某礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

劉浩+吳倩茹+徐力勇

摘 要：某多金屬礦經(jīng)過多年的開采，已形成大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯。擬采用三維建模、數(shù)值模擬等研究手段，構(gòu)建礦山三維空間立體模型，并對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，對礦山進行技術(shù)指導。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；三維建模；數(shù)值模擬；地表模型

中圖分類號：TD327 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.015

某多金屬礦經(jīng)過多年的開采，已形成大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯，新采空區(qū)大量增加，部分老采空區(qū)也有擴幫，并且部分新增空區(qū)與老空區(qū)相互貫通，在開采過程中未及時對采空區(qū)進行處理，嚴重威脅著井下的生產(chǎn)作業(yè)安全。

針對礦山開采遺留大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯的問題，本文擬采用三維建模、數(shù)值模擬等研究手段，利用SURPAC軟件構(gòu)建礦山三維空間立體模型，包括地表部分模型和地下部分模型，并采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，對礦山進行技術(shù)指導。本研究對保障礦山采礦作業(yè)安全，提高礦山經(jīng)濟效益都具有重要的意義。

1 采空區(qū)立體模型的建立

1.1 建模說明

構(gòu)建礦山三維空間立體模型主要包括2部分的模型，即地表部分模型和地下部分模型。地表部分構(gòu)建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構(gòu)建出斜坡道、巷道、空區(qū)等模型。本次建模均采用礦山提供的CAD圖紙資料。

1.1.1 采空區(qū)建模

本次采空區(qū)建模以-100 m中段77～79線之間的77-6#空區(qū)為例，實測采場最高高度為13 m。在CAD中對15#采場范圍進行圈定，圈定為一條封閉的多段線，另存為77-6#.dxf格式。

在工具菜單欄中的“文件”選項下，選擇“打開”下的“線/DTM文件”，彈出對話框，在文件名一欄中，選中77-6#.dxf所在位置，點擊執(zhí)行。點擊保存，保存為77-6#.str線文件。

重新打開77-6#.str線文件，在工具菜單欄的“編輯”選項下，選擇“線段”下的“清理”，點中重復點選項卡，在“操作”中選擇刪除，在最大捕捉距離中填寫0.05.點擊執(zhí)行，在窗口中選擇線段，點擊左鍵執(zhí)行，然后按ESC鍵退出此功能。

在“編輯”選項下，選擇“線段”下的“運算”，分別對采空區(qū)頂?shù)捉孛孢M行賦高程運算。

選擇菜單欄中“實體模型”下的“創(chuàng)建三角網(wǎng)”的“在一個段內(nèi)”，彈出對話框，選擇體號1，三角網(wǎng)號1執(zhí)行，點擊空區(qū)頂?shù)装褰孛婢€；在“創(chuàng)建三角網(wǎng)”的“兩段之間”，同樣選擇體1網(wǎng)1執(zhí)行，執(zhí)行后的效果圖見圖1.

1.1.2 巷道建模

本次建模以-130 m巷道為例。CAD圖中表示巷道的單線保存為-130 m巷道.dxf格式。在工具欄中的“設計”下的“地

下采礦工具”中的“由中線與斷面行程巷道實體”，在輸入斷面線文件中輸入巷道斷面文件位置。本次斷面采用三心拱巷道斷面，在垂直約束打鉤，點擊執(zhí)行，在工作窗口中，點擊巷道中心線，便生成了該中段的巷道實體模型。-130 m中段巷道實體模型見圖2.

1.1.3 地表建模

地表建模先要對地表地形圖的等高線進行處理，在CAD中對等高線圖層進行統(tǒng)一賦高程為0，已確保同樣高程的等高線在統(tǒng)一高度，然后對標注相同等高線的線進行合并，完成合并后保存為等高線.dxf文件，導入Mapgis軟件中；對等高線進行賦高程，在Mapgis中對等高線線條進行光滑處理，再進行抽稀，規(guī)定2點之間的間隔為5 m，執(zhí)行完后再次保存為等高線.dxf文件。

在SURPAC的工具欄“DTM工具”中的“當前層創(chuàng)建DTM”，彈出對話框，點擊執(zhí)行，執(zhí)行后的DTM模型見圖3.

1.2 三維立體模型

逐步建立的某礦三維立體模型見圖4.

2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

本次數(shù)值模擬采用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件建立某礦各中段采空區(qū)、圍巖的三維模型，然后導入到FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件中進行運算。

2.1 計算模型的建立

2.1.1 計算域與模型的離散化

采用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件建立某礦各中段采空區(qū)、圍巖的三維模型，建立計算模型。該模型共46 874個節(jié)點，280 376個單元，水平寬度、豎直高度、縱向深度分別為3 355 m、730 m和1 465 m，每個中段空區(qū)高度均統(tǒng)一設置為10 m，從上而下一共建立了8個中段。為了盡可能地觀察更多的變形區(qū)域，除了已經(jīng)形成空區(qū)的區(qū)域，同時還要觀看空區(qū)附近圍巖的變形情況，因此需對其附近一定范圍內(nèi)的圍巖進行數(shù)值模擬。

本次數(shù)值模擬分2個工況：①把所有空區(qū)開挖掉，研究分析在空區(qū)全部形成的情況下某礦應力、應變分布情況；②根據(jù)現(xiàn)場的實際充填數(shù)據(jù)信息對數(shù)值模型中對應的空區(qū)進行充填，得到充填后某礦的應力、應變特征。

2.1.2 原巖應力場與模型邊界約束條件

由于礦山缺乏地應力相關(guān)方面的試驗和資料，所以無法直接獲取地應力的信息。通過分析現(xiàn)場地壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)礦山最大主應力的方向幾乎接近垂直方向，因此選取上覆巖層的質(zhì)量近似的模擬原巖應力場。

數(shù)值模擬計算需要對建立好的計算模型設定邊界條件。根據(jù)地下工程的實際特點，本次數(shù)值模擬的邊界條件設定為混合邊界條件。具體是在數(shù)值模擬計算時，固定模型的左右2面所有點X方向速度，固定模型的前后2面所有點Y方向速度，固定模型底部邊界的X，Y，Z方向速度。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.2.1 相關(guān)簡化及假設

本次數(shù)值模擬根據(jù)數(shù)值計算軟件的特點并結(jié)合礦山實際，對計算模型的建立與計算過程進行了以下簡化和假設：①礦巖類型均采用單一巖性。礦體模型不考慮不同成分及含量等對礦體力學參數(shù)的影響，圍巖模型選取具有代表性的花崗質(zhì)碎裂巖。圍巖網(wǎng)格模型如圖6所示。②將礦體和圍巖視為均質(zhì)且各向同性的理想彈塑性體，塑性流動并不改變材料強度及各向同性，體積保持不變。③巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，區(qū)域內(nèi)礦巖體完整性較好，無大的斷層或破碎帶，此處不考慮巖體中結(jié)構(gòu)面、裂隙等影響。④不考慮地下水的影響。

2.2.2 各中段應力特征

在FLAC3D軟件中定義好計算模型材料的參數(shù)，包括材料的密度、體積模量、剪切模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等，然后進行開挖求解計算得到某礦的應力分布特征。圖7、圖8分別為-60 m中段俯視最大主應力云圖和最小主應力云圖。

通過對各中段的最大、最小主應力云圖進行分析可得出以下主要結(jié)果和結(jié)論：①采空區(qū)的形態(tài)對應力的分布影響較大，應力集中部位大部分出現(xiàn)在采空區(qū)的邊緣突出地帶；②對比各個中段的最大、最小主應力的大小，可以看出各中段最大主應力隨著深度的增加逐漸增大，最小主應力隨深度的增加逐漸減小；③各中段采空區(qū)圍巖的受力狀態(tài)與中段采空區(qū)的分布、體積大小有很大關(guān)系——采空區(qū)分布越集中、體積越大，采空區(qū)的圍巖受到拉應力作用的范圍就會越大，發(fā)生受拉破壞的可能性越大。

2.2.3 各中段應變特征

采空區(qū)圍巖的應變分布特征也是分析采空區(qū)穩(wěn)定性的重要方式，采用FLAC3D軟件可以對各中段的剪應變增量情況進行計算，從而得到各個中段中變形較大的區(qū)域。各中段的應變分布特征詳見圖9.

通過對各中段的剪切應變增量云圖進行分析可得出以下主要結(jié)果和結(jié)論：①部分中段的應變相比模型圍巖的區(qū)域還是較大并且連通性較好。這說明礦山局部中段的穩(wěn)定性偏低。②應變大的區(qū)域與空區(qū)的大小和連通性關(guān)系密切——連通性越大，空區(qū)的體積越大，應變大小就相對越大；連通性越小，空區(qū)體積越小，應變就相對越小。

3 結(jié)論

利用SURPAC軟件構(gòu)建礦山三維空間立體模型，主要包括2部分的模型（即地表部分模型和地下部分模型）。地表部分構(gòu)建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構(gòu)建出斜坡道、巷道、空區(qū)等模型。

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，整體上某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性級別不高，特別是礦山部分中段已具備發(fā)生一定規(guī)模地壓活動的條件。

參考文獻

[1]王運敏，劉海林，孫國權(quán).CMS實測地下礦采空區(qū)建模及穩(wěn)定性分析研究[J].金屬礦山，2009（8）：5-9.

[2]劉曉明.基于實測的采空區(qū)三維建模及其衍生技術(shù)的研究與應用[D].長沙：中南大學，2007.

[3]張耀平，彭林，劉圓.基于C-ALS實測的采空區(qū)三維建模技術(shù)及工程應用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012（1）：91-94.

[4]彭林.復雜采空區(qū)三維建模及穩(wěn)定性分析研究[D].南昌：江西理工大學，2012.

[5]劉曉明，羅周全，楊承祥，等.基于實測的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].巖土力學，2007，28（S1）：521-526.

〔編輯：劉曉芳〕