（岩土工程专业论文）金川Ⅲ矿区自然崩落法矿岩块度预测技术研究.pdf

摘要 矿岩块度分布预测对矿山自然崩落法开采具有重要的意义。本文 对金川h i 矿区自然崩落法矿岩块度预测技术进行了比较全面和系统 的研究，其主要工作如下： 1 针对金川h i 矿区矿体赋存状况和工程地质特点，制定了详细 的岩体构造调查技术规范，并采用钻孔岩芯调查和岩体原位观测方 法，对金川i i i 矿区岩体构造特征进行了全方位调查。 2 对调查数据资料进行了数字化，并以此为基础对金川i i i 矿区 1 5 5 4 水平以上的岩体构造特征的统计分布规律进行了详细的研究。 3 在系统研究自然崩落法矿岩块度形成影响因素的基础上，结合 金川i l l 矿区1 5 5 4 水平以上节理面空间分布规律，完善了 m a k e b l o c k 矿岩块度预测系统软件。 4 以金川1 1 1 矿区1 5 5 4 水平以上矿岩可崩性评价的三维空间块段 模型为基础，分别对不同岩性分区、不同中段分区、不同可崩性级别 分区、相邻勘探线间区域以及1 5 5 4 水平以上整体评价区域的节理间 距进行统计分析，结合节理产状和节理面迹线长度的统计分布规律， 以改进的m a k e b l o c k 矿岩块度预测软件为平台，完成对金川i l l 矿区1 5 5 4 水平以上不同分区的矿岩块度和整个评价区域的矿岩块度 预测评价。这种方法的创新点在于以三维空间块段模型为基础，采用 地质统计学的方法完成对评价区域任一块段单元节理间距的推估，并 可根据需要对任一分区的节理间距数据进行统计分析。 5 通过对对金川1 1 i 矿区1 5 5 4 水平以上自然崩落法矿岩块度的多 角度、全方位预测，得出金川m 矿区1 5 5 4 水平以上矿岩可崩性良好， 矿岩块度大块率适度的结论，对生产和实践具有指导作用。 6 本文所采用的自然崩落法矿岩块度预测技术和矿岩块度预测 软件具有一定的推广价值。 关键词矿岩块度，自然崩落法，可崩性，不连续面特征，三维预测模型 a b s t r a c t i nb l o c kc a v i n g , i ti sv e r yi m p o r t a n tt op r e d i c tt h eo r ef r a g m e n t a t i o n t i l i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h et e c h n o l o g yf o rp r e d i c t i n gt h e o r ef r a g m e n t a t i o ni nb l o c kc a v i n gi nj i n c h u a nm i n ei i i t h et h e s i s i n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k 1 a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fe n g i n e e r i n gg e o l o g yo fj i n c h u a n m i l l ei i i ，t h et e c h n i c a lm a n u a lf o ri n v e s t i g a t i n gt h er o c ks t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ew a sm a d e t h ed e t a i l e di n f o r m a t i o no ff i e l dd i s c o n t i n u i t y w a sa c q u i r e dt h r o u g ht h ed e t a i l l i n em a p p i n ga n dt h ec o r ei n v e s t i g a t i n g m e h o d 2 1 m eg e o l o g i c a ld a t aw e r ec o l l e c t e da n do r g a n i z e di n t ot h ed a t a b a s e t h e nt h e yw e r eu s e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c k a b o v el e v e l1 5 5 4o f j i n c h u a nm i n ei i i 3 b a s e do ns y s t e m a t i cs t u d yo ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h eo r e f r a g m e n t a t i o nf o r m i n ga n dt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fd i s c o n t i n u i t y a b o v el e v e l1 5 5 4o fj i n c h u a nm i n ei i i as o f t w a r es y s t e mn a m e d m a k e b l o c kf o rp r e d i c t i n go r ef r a g m e n t a t i o nw a si m p r o v e d 4 b a s e do n3 db l o c km o d e lf o ra n a l y z i n gt h ec a v a b i l i t yo fr o c k m a s s ，t h ej o i u ts p a c i n gw a se s t i m a t e db yg e o s t a t i s t i c sa n dt h ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no ft h ej o i n ts p a c i n gw a sa c q u i r e d u s i n gt h ei m p r o v e d s o r w a l eh l u 陋b l o c k t h eo r ef r a g m e n t a t i o ni nd i f f e r e n td i s t r i c t sw a s p r i d i c t e d t h i sm e t h o di su s e df i r s t l yi nt h ef i e l do fo r ef r a g m e n t a t i o n p r e d i c t i o n 5 a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i o na b o u tt h eo r ef r a g m e n t a t i o ni nb l o c k c a v i n go ft h ed i s t r i c ta b o v e l e v e l1 5 5 4o fj i n c h u a nm i n ei i i ，w eg e tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ec a v a b i l i t ya n do r ef r a g m e n t a t i o na b o v el e v e l1 5 5 4 c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f b l o c kc a v i n g 6 t h et e c h n o l o g yf o rp r e d i c t i n gt h eo r ef r a g m e n t a t i o ni nb l o c k c a v i n ga n dt h es o f t w a r e 【a k 髓l o c ka d o p t e di nt h i st h e s i sc a n a l s ob e u s e di no t h e rm i n e s k e yw o r d so r ef r a g m e n t a t i o n b l o c kc a v i n g , c a v a b i l i t y , c h a r a c t e r i s t i c s o f d i s c o n t i n u i t y , 3 dp r e d i c t i o nm o d e l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：粤纽建年 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 自然崩落法是一种依靠岩体内部的自然力来达到矿岩的破碎，并依靠重力 来进行矿岩运搬的大规模地下采矿方法。它的力学机理和工艺特点是：在矿块 底部进行拉底( 有时辅以割帮和预裂等诱导工程) 以引起矿块周边岩体内应力 的变化，促使矿体破坏，并在重力场作用下自行崩落，随着矿岩不断放出或拉 底工作不断进行，使矿体自然崩落并继续向上发展。因此，这种方法不像别的 采矿方法那样，不需要进行大量的凿岩爆破工作以使矿岩跨落，同时，也与其 他采矿方法不同，不能通过凿岩爆破来实现人们所期望的崩落效果和生产能力， 其崩落特性主要取决于矿体的地质条件，即岩体构造及其分布规律、岩体强度 及地应力状态等因素。其能否成功实施，涉及到矿岩的可崩性、崩落规律与崩 落速率、矿岩的崩落块度、放矿控制、崩落区崩落状态与非崩落区稳定性监测 等多方面技术问题。因此，自然崩落法既是一种高能力、低成本的采矿方法， 同时也是一种技术含量高的采矿方法。 能否对自然崩落法生产过程中矿岩崩落块度的有效评价，决定着自然崩落 法的实施能否成功以及自然崩落法的开采效益。这是因为自然崩落法的设计和 生产参数，如：放矿点的尺寸和空间位置、设备选型、人员配备、放矿控制、生 产效率、矿岩贫化、放矿点的二次爆破以及后续的粉碎过程和费用，都取决于 矿岩块度j 。 自然崩落法矿岩块度形成可分为3 个阶段，相应的3 级块度分别称为原始 块度、崩落块度和放出块度。矿岩块度评价就是对不同阶段所形成的矿岩块体 大小的范围和分布进行有效测定。 原始块度是矿体受节理面等弱面切割所形成的自然状态的块度，其组成是 由节理面倾向、倾角、间距及持续长度等因素决定的。 崩落块度是矿体崩落所形成的矿岩块度，它的组成主要是受崩落应力场、 时间、完整岩石及弱面力学性质、原始矿岩块体中所含未破裂微小裂隙面数量 及扩展情况、应力作用下新产生的裂隙面数量及扩展情况、原始矿岩块度的大 小及形状、崩落空区高度等因素控制。 放出块度是在放矿过程中矿岩间发生摩擦碰撞后造成再破碎到达放矿口时 的矿岩块度。它受到力学性质、崩落矿岩块度的大小和形状、放矿高度及放矿 过程等因素影响h 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在自然崩落法生产过程中，三级矿岩块度的形成是一个自然的过程，其中 原始块度是崩落块度形成的基础，而崩落块度又是放出块度形成的基础，在由 原始块度向崩落块度和放出块度形成的过程中都有多种因素和破坏机制的作 用。 一 正如定义所讲的那样，原始块度完全是由岩体中已经存在的节理等弱面相 互切割而形成的自然块度。岩体中已经存在的张开的结构面就是原始块度的某 一外表面，而能够承载一定剪切或拉应力的、闭合的结构面不能作为原始块度 的表面，但它是典型的弱面，在以后的崩落过程中可能会破裂从而形成崩落块 度和放出块度的表面。 崩落一旦发生，许多结构弱面就会发生破坏，甚至一些完整的岩体在高应 力作用下也会破裂，从而形成崩落块度。这种破坏的发展程度取决于结构弱面 以及完整岩体的强度与所受应力大小及方向之间的关系。在很大程度上，崩落 块度仍是由节理网络决定的。但正如原始块度一样，并不是所有的原始结构面 都能够破裂形成崩落块度，很多闭合的结构面并没有在崩落的瞬间破裂，而是 在放矿过程中因外力的作用而断裂。一些由原始结构面形成的岩桥也会发生断 裂。 t 崩落后的矿岩在重力作用下通过放矿漏斗时，由于彼此间的相互摩擦碰撞 以及落地时的冲击作用，矿岩会进一步破碎，从而最终形成放出块度。一般情 况下，放出块度的形成机理由下列因素决定：原始结构面的持续性；结构 面的张开度及其充填物；沿层理面或片岩的破裂；重力作用下的破碎作用； 崩落后块体内产生的应力；崩落过程中块体的相互碰撞产生的破碎；块 体被拉伸产生的屈服破坏；块体在崩落过程中，块体棱角受到磨损作用使块 度进一步变小并产生粉末吲。 综上分析可知，从自然崩落法可行性评价、采矿设计与计划到生产过程的 实施，矿岩块度都是必不可少的参数，因此，有效地矿岩块度测定对自然崩落 法实施的成败起着至关重要的作用。矿岩块度测定方法可分为实测法和预测法 两种方法，显而易见，实测法只能在生产过程中进行，它不能为自然崩落法的 可行性研究及开采设计提供有效的矿岩块度参数，此时，矿岩块度预测方法， 就显得尤为重要。由于矿岩矿度形成机理的复杂性，至今对自然崩落法矿岩块 度预测的方法还须进一步完善。虽然此前人们提出了多种矿岩块度预测方法， 但大都只考虑了某一个或几个影响块度形成的因素，存在一定的片面性。本文 力求在分析自然崩落法矿岩块度形成机理的基础上，评价各个影响因素对块度 形成的作用的大小及作用方式，从而完善的自然崩落法矿岩块度预测方法。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及评价 由于矿岩块度测定的重要性，众多研究者在矿岩块度测定技术方面进行了 大量的研究，提出了各种各样的方法。从总体而言，这些方法可以分为实测法 及预测法2 大类。 1 2 1 实测法 筛分法、直接测量法、不合格大块计数法、二次爆破消耗雷管计数法等属 于实测法。其中筛分法、直接测量法是测量矿岩块度最精确的方法，因此可用 于对预测法的验证和修订，但由于其人工操作劳动强度高、测定时须中断生产 及抽样代表性不易控制等缺点，作为确定块度分布的工业标准，除小规模的试 验外，目前很少采用。不合格大块计数法、二次爆破消耗雷管计数法虽然简单 易行，但却只能给出不合格大块率，不能得到有关块度分布的详细数据。实测 法只能在生产过程中使用，并且存在很大的局限性，它不可能为自然崩落法的 可行性研究和开采设计提供必要的矿岩块度参数。 1 2 2 预测法 预测矿岩块度的方法可分为以下三类；岩石质量指标法、图像法和节理网 络模拟法 3 1 。 一、岩石质量指标法 岩石质量指标法是根据岩体特性参数对可崩性和崩落矿岩块度进行定性评 价的一种方法，是一种比较接近经验的预测手段。 d e e r e ( 1 9 6 4 ) 提出了一种由钻孔岩芯资料评定岩石质量( r q d ，即r o c k o u a t i t yd e s i g n a t i o n ) 的指标，他定义r q d 值为大于1 0 e m 的钻孔岩芯长度之和 占钻孔总长度之百分比，并根据r q d 值的大小，将岩石分为五类，且r q d 值 越大，岩石稳固性越好，可崩性越差，块度越大 4 1 。但是r q d 值容易受测量方 向的影响，为了克服这个缺点，k a z i 和s e n ( 1 9 8 5 ) 建议采用v r q d ( v o l i u m e l r i c r o c kq u a l i t yd e s i g n a t i o n ) 指标，它类似于平均块体体积，它只能从整体上反映 块体体积的分布，它不能反映较小的或较大的块体的比例i s 。 f r a n k l i n ( 1 9 7 4 ) 建议用节理间距指标i f 描述块体尺寸 6 1 。i f 是具有代表性的块 体的直径，可以通过观察选取有代表性的岩芯尺寸或暴露面块体尺寸并计算它 们的平均尺寸获得。国际岩石力学学会( 1 9 7 8 ) 建议采用类似于i f 的块体尺寸 指标i b 来描述块体尺寸，它是通过肉眼观察选取几个有代表性的块体尺寸并计 算它们的平均值获得1 7 1 。很显然，i f 和i b 是半定量的块度预测方法，在实际应用 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 中有很多局限性。另外，国际岩石力学学会还建议用单位体积节理数指标j v 来 预测块度p j 。 。s e n 和e i s s a ( 1 9 9 2 ) 采用式( 1 - 1 ) 计算岩体内棱柱形、板形或条形块体的体 积，这种计算方法的前提假设是岩体内包含几组( 一般3 组) 已知平均间距的 节理组，通过平均节理间距就可以确定一般的或典型的块体的形状和大小唧。用 这种方法进行块度预测也不能反映块度尺寸的范围和分布。 矿= 毒皓+ 丽i + 剖 式中：j v - 单位体积节理数； k 一单位长度内第i 组节理的条数，即节理频率。 挪威土工研究所( n g i ) 的巴顿等人( b a r t o ne t a l ，1 9 7 4 ) 分析了2 0 0 多座已 建隧道的实测资料，提出了一种岩体分类方法 1 0 - 1 3 】。这种分类方法综合了r q d 、 节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等六个方 面的因素，用一个算式计算岩体综合质量指标q ，即 。q = 降人y 如j , y 八面j ) ：， 式中，r q d 是岩石质量指标j n 是节理组数评分，j ，是节理面粗糙度评分，j a 是 节理面蚀变程度评分，j w 是裂隙水折减系数，按裂隙水条件评分，s r f 为地应 力折减系数。而r q d j n 则代表块体尺寸大小，它可以满足特定的块度预测的要 求，但它不能给出块度的具体范围和分布。 b i e n i a w s k i ( 1 9 7 3 ，1 9 7 6 ，1 9 7 7 和1 9 8 4 ) 提出了一种与b a r t o n 等人相类似的岩体 分类方法【1 3 1 q ( r m r 系统，即r o c km a s sr a t i n g ) 。 6 r m r = 嗍 。 扣1 ( 1 - 3 ) 式中；r m r r - - 表示所考虑各岩体性质参数分值。 这种方法主要考虑了：r q d 指标、完整岩石的单轴抗压强度，节理或不连 续面间距、节理状态和地下水、节理产状等。在具体应用时，首先计算前5 个 因素所分配的分值，然后根据开挖工程的走向与节理发育方向之间的关系计算 调整值，最后，将计算得到的6 项分值相加，即得r m r 值。r m r 值的变化范 围在0 到1 0 0 之间，且r m r 越大，岩体的稳固性越好，可崩性越差。按照r m r 的取值范围岩体可以分为五类。各类所对应的岩体可崩性、块度及二次破碎量 见表1 1 。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表i - ir m r 法评价表 r m rm v 2 02 1 1 04 1 “0 6 1 召0 8 1 1 0 0 可崩性很好好中等不好很不好 块度很小 小中等大很大 二次破碎 很少 少不定多很多 l a u b s c h e r 在r m r 法的基础上，考虑采矿特殊条件的要求，对岩体r m r 值 进行修正( 修正时主要考虑了原岩应力和诱发应力的影响) ，于1 9 7 7 年提出的 分类方法，这种方法专门用于进行矿体可崩性的评价。因此，m r m r 方法的评 价参数包括：节理间距、r q d 指标、完整岩石抗压强度、结构面情况、地下水 情况、节理方向、原岩应力等。应用时，首先根据前五个参数各自的取值确定 该参数在m r m r 评价指标中所占的分数，然后，考虑其他两个参数的影响对这 5 项分数的总和进行调整，即为最终的m r m r 评价指标。按照m r m r 的取值范 围岩体可以分为五类。各类所对应的岩体可崩性、块度及二次破碎量见表l - 2 。 表1 - 2 m r m r 法评价表 m r m rm v 2 02 l 4 04 1 - - 6 06 1 嚣o8 1 1 0 0 可崩性很好好中等不好不可崩 块度很小小中等大 二次破碎很少少不定多 从以上分析可知，岩石质量指标法主要是对崩落矿岩块度进行初步定性评 价。由于各种方法都是以影响块度的某个指标或相关指标的综合来定性评价块 度，存在一定的片面性，因此这些方法不能给出块度的尺寸范围和分布。但由 于这些方法所需的数据大多可以通过钻孔岩芯记录和钻孔岩芯描述来获得，所 以，可以用在新矿山开采或老矿山新水平开采的可崩性矿岩块度预测的初步研 究中。同时，这种方法具有较好的工程通用性，便于大力推广。 二、图像法 随着计算机技术及图像处理技术的发展，尤其是图像处理技术在其他领域 中应用( 如医学、生物学等) 的日益广泛，从上世纪八十年代末开始，图像分 析法逐渐被用来评价矿岩块度的分布。其基本思想是对爆堆图像分割后得到矿 ( 岩) 块体在摄影平面上的二维投影轮廓，然后通过一定的重构技术，实现由 二维向三维的扩展，获得三维块体的块度分布。 若能够应用图像处理方法进行矿( 岩) 块度的确定，可以想象其具有其他 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 方法所不可比拟的优点：测定速度快，可以很快地拍摄图像，并进行快速的分 析；测定量大，结果的统计意义更明显；劳动强度低；不干扰正常生产； 测量工作与块体大小无关。无论是大块还是小块，测定工作量均相同；测 定费用低；测定工作全自动，可以避免任何人为因素的干扰；测定工作不 具有破坏性，不会由于测定而导致块体的破碎，适宜对软弱矿岩的测定；可 以避免少量取样而导致的采样误差；可以给出有关块度分布的详细数据。 而为了能够成功地在矿( 岩) 块度的测定方面应用图像分析技术，不可避 免地需要解决2 个方面的问题：如何准确地将图像中的块体分割或识别出来； 如何由平面结果准确地得到三维结果。 爆堆图像相对于其他图像而言具有下述特点：图像不存在明显的背景； 由于图像采集条件( 如在井下进行) 的限制，图像的光照不均匀；图像中 的矿岩块体并非位于同一个取样平面上，而是众多块体在摄影平面上的投影， 它们可能位于不同的层次上，同时，即使同一岩块，其不同部位距相机的距离 也有所不同；一般来说，图像中矿岩块体边界处的灰度要低于周围矿岩块体 内部表面的灰度，但是，由于光照条件、矿岩块体距光源的距离、矿岩块体表 面的粗糙程度等原因，使得图像不同区域的亮度存在很大的变化，较亮区域处 矿岩块体边界的灰度甚至高于较暗区域处矿岩块体表面的灰度，同时即使同一 块体内部也将存在较大的灰度变化；矿岩块体的大小、形状千差万别，不仅 不同图像中的块体大小、形状不同，即使同一幅图像中块体的大小、形状也有 所差异，使得没有什么先验性的知识可供分割时利用。由于爆堆图像的上述特 点，基于灰度相似性的阈值方法、聚类方法、区域增长与分裂方法、活动轮廓 方法，传统的边缘检测方法以及其他的基于先验知识的人工智能、模糊技术l l “刘 等将难以实现爆堆图像的有效、准确分割，不能准确地得到块体的平面几何信 息。 同时由于图像分析法对块度的评价依赖于从某一截面或表面所获得二维测 度的岩块信息，因此评价结果的可靠性除了与所获取的二维信息的可靠性有关 外，还主要取决于块体二维、三维信息转换模型的正确性。 在早期的研究中，人们普遍采用线段法和面积法直接进行块度分布的评 价。在当前的应用中，块体形状假设被广泛地用于这种信息转换，即将块体 假定为具有某一单一规则形状，如：球状、立方体状或椭球体状+ 。刈等， 根据假设的块体形状，利用几何概率学解析方法或半经验方法阱j ，从图像分 割中获得的单个块体的二维特征参数就可以转换为三维参数，从而得到矿岩 的块度分布。 然而由于爆破破碎后的块体形状各异，采用采用这种方法事实上难以获 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 得准确的重建。对各种形状假设条件下所进行的矿岩块度分布与实际块度分 布的比较研究“训表明：对于同一矿岩块体样本集合，不同形状假设所得到的 块度分布有很大的差异，且都与块度的真实分布有一定的偏差。 目前，国外已经推出了“f r a g s c a n ”、“w i p f r a g ”、“s p l i t ”等块度预测 图像处理系统。 f r a g s c a n 系统是s c h l e i f e r 和t e s s i e r ( 1 9 9 6 ) 开发的以爆堆表面的图像 来评估整个爆堆块度分布的图像系统，它与其它图像处理系统的不同之处在 于它不进行图像边界识别去辨别不同的块体图像轮廓，而是通过一套运算法 模拟筛分法从而把块体图像分成不同的尺寸级别，然后假设块体为球状，把 获得的块体可见面的面积转换为体积或重量，并通过小规模的实验预测整个 爆堆的块度分布。s e h l e i f e r 和t e s s i e r ( 1 9 9 6 ) 在三个方应用了f r a g s c a n 系 统。首先是用来测定矿岩拖车里的矿岩块度，从而优化采石场的爆破参数； 在这次应用中发现该系统对矿岩块度的交化非常敏感。其次是应用该系统评 估传送带上的块体的大块率，还可应用该系统进行出矿口之前的矿岩质量控 制监测。、 w i p f r a g 系统是一套通过分析照片或录像带里的图片来测定块度分布的 图像处理系统。w i p f r a g 系统分析的图像主要来自移动摄像机、固定照相机 或其它数字化文件。最初的w i p f r a g 系统主要是通过移动摄像机获得大部分 图片( m a e r z o t a l1 9 9 6 ) 。w i p f r a g 系统分两步来实现对块体图像边界的识别， 首先利用阀值和数学形态学梯度计算方法初步生成块体边缘部分落廓，然后 利用重构技术生成完整的块体边界落廓。 s p l i t 系统是美国亚利桑那州大学( m a e r ze ta l1 9 9 6 ) 开发的一套图像处 理系统，它通过处理在采矿过程中获得的块体不同破碎阶段的灰度图像来评 价块度分布。块度测定过程可分为以下步骤：自动或手动获得数字化图像； 对图像初步处理以消除因光照不均的影响并屏蔽不需要的图像；应用数 字化图像处理运算规则进行块体边界图像分割；运用统计法则完成块体由 2 - d 面积向3 - d 体积的转换。运用统计学的方法纠正因块体交叠和形状不 同引起的块体体积误差并画出3 d 块体体积柱状图；进一步修正块体体积 柱状图；处理更多的图片( 包括不同比例的图片) 以获得块体体积的平均 分布；输出结果。 由于以上系统都是以爆堆表面的块度尺寸分布来推测整个爆堆的块度 分布，因此它们比较适合测定传送带上没有大量堆积的矿岩的块度，而不适 应于预测放矿口的大量堆积的爆堆的块度分布。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 三、节理网络模拟法 节理网络模拟法就是一种根据节理空间展布状态及节理面条件的统计 分析结果，采用m o n t ec a r l o 模拟技术模拟节理面对岩体的切割情况，并利 用有关崩落和放矿过程的力学知识，预测崩落矿岩的块度的分布。 岩体内节理的相互交切状态决定着岩块的的构成，即每一个节理面都可 以认为是原始块体的某一个外表面。若能够有效模拟岩体节理的几何特征， 那么也就能够有效地模拟块体，进而预测块度分布。随着计算机技术的发展， 特剐是计算机图形学的发展，借助计算机就完全可以实现对岩体节理几何特 征的模拟，并可以以图示法显示岩体内的节理状态。这种图示可以是在岩体 的某一个剖面显示节理迹线，也可以是一个完全的三维模型，观察者可以从 不同的角度观察节理的结构，并且可以观察到岩体内部的节理的相互交切状 态。 岩体模拟的基础是节理概念模型，它是岩体内节理产生的方式，并且是 节理转换成三维状态的法则。因此节理概念模型的有效性直接决定着岩体模 拟的有效性，因此众多学者在这方面进行了研究，并且构建了一系列模型。 第一个概念模型是s n o w ( 1 9 6 5 ) 提出的直交模型，用它进行水文学模拟相对比 较简单。后来更完善的模型被提出来，如泊松区域模型( b a e c h e re ta l1 9 9 0 ) 。 棋盘模型( v e n e z i a n o1 9 7 8 ) ，分级模型( 1 e ee a l l 9 9 0 ) ，分形法( b a r t o n 和 l a r s o n1 9 8 5 ) 以及地质统计法( g e r v a i se ta l1 9 9 5 ) ，都可以用来模拟比较符 合实际情况的原始节理网络。 在岩体节理模拟的基础上，众多学者对应用节理交切模型预测块度进行 了探索，并建立了一系列规则、方法和软件预测系统。 囤1 - 1 二雏岩面模型 8 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 d h w h i t e ( 1 9 7 7 ) 对l a c k s h o r e 厚大硫化矿进行矿体自然崩落特性的研 究，第一次用岩体结构模拟来预测崩落矿岩块度f 2 争3 0 1 。他利用c a l l 等人的 统计结果，采用m o n t ec a r l o 模拟技术来获得随机的裂隙方位，并绘制在模 拟岩石剖面上。根据垂直剖面的方位，把所有节理的倾向和间距，转换成视 在的倾向和间距绘在岩石剖面上，形成一个二维的岩面模型，见图1 1 ，然后 测量裂隙线交错形成的多边形的尺寸。 假设每个多边形代表一个体积等于它的最大可见尺寸的立方体，再根据二 维模型推断三维模型。 模型中多边形最大可见边长服从指数分布： f ( x 1 = n b e 一“ ( 1 - 4 ) 式中：n 一模型中的岩块数； x - 岩块边长； l 卜一边长值的倒数。 模型中所切割成的岩块体积之和： k = 6 n b 3 ( 1 - 5 ) 大于某一粒度的岩块体积以所占百分比： p = ( k ) 1 0 0 ( 1 - 6 ) d a g a m e ( 1 9 7 7 ) 利用详细线调查所得的数据与m o n t e c a r l o 技术试验了一 种与w h i t e 的方法相类似的方法来预测爆破块度特性【3 0 】。其方法是在选定的 模型尺寸内根据节理间距，节理倾角及倾向的概率分布，按各裂隙面距坐标原 点的顺序及距离依次分组产生裂隙面，并且生成一个具有方向的号码( z 轴正 向为正，负向为负) 与距原点的平面间距的平面素描文件。选定模型的一部分 ，读平面素描文件，由所读出的平面对子块进行切割，确定每一块被模 拟平面和子块边界所限定的多面体，每一个新读的平面都与已有的子块交叉。 估算每一块已有的多面体，从而形成包括切割平面数和切割多面体的交叉点 ( 叉点) ，每个平面上的叉点数，叉点的i d 和每个叉点的坐标的新的素描文件。 直到所有的素描文件读完为止。将带有子块界面的块剔除，并用与x y 轴平 面相平行的水平面过多面体叉点切割多面体。计算每一个所截平头棱锥体部 分体积来实现对每一个多面体积的计算。 任一平头棱锥体体积计算 k = ( 4 置+ 4 肼l + 彳z ) ( 珥6 ) ( 1 - 7 ) 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 式中：a b r - 底面积； 、 a m i 一中间面积： a 1 1 顶面积； h i 一平头棱锥体之高。 多面体体积计算： = k ( 1 - 8 ) t f f i l 式中：n 一平头棱锥体的数量。 同时，只用记录的最大距离来计算每个叉点组合间的距离，用容积系数 来描述多面体的形状。 r d c a l l ( 1 9 8 2 ) 曾根据裂隙频率引出矿岩块度的等效尺寸概念对 d h w h i t e 的预测方法进行了修正其方法是：由钻孔岩芯资料求的裂隙面 间距： s = l ， ( 1 - 9 ) 式中：一节理频率，条，米。 假定岩块完全由裂隙切割，则岩块平均尺寸为， j = c s ( 1 - 1 0 ) 式中：c 一与岩块截取长度有关的岩块有效尺寸系数，c 与岩块形状有关，对 于球体c = 1 6 1 。 假定有效岩块服从负指数分布 八x ) = n b e “ ( 1 - 1 1 ) 式中：蝻效岩块尺寸； n 一模型中的岩块数； b = 1 j 。 按体积比表示尺寸大于x 的岩块所占的百分比由下式计算 风柳= e b x k 3 1 6 + x 2 ( 2 b ) + x b 2 + i b 3 j x l 0 0 ( 1 1 2 ) j e s a v e l y ( 1 9 8 2 ) 采用c a l l 的修正方法，在c = 1 6 的情况下，做出了一组 裂隙频率f 为l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，8 ，1 0 ，1 5 ，2 0 时有效尺寸和累积块度百 分比分布曲线，对i n s p i r a t i o n 矿块度分布进行研究，见图1 2 。 i 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 薜 上 重 量 百 分柏 比 ( ) 2 0 o 01234 5 次度尺寸( m ) 固i - 2 块度分布曲线 a m i t a b h am u k h e r j e e 和a s h r a fm a h t a b ( 1 9 8 7 ) ，提出了一种新的块度预测 方法。这种方法考虑了节理系统的几何参数及力学参数，引入节理持续性系 数及有效间距的概念，通过对分布于崩落矿块垂直剖面上的两组节理建立的 二维模型，对矿岩崩落后的块度( p o s t f a i l u r es i z ed i s t r i b u t i o n ) 的分布进行 了m o n t ec a r l o 模拟研究，并对岩石强度，节理学和持续性及节理面间距等 因素对崩落矿岩的块度的影响进行了分析。模型所考虑的主要因素有：节 理组数据：a ) 平均倾角及方差；b ) 平均间距及变化范围；c ) 岩体弱面的粘结力 和内摩擦角；d ) 节理的持续性；完整岩石的性质：a ) 粘结力；b ) 摩擦角； 现场应力状态：a ) 水平应力；b ) 垂直应力。 模拟过程是：产生节理面倾角、间距之随机数；计算每一节理面上 的正应力；计算节理面及岩石强度；利用持续性系数计算有效间距； 由两组节理面相互切割组成的平行四边形代表崩落矿岩块度；用平行四边 形的最大边长表示块度的大小；重复到5 0 0 次计算不同的块度；确 定块度的累积曲线。 国内，赖顺华和童光旭( 1 9 8 8 ) 1 了题为“节理岩体计算单元生成与崩 落块度预测”一文，介绍了他们用计算机进行块度预测的二维模型与方法， 这种方法与w h i t e ( 1 9 7 7 ) 介绍的方法相同。 v i l l a e s c u s a ( 1 9 9 1 ) 开发了“j o i n t s ”软件体统，它通过分析节理组的尺寸、 位置和产状，进而模拟三维岩体几何特征。它主要用于爆破块度的初步预测。 后来该系统又通过利用几何概率学、统计理论和数学立体测量学做当时最先 进的改进。 j o i n t s ”是通过随机球体系统来预测原始块度分布的，即随机地在 岩体模型中取一个点，然后有几条射线从该点发出，这些射线将与周围节理 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 面相交，可以想象每一条射线都将与多个节理面相交，从射线原点到几条射 线上第一个交点的距离的平均值作为球体的半径，该球体就代表这几个节理 面交切后形成的块体的尺寸。 d h l a u b s c h e r 博士开发的b c f ( b l o c kc a v ef r a g m e n t a t i o n ) 系统，是 一款专门用于预测自然崩落法实施过程中产生的块度。该系统用简化的技术 来确定原始块度，并用经验法则来预测崩落块度和放出块度。该系统首先在 南非的一家矿山进行了应用，后来又进行了改进，并用于p a l a b o r a 矿山自然 崩落法可行性研究。b c f 是目前在自然崩落法块度预测中用的最多的一套系 统，但应用人员必须有丰富的岩石力学知识和采矿经验，并且它没有考虑节 理持续性对块度的影响。 节理网络模拟法使人们可以通过对于岩体结构、岩体强度及地应力状态等 方面的模拟来进行定量的块度预测，为人们得出一种可靠的预测方法迈出了重 要一步。由于预测中要求较真实的地模拟裂隙对岩体的切割作用及崩落和出矿 的力学过程，故要求比较详细、准确的资料来源及结果分析，最好能使用钻孔 描述与详细线相结合的方法来获取节理性质方面的资料。 1 3 本文研究的主要内容和技术路线 由于矿岩块度形成因素和形成过程的复杂性，岩石质量指标法和图像法 很难满足自然崩落法矿岩块度预测的要求。目前来看，节理网络模拟法是比 较可行的一种自然崩落法块度预测方法，从以上综合分析来看，现有的节理 网络模拟的方法、模型和系统还存在一定的局限性，还需进一步的完善和改 进。因此本文拟在综合分析块度形成因素和形成过程的基础上，参考前人经 验，完善一套实用的自然崩落法块度预测系统，并对金川h i 矿区自然崩落 法的矿岩块度进行定量预测。本文拟讨论以下问题： t 岩体构造特征及其调查统计方法。调查数据的精确性和代表性直接影响 着节理网络模拟的有效性，前期的数据的调查及其统计分析是块度预测的基础， 因此必须选取可靠的调查方法和数据分析方法。本分拟结合金川u i 矿区的地质 概况制定详细的数据调查规范，并对金川i i i 矿区进行节理密度等值线图的绘制， 对节理面倾角、倾向、间距及极线持续长度的分布规律进行研究； 2 节理网络的m o n t ec a r l o 模拟。讨论如何根据岩体节理几何特征参数模拟 更加接近实际的节理网络； 3 岩石块度预测的三维模型。重点讨论完善岩石块度和形状分布预测的三 维分析模型和一套软件系统。研究中采用的三维模型具有如下特点：不连续 面模拟包括任何数量的主节理组和零散节理组；三维模型考虑了节理持续性， 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 从不连续系统中独立抽样；既可以估计主要取决于节理系统几何尺寸的原始 矿岩块度，又可估计经拉底后在节理持续性和应力场作用条件下发生崩落的崩 落矿岩块度，并对金川i i i 矿区的自然崩落法矿岩块度进行预测，从而为金川i i i 矿区的采矿设计和生产提供指导。 本文研究的技术路线如图1 3 所示： 金川山矿区现 场地应力研究 岩体构造调查 s c h m i t 节理密度等值线绘制：确定优势节理组 节理面空间展布状态各主要参数分布规律研究 确定各参数的分布函数及样本参数估计值 三维节理系统的m o n t ec a r l o 模拟研究 矿岩块度预测的三维模型和软件系统研究 金川矿区原始块度预测 金川u i 矿区崩落块度预测 图l - 3 技术璐线图 金川矿区节理面力学性 质及完整岩石强度测定 中南大学硕士学位论文第二章金川i l l 矿区矿床地质与采矿方法 第二章金川i 矿区矿床地质与采矿方法 2 1 金t i m 矿区矿床地质 矿区位于一矿区以西，由于f 8 断层的错动，使两矿区矿体相距8 0 0 m 。 一矿区上部露天开采，并于1 9 8 9 年闭坑，深部早已转入地下开采，并从露天坑 有斜坡道通向龙首矿井下。露天坑靠西侧的边坡保存完好。m 矿区位于大背儿 泉沟的出口，洪积扇顶端下部，是一个隐伏矿床。矿区东北方向是一矿区露采 的排土场，堆积了大量的废石，北部出口外是戈壁滩。矿区周围无森林、草原 等有价资源，地表允许崩落。 矿区共有6 0 个矿体，其中1 群矿体规模最大，镍金属量占全矿区的8 6 ， 走向长4 6 3 m ，延深6 0 0 多米，矿体厚度东部为1 0 0 1 5 0 m ，中间2 8 m ，北部逐 渐增大到8 6 m ，矿体走向北西，倾角6 0 度 7 0 度，上部较缓，为3 7 度, - 6 5 度。 矿体埋藏较浅，覆盖层厚度为4 0 - 5 0 m ，之下为氧化矿带，厚4 0 - 5 0 m ：之下为 混合矿带，厚度不一，约l o - - 2 0 m ，但4 线处较厚，达ll o m 。其次的矿体为1 2 # 、 1 8 # 、5 8 # 矿体，1 2 # 、1 8 # 紧靠矿体下盘。 5 8 # 矿体位于矿体上盘，走向长2 5 0 m ，厚度o l o m ，倾角为7 l 度。赋存标 高为1 6 7 7 m 1 5 0 5 m ，平均品位n i 为1 8 6 ，c u 为1 4 7 ，是i 矿区最富的矿 体。 f l 断层位于矿区范围之外的北部戈壁滩中，走向北西7 0 度，延长约2 0 0 k m ， 向南西倾斜，倾角4 6 - - - 5 6 度。在一矿区的西端受f 8 断层影响，走向转为北东的 一段，倾角大于8 0 度或直立。至矿区北侧四系覆盖，据推断f 1 应在距离矿 体底盘6 2 0 m 以外通过并继续向北西方向延伸。 f l 断层不但使其两侧岩石破碎，对开采不利，最重要的是第三纪以来，由 于它不断活动，对地面工程稳定性有很大危害。 f l 断层离矿体虽然有6 2 0 m 左右，对采矿影响不是太大，但对开拓工程( 如 井筒) 的布置影响较大。 f 8 断层在矿区东部4 行附近通过，走向北东，倾向南东，倾角8 0 , - - 8 5 度。 断层破碎带宽度1 5 3 2 m ，对矿体有一定的破坏作用。 矿体及顶底板围岩的稳定性： 1 矿体及顶底板围岩 按岩石在空间分布上的破碎程度，分四带综合如下： 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章金川i i i 矿区矿床地质与采矿方法 1 ) 含矿超基性岩及母岩较稳定带：一般岩芯完整，坑道稳定，仅在局部地 段节理发育形成l - 2 m 的破碎带。 2 ) 边缘绿泥石片岩软弱搓碎带：沿矿体顶底板与围岩接触带上分布。由绿 泥石片岩、边缘透闪石、蛇纹石片岩、混合岩、黑云母片麻岩及蚀变大理岩组 成。软弱搓碎带宽度不等，岩石常因侵入挤压破碎，节理、片理发育，含水2 巧