摘要：司家营研山铁矿采用三维建模技术，经整合多源地质数据构建精准模型，实现了对矿体赋存状态及其与岩层空间关系的可视化呈现，工程运用3Dmine和Rhino等软件对矿山开采现状做数字化表述，进而完成矿体三维实体建模，以FLAC3D为依托，开展力学参数的确认、边界条件的规定、平衡应力的计算、塑性区分布的分析和位移云图的解译，找出潜在的破坏区域以评估边坡稳定性。三维建模对于基建布局的优化、矿岩量的动态统计以及爆破设计与生产调度的辅助起到了关键作用，尤其在露天矿山井下开采场景中的应用，增强了资源利用率与开采的安全水平，此项技术为矿山复杂地质环境下资源的高效开采提供了有力支撑，引导矿山向数字化、智能化转型前行。

　　关键词：测量三维建模；露天铁矿；井下开采；稳定性分析；工程应用

　　司家营研山铁矿地质构造呈现出复杂特征，岩层结构为东帮顺倾、西帮反倾，引发边坡稳定性的显著差异，历史上曾多次发生边坡滑坡事件，传统二维分析手段无法全面展现三维应力应变特性与复杂地质条件下边坡的活动情况，伴随数字化技术的进步，三维建模整合多源地质数据成果，构建精准的岩层模型，可直观展现矿体的赋存状况和岩层的空间位置关系，其应用于露天以及井下开采作业中，可对基建布局进行优化，动态统计矿岩量，助力爆破设计与开采方案优选，为边坡稳定性分析与资源高效利用打造新途径，符合矿山现代化生产对精准、智能方面的要求。

　　1工程概况

　　1.1工程地质

　　位于河北唐山滦州的司家营研山铁矿，自2008年启用后已历经十余年发展，作为国内大型露天铁矿，矿区查明储量达3.3194亿吨。这里地质构造复杂，地表为第四纪地层覆盖，基岩主要在东部和尚山至铁石山一带连片露出，其余地方零星可见，其处于白庙子组变质岩层最上层，中元古界长城系大红峪组石英砂岩分布不规则且间歇性间断，底部以古沉积变质铁矿（BIF）为基脚。该区域地层并非第四纪地质年代层位，水平层位普遍西倾。大红峪地区石英砂岩倾角约15°,波动在±5°；变粒岩系坡度恒定为40°,误差锁定在±5°。主导构造线呈南北走向，造就东西岩层倾向相反的地貌。矿区东侧边坡由第四纪沉积物与变粒岩系交织构成；西部边坡则主要是石英砂岩与第四系冲积层结合，东半部南北两侧以变粒岩系为主，西部以石英砂岩为重点，目前该矿挖掘深度已达地下-562m，矿山边坡稳定性与地层覆盖及结构走向紧密相关，对其后续开采作业影响重大。

　　1.2滑坡概况

　　司家营研山铁矿多次发生边坡坍塌，资料与实地调研显示，矿东帮基底由第四系土层、黑云变粒岩和白云母片岩组成，黑云变粒岩风化分强、中、微三个阶段，东帮近新河处白云母片岩遇水易泥化，黑云变粒岩层间过渡带倾斜，界面与边坡走向契合，增加顺层滑坡风险。西帮边坡稳定性差，滑坡多发生于第四系表土层。2012年～2018年，扒豆山、和尚山、西侧帮冲积层、研山铁矿N28与N26勘探线、北端帮顶部、东帮N30线等均出现滑坡，2012年7月，扒豆山与和尚山相邻区，因石英砂岩风化重、节理明显发生滑坡，面积793m2，体积约223205m3，坡顶与东侧主干道出现明显裂缝。

　　2三维地质模型及测量模型建立

　　2.1工程图纸数字化

　　在着手进行矿床三维模型制作的关键时刻，矿山工程图纸数字化处理显得尤为急迫。此架构将原始扫描图像与生产阶段的CAD设计图相结合。数字化技术的实施过程可划分为两个阶段：第一，把扫描得到的图纸资料输入到CAD软件的编辑部分，用矢量化技术把图像格式信息转化为矢量数据；第二，对已有CAD图纸做格式转换使其适配后续建模需求，同时进行3D转换与坐标修正，编制地质平面与剖面数据的图形资料，提供矿床三维实体模型构建所需的数据基础条件保障。

　　2.2矿山开采现状数字化表述

　　采用DTM数字地形模型实现矿山开采现状数字化表达，DTM作为表面模型基于TIN技术构建，该技术根据地形实际复杂程度动态确定采样点密度与布局，具体操作时先对矿山开采现状图矢量化处理消除图像误差，将矢量图形资料库整合进数字矿山工程软件界面结构，并基于高程赋值构建数字地形模型。该模型的结构单元面是基于紧密排列的三角面单元设计的，以特征线和节点为媒介进行构造，大幅减少了数据冗余的百分比。

　　2.3矿体三维实体建模

　　依据矿山勘探线剖面图纸，先对图纸矢量化处理消除误差；完成坐标转换后将处理数据导入Surpac软件，矿区有八种矿体类型，在勘探线剖面图中以不同颜色代码区分标示。按颜色代码对图中线串过滤提取生成线框模型，再通过相邻三角面包裹构建内外封闭的矿体三维实体模型。建模严格遵循规范，确保各三角面在三维空间无交叉、重叠，每个三角面的边与相邻三角面紧密衔接，三角面顶点精准依附有效数据点，确保模型的准确性与可靠性。

　　2.4三维地质模型建立

　　利用3Dmine软件坐标转换功能将各剖面定位至对应勘探线，明确其三维空间分布后提取各岩层分界线；借助Rhino的NURBS曲面进行建模实施，运用多轨扫描技术实施放样，精确绘制岩层分界边缘。参照现场现状、开采作业设计及最终设计图，制作以三角网为基准面的三维地形模型。执行Rhino布帘功能模块的布置任务，制作简化现状图、2022年开采剥蚀规划图及最终设计平面图。在构建期间展开，我们选取了特定规格的立方体，运用布尔运算与精细切割手段，巧妙地解决岩层与现有界面的过渡区域。

　　2.5数值网格划分

　　保证界面间网格节点重合，乃是复杂有限元网格划分的核心，考虑到Rhino软件几何分割有精度方面的误差，引发相邻几何分界面难以达成完美重合，先对所有界面做表面网格划分，在Rhino的二次开发后，使用Griddle插件在指定范围内自动合并两个NURBS曲面的网格，等表面网格实现连续、分界面上网格完全重合情况出现后，然后进行三维网格分割。谢家营燕山铁矿模型整体长4693m，宽3065m，高1066m，采用四面体网格形式，最终共划分16065000个单元与2830020个节点，完成19组不同复杂度的几何网格划分任务，为后续FLAC3D数值模拟计算铺垫高质量的网格模型基石。

　　3基于三维模型的稳定性计算与分析

　　3.1力学参数确定及边界条件设定

　　模拟必要的岩石力学参数主要是从工程调查报告及相关文献中获得的，把各类岩体物理力学参数进行归集整理，包括强风化黑云变粒岩、中风化黑云变粒岩等诸多岩体种类，涉及容重、体积模量、剪切模量、黏聚力及内摩擦角等参数，在数值模拟过程中设定了特定的边界条件，对模型底部边界添加位移约束要求，对其各个方向的位移加以限制；四周的边界采用法向位移约束处理，仅许可边界沿法向方向产生位移。稳定性计算按照三步流程开展，首先，利用弹性本构模型对既定平衡应力场进行计算处理，标定坐标基准面初始应力状态的起始参照基准点定位标定点。其次，按照弹塑性本构理论确立的依据，在前期基础上模拟至2022年的生产边界，对工况中的应力均衡状况及塑性区域分布进行系统性的探讨。最后，持续运用弹塑性本构模型对结构应力进行深入检查，将模拟的极限状态扩展至设计边界，进行深入的数值分析与研究。

　　3.2平衡应力计算

　　在分析边坡稳定性现象时，最大不平衡力的收敛结果与不平衡比率构成了稳定性的核心支撑体系。FLAC3D软件的不平衡率已校对至10-5的精确度位数级别，既定计划计算流程已顺利落实。对现行边坡模型进行数值测试评估，并进行最大不平衡力与计算步数关联曲线的呈现，步数增加的同时，曲线逐渐稳定地展现，该模型体现了显著的收敛表现。在计算实施阶段进行中，步数已填满既定阈值，最大不平衡力逐步降至近乎零，确保了计算精度与既定标准相一致。借助云图资料进行详细剖析，边坡垂直应力的高度分布遵循一种逐步演变的规律性，底部应力数值明显比顶部区域高出许多。等值线是应力分布展示的途径，受单斜层状结构和岩层倾斜作用域的影响，两侧应力分布的不对称性明显，此计算结果与现场实际地质情形十分契合，为后续分析给予了可靠的初始应力状态数据支撑。

　　3.3塑性区分布特征与分析

　　司家营研山铁矿三维塑性区分布的分析揭示了边坡潜在破坏的关键区域及其发展趋势。截至2022年，排产与最终开采境界，潜在的塑性破坏主要集中在N14勘探线西侧及N26勘探线东侧，这些区域与历史滑坡记录相符，例如东帮N26线于2018年经历的多台阶顺层滑坡。通过对比东西帮塑性区分布情况发现，东帮不仅塑性区分布较广，而且深度显著大于西帮，这直接反映了东帮顺倾向边坡稳定性的不足。随着开挖深度的增加，东帮塑性区范围不断扩大并深入扩展，该区域或许已接近开采边界的极限边界。东帮存在较大范围的塑性变形区域，增加了整体失稳的风险，因此需要特别关注，并采取适当的加固措施以确保矿山的安全运营。
       3.4位移云图解析与变形趋势判断

　　东西走向的云图具体地呈现了开挖阶段东西边坡朝向开阔面的变形形态。分析揭示，挖掘作业逐渐向地下深层推进，东西边坡向空面的位移量呈现持续上升趋势。资料分析表明，东边坡沿X轴的最大位移数值已从0.392m上升至1.267m，西边坡的位移量级数值也由0.321m提升至1.313m。东帮的X向位移数值明显高出西帮许多，其形变已全面占据了边坡表层地带。西帮在边坡底部区域的变形现象格外引人注目。该形态的演变轨迹，根本起因于东帮顺倾岩体与西帮反倾岩体结构上的差异点，引发了两个帮派在变形趋势上的重大调整现象。东帮的变形数值透露出异常的迹象，极大地破坏了整体的稳定根基。维持矿山生产安全环境的稳定局面，需对东帮的变形及受损区域实施周到的修复作业，制定并施行相应加固防治策略。

　　4测量三维建模在露天铁矿及井下的应用

　　4.1基建工程空间布局优化

　　基于三维实体模型空间定位功能，在露天铁矿基建工程布置中，通过模型提取地形高程、岩层分布及边坡形态数据，确定破碎站、排水站等关键设施空间坐标，在支离破碎的车站选址过程中，优先选择地势平坦、运输路线短的地区，用模型计算设备基础与岩层分界面垂直距离，保障地基稳定性；排水站布置依据地表径流方向与地下水位模型，在露天坑底最低处及边坡排水孔位置设置排水管网节点，通过模型模拟不同降雨强度下排水效率，优化管网管径与坡度参数。井下基建中，三维模型辅助确定坑内公路最终出口位置，结合矿体走向与巷道开拓方案，在模型中模拟运输车辆运行轨迹，避开断层破碎带与高应力区域，降低巷道后期维护成本。

　　4.2矿岩量动态统计与进度计划编制

　　利用三维模型体积计算功能对露天矿与井下矿体分层统计矿岩量，露天矿以最终境界模型为基准，截取不同水平DTM面作为约束面，用Surpac软件块体建模工具将矿体划分为规则网格单元，自动计算各单元矿岩体积与品位。编制2022年采剥计划时，按10m水平分层提取各层矿岩量数据，结合爆破设计参数和铲土设备作业效率，合理制定分层开采顺序和矿岩运输路线，井下根据矿体三维实体模型与巷道开拓工程模型，统计各采场与矿块矿量，以月为单位编制采出进度计划，通过模型动态更新回采工作面位置，实时调整出矿量与充填计划，保障采掘平衡。

　　4.3爆破设计与生产调度精细化管理

　　在露天矿爆破设计中，基于三维地质模型提取炮孔布置区域岩层结构面产状、节理发育程度等参数，用Rhino软件布尔运算功能模拟炮孔空间分布，优化孔网参数（孔距4m～6m、排距3m～5m）与装药结构。通过模型截取爆破区域垂直剖面图，标注抵抗线与底盘抵抗线数值，调整炮孔深度与装药量，减少根残和大块产量。生产调度中，三维模型为运输车辆提供空间定位基准，车载GPS与模型数据实时联动监控运行轨迹，优化矿岩运输路线，将东帮高风险区域废石优先运往排土场指定分区，井下生产调度依据巷道三维模型规划铲运机与有轨运输设备运行路线，避开通风不良区域与采空区影响范围。

　　4.4开采方案优化与安全风险管控

　　露天矿山规划的可行性研究阶段，利用三维模型对比不同境界设计方案的剥采比、边坡稳定性与基建投资，针对东帮顺倾边坡，通过模型模拟不同坡角（35°~45°)下的塑性区分布与位移变化，优选安全系数大于1.2的边坡角设计方案。在井下开采方案优化中，结合矿体三维模型与地压监测数据，运用有限元强度折减法分析不同采矿方法（空场法、充填法）对围岩稳定性的影响，确定合理的采场结构参数，安全风险管控方面，三维模型实时标记露天矿边坡潜在滑区（如N26线东帮）与井下巷道高应力区，通过布设应力计与微震监测设备，将监测数据实时导入模型，动态评估风险等级，触发预警时自动调整开采作业区域。

　　4.5品位模型构建与资源高效利用

　　以三维实体模型为约束建立矿体品位分布三维块段模型，先将钻孔化验数据按坐标导入模型，用克里金插值法生成品位分布曲面，再通过实体模型边界切割形成块段模型，露天矿依据品位模型划分高、中、低品位矿带制定配矿计划，配套设备，混合不同等级的矿石，确保入选原矿品位稳定在28%～32%。井下开采利用品位模型指导分采分爆作业，对高品位矿脉（品位＞35%）采用小步距开采降低贫化率，对低品位矿石（品位＜20%）结合选矿工艺参数确定经济合理开采边界，模型支持资源储量动态更新，通过定期实测数据修正提高储量估算精度，为矿山资源管理与可持续开采提供数据支撑。

　　5结语

　　三维建模技术在司家营研山铁矿露天与井下开采中的深入应用，实现复杂地质条件精准表达和边坡稳定性定量分析，提高矿山工程设计的科学性和安全性。高精度三维地质模型为矿体分布、岩层结构及开采环境提供可视化支撑，结合数值模拟明确潜在滑坡区域及变形破坏机制，为边坡管理与防治措施制定提供可靠依据。三维建模在基建布局优化、资源动态管理、爆破设计、生产调度及品位控制等方面作用显著，有效提高资源利用率与生产效率。未来，随着测量建模技术与人工智能、大数据等领域的深度融合，矿山数字化水平将持续提升，助力实现智能采矿、实时监测与智慧矿山建设。