鋁土礦山采空塌陷影響因素分析及顆粒流數(shù)值模擬研究

簡永軍

（中鋁貴州分公司礦業(yè)公司，貴州 貴陽 550014）

地下礦產(chǎn)資源的大量開采，特別是一些無規(guī)劃而混亂的亂采濫挖在地表以下形成了大量的采空區(qū)，這些空區(qū)的存在給地表塌陷提供了潛在可能性，從而使礦山開采條件的一度惡化，并對井上建筑物和生態(tài)環(huán)境形成重大威脅，給礦山安全生產(chǎn)造成了重大影響。對礦山采空區(qū)頂板穩(wěn)定性進行評測分析研究十分重要。

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，在鋁土礦需求不斷增加的同時，淺部鋁土礦資源逐漸枯竭，鋁土礦已由露天開采逐漸轉(zhuǎn)入地下開采。我國的鋁土礦大多以緩傾斜、傾斜，薄至中厚礦體為主。普遍存在礦體埋藏深度相對較淺、完整性和連續(xù)性較差、直接頂?shù)装宸€(wěn)固性差、礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜、多變等問題。上述問題導(dǎo)致鋁土礦地下開采過程中，地表沉陷嚴重、頻繁發(fā)生頂板冒落，嚴重威脅作業(yè)人員生命安全,安全保障程度低，為此如何對采空區(qū)頂板進行管理，控制地表沉陷、是目前我國鋁土礦山一項重要的研究項目。

礦房礦柱的留設(shè)是為了支撐采場頂板，防止頂板下沉導(dǎo)致地表塌陷，而在大面積采空區(qū)中礦柱群的失穩(wěn)是一個相當復(fù)雜的動力學過程，國內(nèi)外相關(guān)專家及學者開展了大量的研究工作。采空區(qū)頂板穩(wěn)定性評測方法有結(jié)構(gòu)力學梁板理論、魯佩涅伊特理論、核區(qū)強度不等理論、普氏拱理論等等，這些評測理論及方法都有各自的適用條件。之前的礦柱穩(wěn)定性評判理論只能解決均勻分布的礦柱穩(wěn)定性問題，但是在實際礦山中，礦柱的留設(shè)是根據(jù)礦山采場的地質(zhì)條件布置的，大部分是不規(guī)整、不均勻和無序的。數(shù)值模擬方法對解決不均勻礦柱分布問題十分有效。離散元法可以描述非連續(xù)介質(zhì)的運動過程，可以很好地解決礦山地表巖層整體坍塌和采空區(qū)失穩(wěn)等困難問題，使地表坍塌全過程清晰再現(xiàn)。

2 PFC3D顆粒流模擬原理

PFC3D（particle flow code 3 dimensions）即三維顆粒流模擬程序。該軟件是基于離散單元法對圓盤（PFC2D）和球形顆粒（PFC3D）介質(zhì)的運動及顆粒間的相互作用進行模擬的軟件。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)礦柱穩(wěn)定性理論的深入研究，數(shù)值模擬的準確性和可靠性得到很大提升甚至質(zhì)的飛越，憑借其省錢、省力、省時及快速的特點，可在較短時間內(nèi)對不同實驗方案進行模擬，因此受到許多研究者的喜愛。顆粒流模型不限制球體大小數(shù)量，可用來模擬大位移、大變形、散體間的相互運動及碰撞問題及巖石裂隙繁育發(fā)展等問題。該模型主要解決的問題可以歸結(jié)為以下幾個問題。①巖石、土體及邊坡中松散介質(zhì)的流動問題。②地震及建筑倒塌問題。③散體的混合、運輸問題。④蠕動、屈服、大變形等問題。⑤流-固耦合問題。⑥單軸、三軸抗壓強度問題。

PFC3D數(shù)值模擬過程中作了如下的基本假設(shè)。①顆粒為圓形盤（二維）或球體（三維）。②顆粒單元為剛性體。③接觸為點接觸。④接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠遠小于球體的半徑。⑤在接觸處有粘結(jié)強度。

3 鋁土礦山采空區(qū)礦柱失穩(wěn)的影響因素分析

采空區(qū)礦柱失穩(wěn)將導(dǎo)致地表整體塌陷。井下礦體被采出形成采空區(qū)，上覆巖層初始平衡應(yīng)力被打破，當上覆巖層應(yīng)力超過所留礦柱所能承受的最大應(yīng)力值時，礦柱發(fā)生破壞致使地表下沉，根據(jù)采空塌陷的形成機理，可以從以下幾個方面評測采空區(qū)穩(wěn)定性情況。

（1）礦塊的長寬高。所設(shè)計的礦塊尺寸直接影響到空區(qū)暴露面積，當空區(qū)暴露面積較大時，在上覆巖層荷載的作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，當拉應(yīng)力超過巖層自身強度后，頂板將發(fā)生大面積坍塌并發(fā)生到地表，致使形成采空塌陷。

（2）頂?shù)字暗V柱的留設(shè)尺寸及間距。由于鋁土礦開采時直接頂板一般為粘土巖或鋁土巖，該巖層穩(wěn)定性較差，需留設(shè)礦柱和80cm～120cm礦體護頂。礦柱寬高比一般作為礦柱設(shè)計指標，寬高比越大，礦柱穩(wěn)定性越好；礦柱間距設(shè)計應(yīng)視采場頂板穩(wěn)定情況而定，當頂板巖層穩(wěn)定性好，間距可留設(shè)大些，否則礦柱破壞載荷將會傳遞給相鄰礦柱，造成大面積垮塌。

（3）開采深度。不同開采深度巖層性質(zhì)及厚度不一樣，所受地應(yīng)力環(huán)境也不同。采場頂板上覆巖層的厚度及重量是否滿足巖層發(fā)生變形的要求，是衡量采空區(qū)是否穩(wěn)定和、是否會發(fā)生局部坍塌和是否會波及到地表的重要條件。

（4）采場所處地質(zhì)條件及圍巖性質(zhì)。節(jié)理裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響較大，若采空區(qū)處于節(jié)理裂隙發(fā)育的地段或被斷層貫穿，就容易發(fā)生局部冒頂或大面積坍塌，致使發(fā)生地表塌陷。

4 數(shù)值模擬模型建立及分析

PFC3D數(shù)值模型是球形（圓盤）顆粒的集合體，其切向和法向剛度、摩擦系數(shù)、密度和半徑等物理力學參數(shù)可以通過內(nèi)嵌的fish語言設(shè)定。顆粒之間的連接方式有接觸連接、平行連接和非接觸連接三種，接觸連接主要傳遞接觸點的力；平行連接主要傳遞顆粒之間的力和力矩。顆粒物理力學參數(shù)主要根據(jù)礦山初步設(shè)計給出，如密度、堅硬系數(shù)和松散系數(shù)等，而其他參數(shù)通過模型的反復(fù)試驗和計算得出，如抗拉強度、抗壓強度、泊松比和粘結(jié)力等。本次模擬針對貓場鋁礦，為了測出模擬所需的其他物理力學參數(shù)，從礦山選取具有代表性的巖石試件進行單軸實驗。試驗巖石試件選取的尺寸為10cm×25cm,與實際實驗一致。經(jīng)過參數(shù)的反復(fù)調(diào)試,通過不斷地調(diào)整,最終使得單軸壓縮強度與實驗室實際測定值一致。由此,得到計算使用的細觀力學參數(shù)。選取具有代表性也是危險性比較大的10#采場作為本次數(shù)值模擬的建模對象，模型長80m、寬40m、高120m，顆粒半徑為0.3m～0.5m，共生產(chǎn)球體顆粒19617個，通過初始應(yīng)力場讓模型內(nèi)球體顆粒自動平衡。計算結(jié)果表明，10#采場采空以后，礦柱能支撐一段時間，經(jīng)過3000時步后，礦柱及頂板破壞并最終發(fā)展至地表。

5 結(jié)論

采空塌陷是采場回采結(jié)束后對采空區(qū)未進行充填遺留的隱患，也是鋁土礦山時常發(fā)生的典型災(zāi)害之一，對礦山井下人員、設(shè)備設(shè)施、地表植被等皆會造成一定的危害，嚴重威脅到礦山安全生產(chǎn)工作。①對采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價應(yīng)綜合考慮礦塊長寬高，礦房和礦柱尺寸及間距大小，開采深度，爆破震動、圍巖性質(zhì)及構(gòu)造等因素得影響；②對于沒有充填處理的采空區(qū)，頂板巖層經(jīng)過一定時間的風化、爆破震動及潮解后，最終頂板及礦柱都會在某個時間發(fā)生破壞，最終發(fā)展至地表。③通過PFC3D顆粒流軟件模擬方法對鋁土礦山工程進行了模擬計算且評價采空區(qū)穩(wěn)定性，結(jié)果表明與礦山采場實際情況較符，說明離散元法可以解決非連續(xù)介質(zhì)、復(fù)雜的力學過程，對類似礦山的安全生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)意義。