三维建模技术在露天矿土质边坡性质分析中的应用*

王 蒙 何 滔 常建平

(1.内蒙古科技大学矿业研究院；2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院)

软硬岩组、断裂构造、地下水等问题一直是影响露天矿山边坡的关键因素[1]，但对于一些第四系厚度较大、分布范围较广、变化较快的露天矿山，由于土质边坡自身土体强度低、孔隙大，地下水易富集，土层较厚区域边坡常常极易发生滑坡。由于土质边坡常常处于矿山边坡高位，下部基岩更易风化，地下水易于向坑内渗流，造成露天矿坑地下水患发育，影响采场生产。因此，对于土质边坡问题可以说是“水、土”问题。以往针对露天矿山边坡问题多集中于构造和岩性的影响，而对于一些土层较厚的露天矿山第四系土层的研究较少，由于土层引发的边坡“水、土”问题常常给矿山带来极大困扰。

传统的露天矿山边坡研究主要采用平面图和剖面图，其做法是将边坡空间地层、地貌、构造等地质信息投影到某一平面上进行计算分析，但此方法往往存在直观性差、制作过程复杂繁琐、图像失真扭曲严重等诸多不足。矿山采矿活动是一个三维空间、时间的动态活动，利用三维可视化建模技术使得理解空间地质信息更加逼真直观[2-3]，通过强大的可视化技术可提高对复杂地质条件的理解和判定，减少图像的扭曲失真[4]，此外，通过三维地质建模减少对复杂模型进行近似计算，提高数据分析的准确度，尤其是采用一些强有力的空间地质统计分析方法和空间变化交互式分析工具使地质数据分析可靠性和准确度更高，灵活性更强[5]。

1 研究区概况

巴润露天铁矿现已开采近10 a，矿石产量为1 500万t/a。区内出露的地层主要有太古界二道洼群绿色结晶片岩、元古界白云鄂博群变质岩、中生界侏罗系沉积岩和火山岩系，以及新生界第三系和第四系地层。其中本区第四系主要为第四系中下更新统冰水沉积物及冲洪积物组成，洪积层由卵石、砂、黏土组成，冲积层由粗砂和砾石组成。第四系土层厚度不均，横向变化较快，多富水，与地表水体存在水力联系，是矿区主要的含水层。

近几年来，随着开采深度和开采强度的不断增大，露天边坡发生大小滑坡已达十余起，其中，5处滑坡位于采场固定斜坡路的上方或下方，直接影响到正常生产安全，造成极大困扰。在这十几起滑坡中，近1/3为地下水所导致的土层抗剪强度过低而引发的圆弧形滑坡。这些土质滑坡地下水富集，土体强度低，边坡治理难度大，花费较多。若能查清露天矿区边坡土层地质分布特征，采取针对性稳坡和治水方案，将极大提高露天矿边坡的安全性，此外也一定程度地降低露天矿采场水患。

2 露天矿土体三维地质建模

在传统露天矿山边坡研究中，常常采用二维剖面图反映边坡地质体变化规律。但是土质边坡土体和地下水常常纵向和横向上均有较大差异，无法形象、准确地表示地质体的空间位置及形态，且效率低，直观性差，难以实现露天矿山边坡的有效治理和采矿设计的规划。

本次第四系三维地质建模主要采用地质剖面图提取第四系和地表信息建立三维模型，但原始地质剖面图等地质资料都是二维图件(图1)，无法直接进行三维分析。因此，将二维地质剖面图转化为三维地质剖面是三维建模的必须环节。三维转换工作先将地质剖面进行YZ坐标互换，再选取地质剖面图和勘探线工程布置图对应点坐标进行平面两点坐标转换，这样就实现了将二维剖面图转换为三维剖面图，见图2。

图1 二维地质剖面

图2 地质剖面图二维三维转换

将二维地质剖面图进行三维转换后，提取相关第四系顶底界面，采用三角网法建立第四系三维可视化地质模型(图3)。从中可以十分直观、准确地研读原始地表的起伏变化、第四系地层的空间起伏形态和厚度变化趋势。

图3 矿区土层三维模型

3 模型分析

3.1 土体厚度

土体厚度是影响第四系边坡稳定性的关键因素之一。露天矿区土体厚度大，一方面，采矿生产剥岩土方量较大，成本较高；另一方面，地下水更易储水富集，土体强度本身就低，造成土体厚度大区域边坡稳定性常常较差。

本次在第四系三维可视化地质模型基础之上，根据土层的顶底界面计算第四系的厚度，绘制第四系厚度等值线图(图4)。可以看出，巴润露天矿区土层厚度差异十分大，5～170 m不等。矿区大多数区域土层较薄，厚度多小于15 m，但在东西采场结合部厚度均较大，最厚处在100 m以上。根据现有滑体区域分布和土层厚度的对比关系可以看到，5#和8#滑体均位于土层厚度较大处。根据近年边坡工程地质勘察发现，此区域土体多为透水性较好的砂质土层和强度较低的黏土层，富水性好，水位高。土体常常由于地下水的作用使得抗剪强度大大降低，受地下水渗流压力的影响，多在边坡开挖后形成圆弧形滑坡。

图4 土层厚度值线与滑体区域对比

3.2 基岩面地形分析

地形分析是数字地形模型的一种重要方法，从三维第四系土层模型属性中可提取各类地形参数和特征，以对基岩面起伏形态做直观和定量分析[6]。

基岩面起伏形态利于地下水的渗流和滑坡的形成[7]。据相关资料统计，很多土层滑坡其滑面多为基岩面，边坡基岩面过低将会对矿区深部开采边坡稳定性十分不利。因此，确定基岩面的起伏形态是十分必要的。通过第四系土层三维地质模型计算基岩面起伏形态,见图5、图6。可以看出，除2#和3#滑体，其他区域均为低凹处，这种基岩面起伏变化造成地下水极易局部汇集，并在东西采场中部存在水力联系。尤其是5#和8#滑体东侧基岩面最低高程在标高1 500 m之下，为一巨厚土层凹陷区，地表水体等水源将多向此处汇集，且此处边坡土体位于露天矿坑高位，水压较高，可能成为采场地下水患的有效补给水源。

图5 基岩起伏等值线与滑体区域对比

图6 基岩起伏立体图

坡度是表征物体表面倾斜陡峭程度的指标，是任一点切平面与水平地面的夹角。坡向是表征倾斜面的朝向，表示表面某处最陡的倾斜方向[8]。坡向常常以度为单位，正北方向为0°，沿顺时针方向，正东方向为90°[9]，即

(1)

θ=fx/fy,

(2)

式中,φ为坡度，(°);θ为坡向，(°);fx为x方向高程变化率；fy为y方向高程变化率。

研究区为一大向斜构造，基岩面多为向坑内倾斜，土质边坡稳定性更弱，地下水将沿着基岩面凹陷向坑内富集渗漏。经对基岩面坡度坡向分析，北帮5#、6#滑体基岩面南倾斜，南帮8#、9#、1#滑体基岩面向北倾斜，边坡滑坡区域基岩面坡向多与边坡坡向基本一致(图7)。矿区土层局部坡度在15°以上，5#、8#、9#滑体区域坡度达到了25°以上，此区域地下水下蚀能力强，动水压力大，岩体易风化，边坡将越容易滑坡(图8)。

图7 基岩面坡向与滑体区域对比

图8 基岩面坡度与滑体区域对比

4 结 语

(1)通过地勘资料提取第四系土层二维信息建立三维模型，增强了土层边坡分析解释的直观性和可靠性。

(2)从巴润矿土体厚度分析可知，土层厚度差异十分大，5～170 m不等，现有土质滑坡多位于厚度达30 m以上土层区域。

(3)巴润矿基岩面多向坑内倾斜，坡向多与边坡一致，局部坡度在25°以上，地下水易向露天采场渗流，土质边坡区域稳定性较差。

(4)巴润矿独特的第四系土层特征是造成目前矿区土质滑坡频发、采场水患严重的重要原因，今后应对第四系土体进行进一步重点研究。