,110 北京科技大学学报 第30卷 2.2北洛河铁矿开采沉陷三维计算模型 1工程概况 计算采用日本九州大学环境工程科学研究中心 北洺河铁矿隶属于邯邢治金矿山管理局，其矿 开发的MSDAS-GIS系统).该系统是利用栅格技 体位于河北省武安市上团村北1km的北名河河床 术，通过对地表网格点进行计算来实现开采沉陷预 下，为国内典型的河床下赋存的大型地下金属矿山， 计的，由于北洺河铁矿一50m水平采场即将开采完 主矿体长1620m,宽92~376m,厚度40~160m不 毕，为方便与实际观测数据进行对比，取一50m水 等，双背斜构造，倾角6~60°，平均矿体埋深为 平采场为例进行预计，由于地表高程平均为280m, 136~679m,矿体形态在平面上为向南突出的“新 所以一50m矿体埋深为330m,近水平开采，倾角不 月形，地质储量为7909.71万t,采用无底柱分段 大于6°，其三维计算模型如图2所示 崩落采矿方法进行开采，设计年产量180万t,服务 年限为35a·经过几年的开采，开采沉陷引起岩层 -50m水平采场 公 与地表的剧烈移动，在措施井附近的地表形成两个 塌陷坑，其中较大的一个塌陷坑的塌陷区东西宽约 20m,南北宽约15m,造成措施井被迫废弃，靠近塌 通西风井公路 陷坑周边地表的裂缝很多，裂缝宽度最大的达到 400mm左右8]，严重的影响了安全生产，并对周边 环境造成了不良的影响.北名河铁矿离改道后的河 道距离比较近，如果对开采沉陷可能造成的危险不 北河 100200m 能进行可靠的预测，这种近水体采矿常常会发生淹 井事故，引起灾难性的后果，为减小开采沉陷造成 北河 的危害，必须进行较为准确的开采沉陷预计， 北名河铁矿上覆岩层整体性差，有近百米的砾 厂区及生活区 石层，且采用无底柱分段崩落法开采，地表仅一年多 即出现强烈的采动影响，造成覆岩的破碎和松散，因 此采用概率积分法对北名河铁矿进行开采沉陷预计 图1北名河铁矿空间模型 Fig.1 Space model of Beiminghe iron mine 是适当的.由于以上原因，本文采用基于GS和概 率积分法的MSDAS--GIS[]分析系统进行北名河开 采沉陷进行研究，指导安全生产 2基于GS的计算模型 2.1矿区GS空间模型建立 地表计算网格为 要实现北名河铁矿开采沉陷预计及其可视化， 10m×12m 采深为330m 必须先建立矿区GIS空间模型，在原始资料（矿区 -50m采场 地形图、矿区总平面图、采场平面图等)收集与整理 采厚为15m 基础上，把矿区CAD图形资料转换成为ARC/ INFO环境下的图形，转换后的图形数据还需要经 过一系列数据预处理，包括修改错误，建立正确的拓 扑关系，构造特征属性表，以及将特征属性与相应的 图2北名河铁矿三维计算模型 Coverage特征相连接，最终建立的北洺河铁矿GIS Fig.2 3D calculation model of Beiminghe iron mine 空间模型如图1所示 2.3 预计参数 由于GI$具有空间坐标与现实世界精确对应 一50m水平采场三维计算模型反映了矿体及 的特点，因此北名河铁矿GIS空间模型真实地反映 地表计算点的空间地理信息，但没有开采预计所需 了矿区实际的空间地理信息，并包含了与矿区相关 的计算参数，因此需通过MSDAS-GIS系统的前处 的属性信息，为北名河开采沉陷预计、分析及可视化 理功能把计算参数赋予三维计算模型，进行开采沉 奠定了良好的基础 陷预计主要用到五个参数：宽深比(W/H),下沉系1 工程概况 北 河铁矿隶属于邯邢冶金矿山管理局‚其矿 体位于河北省武安市上团村北1km 的北 河河床 下‚为国内典型的河床下赋存的大型地下金属矿山． 主矿体长1620m‚宽92～376m‚厚度40～160m 不 等‚双背斜构造‚倾角 6～60°‚平均矿体埋深为 136～679m．矿体形态在平面上为向南突出的“新 月形”‚地质储量为7909∙71万 t‚采用无底柱分段 崩落采矿方法进行开采‚设计年产量180万 t‚服务 年限为35a．经过几年的开采‚开采沉陷引起岩层 与地表的剧烈移动‚在措施井附近的地表形成两个 塌陷坑‚其中较大的一个塌陷坑的塌陷区东西宽约 20m‚南北宽约15m‚造成措施井被迫废弃‚靠近塌 陷坑周边地表的裂缝很多‚裂缝宽度最大的达到 400mm 左右［8］‚严重的影响了安全生产‚并对周边 环境造成了不良的影响．北 河铁矿离改道后的河 道距离比较近‚如果对开采沉陷可能造成的危险不 能进行可靠的预测‚这种近水体采矿常常会发生淹 井事故‚引起灾难性的后果．为减小开采沉陷造成 的危害‚必须进行较为准确的开采沉陷预计． 北 河铁矿上覆岩层整体性差‚有近百米的砾 石层‚且采用无底柱分段崩落法开采‚地表仅一年多 即出现强烈的采动影响‚造成覆岩的破碎和松散‚因 此采用概率积分法对北 河铁矿进行开采沉陷预计 是适当的．由于以上原因‚本文采用基于 GIS 和概 率积分法的 MSDAS-GIS ［9］分析系统进行北 河开 采沉陷进行研究‚指导安全生产． 2 基于 GIS 的计算模型 2∙1 矿区 GIS 空间模型建立 要实现北 河铁矿开采沉陷预计及其可视化‚ 必须先建立矿区 GIS 空间模型．在原始资料（矿区 地形图、矿区总平面图、采场平面图等）收集与整理 基础上‚把矿区 CAD 图形资料转换成为 ARC／ INFO环境下的图形．转换后的图形数据还需要经 过一系列数据预处理‚包括修改错误‚建立正确的拓 扑关系‚构造特征属性表‚以及将特征属性与相应的 Coverage 特征相连接．最终建立的北 河铁矿 GIS 空间模型如图1所示． 由于 GIS 具有空间坐标与现实世界精确对应 的特点‚因此北 河铁矿 GIS 空间模型真实地反映 了矿区实际的空间地理信息‚并包含了与矿区相关 的属性信息‚为北 河开采沉陷预计、分析及可视化 奠定了良好的基础． 2∙2 北 河铁矿开采沉陷三维计算模型 计算采用日本九州大学环境工程科学研究中心 开发的 MSDAS-GIS 系统［9］．该系统是利用栅格技 术‚通过对地表网格点进行计算来实现开采沉陷预 计的．由于北 河铁矿－50m 水平采场即将开采完 毕‚为方便与实际观测数据进行对比‚取－50m 水 平采场为例进行预计．由于地表高程平均为280m‚ 所以－50m 矿体埋深为330m‚近水平开采‚倾角不 大于6°‚其三维计算模型如图2所示． 图1 北 河铁矿空间模型 Fig．1 Space model of Beiminghe iron mine 图2 北 河铁矿三维计算模型 Fig．2 3D calculation model of Beiminghe iron mine 2∙3 预计参数 －50m 水平采场三维计算模型反映了矿体及 地表计算点的空间地理信息‚但没有开采预计所需 的计算参数‚因此需通过 MSDAS-GIS 系统的前处 理功能把计算参数赋予三维计算模型．进行开采沉 陷预计主要用到五个参数：宽深比（ W／H）‚下沉系 ·110· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷