设30m及分段高度取60m。

技术特征：
1.一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：采用无人机扫描，确定矿区的地形、地貌、植被及各类建筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化数据；构建钻孔数据库；建立包含矿区地表、巷道、断层与矿体的3dmine三维实体模型及三维精细化计算模型，获得地下矿区地层岩性分布、矿体与围岩的关系及矿区断层分布情况；步骤2、对矿区进行勘探，收集地表建筑物的位置、高度、建筑类型，然后根据规范确定地表建构筑物保护等级；步骤3、利用概率积分法计算地表变形值；判断地表建构筑物是否超过该区域保护等级最大倾斜及水平变形值；采取相应的开采措施；步骤4、利用基于深度学习的智能识别系统对勘探获取的岩芯照片进行rqd识别，获得准确的岩体质量指标rqd值；根据钻孔描述获取计算岩石工程质量的参数，通过岩石质量参数计算各类岩体力学参数对应权重；采用rqd、rmr、gsi三种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行了岩体质量分级评价，获得岩体质量分级结果；步骤5、根据组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度、组成岩体的完整岩块的hoek-brown常数以及岩体的地质强度指标gsi，利用hoek-brown强度准则确定各类岩体强度指标与力学参数；步骤6、利用步骤1获得的三维精细化计算模型进行矿体开采模拟，分析不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度对矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律，计算地表各点倾斜、曲率、水平变形并绘制等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围并对比地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方式是否合理。2.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤1具体为：步骤1-1：采用无人机确定矿区的地形、地貌、植被及各类建、构筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化点云数据，实现矿区的无人机倾斜摄影建模；步骤1-2：根据地质剖面图及钻孔勘探数据，整理各个钻孔的工程号、开孔坐标、最大孔深、轨迹类型、深度、方位角、倾角、rmr值、rqd值、整理定位表、测斜表、rmr表和rqd表，在3dmine软件中选择“钻孔-新建数据库”功能，导入以上表格，建立钻孔数据库；步骤1-3：根据矿区所测现状地形图，对等高线、高程点进行提取和三维赋值，利用3dmine软件的约束线条创建dtm功能，建立矿区地表三维模型；根据矿区勘探报告的钻孔数据及勘探线剖面图，开展不同岩体之间边界线的提取，确定岩体空间姿态及位置；根据开拓系统图开展不同标高下有轨运输平道、回风井、斜井和泄水井边界线的提取，确定不同标高下开拓系统空间姿态以及位置，完成3dmine三维实体模型的构建；步骤1-4：在rhino中根据矿区尺寸建立立方体模型，根据步骤1-1所获得点云数据对其切割，获得带有地表形态的初始模型；根据矿区勘探报告中勘探线、地质纵剖面、矿区地质横剖面，提取断层、围岩、夹岩、矿组的边界线，确定其空间姿态以及空间位置；在rhino软件中，连接某一围岩或夹岩的断面线，采用“放样”功能构建用于切割的实体面；根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对初始模型进行切割，完成矿区rhino三维精细化计算模型及三维网格模型的构建。
3.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤3-1、将步骤1中建立的3dmine三维实体模型切割成边长为a的块体；并导出块体坐标x、y、z及边长数据；a根据模型大小选取；步骤3-2、由矿区实际测量资料确定地表下沉系数η、水平移动系数b
z
、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ及拐点偏距s；步骤3-3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形u，公式如下；3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形u，公式如下；3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形u，公式如下；其中，w0为地表最大下沉值，w0＝mηcosα，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；r
z
为主要影响半径；步骤3-4、根据步骤3-3获得的每个块体倾斜率、曲率和水平变形值，得到等值曲线图。4.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤4具体为：步骤4-1、通过室内单轴抗压试验和标准规范查找对比确定干燥岩石的单轴抗压强度ucs；步骤4-2、对于有岩芯数据的钻孔，利用基于深度学习智能识别岩芯rqd系统，导入岩芯照片，识别岩心长度，获取岩芯rqd值并获得相应权重；对于没有岩芯数据的钻孔，从钻孔描述本身出发，根据钻孔描述中关于破碎程度、结构面条件的文字说明，给出相应的权重；步骤4-3、通过rqd值计算结构面间距j
s
，二者关系为：步骤4-4、钻孔描述中涉及的结构面条件的进行相应折减，确定结构面条件权重；步骤4-5、通过水文地质报告中含水层位置涉及的岩性及标高确定地下水条件及权重；步骤4-6、由节理化岩体的岩体参数j
v
(节理数/m3)细定节理化岩体的地质强度指标gsi；步骤4-7、根据步骤4-2所得rqd值确定rqd分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4-1和4-5所得值确定rmr分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4-6所得值确定gsi分级方法所对应的岩体级别。5.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤5具体为：步骤5-1、根据室内单轴抗压试验结果获得组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度σ
ci
；步骤5-2、根据岩体类型获得组成岩体的完整岩块的hoek-brown常数m
i
；步骤5-3、根据岩体的地质强度指标gsi，综合勘探时对岩体结构、矿岩状态、岩体不连续面质量的评价及考虑爆破影响和应力释放的扰动参数d，计算材料常数m
b
、s、α，计算公式如下：
其中，m
b
为岩体的hoek-brown常量；m
i
为组成岩体完整岩块的hoek-brown常数；gsi为岩体的地质强度指标；d为爆破或应力释放对岩体扰动程度的系数；步骤5-4、根据hoek-brown强度准则计算各类岩体的单轴抗压强度σ
c
、抗拉强度σ
t
、弹性模量e
m
、摩擦角φ、内聚力c：σ
c
＝σ
ci
s
ααααα
6.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤6具体为：步骤6-1、根据的不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度确定工况，采用“放样”对断面线构建切割实体面，根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对三维精细化计算模型进行切割，划分网格；检查并处理网格错误，选择尺寸输出网格文件；步骤6-2、将网格文件导入flac3d，根据已划分的围岩、断层、矿体进行zone分组及重命名，并将三维精细化计算模型分配为莫尔库伦模型；根据步骤5计算所得的岩体力学参数，按照不同的zone分组进行赋值；将莫尔库伦模型初始地应力平衡；将莫尔库伦模型位移和速度清零；按照不同工况进行开挖、回填求解；步骤6-3、利用有限差分法进行地下金属矿山矿体开采模拟；模拟完成后，将不同工况模型地表的节点x、y、z方向的空间位置坐标及位移输出为文本文件；利用步骤3中的方法计算地表各点倾斜、曲率、水平变形；步骤6-4、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的倾斜、曲率、水平变形等值线图，预测出地表移动范围；步骤6-5、对比步骤2中的地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方法是否安全合理。
7.根据权利要求6所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，所述步骤6根据模型大小和想要达到精度选择尺寸。

技术总结
本发明设计一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，首先构建地下矿体三维地质模型及三维精细化计算模型；确定地表建构筑物安全等级；利用概率积分法计算地表变形理论值；然后利用RQD、RMR、GSI等多种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行岩体质量分级评价；利用Hock-Brown准则确定岩体力学参数；利用精细化计算模型进行矿体开采模拟，分析不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度对矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏的规律，计算地表各点沿倾斜、曲率、水平变形并绘制等值线图，选定地表移动范围的边界，预测出地表移动范围，对比地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方式是否合理；避免因地表移动与塌陷引起的人员伤亡和财产损失。起的人员伤亡和财产损失。


技术研发人员：赵永 焦诗卉 赵乾百 杨天鸿 王述红
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/6