大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區(qū)精細(xì)探測與穩(wěn)定性分析

余正方 胡 遠(yuǎn) 張 瑋 李杰林 楊承業(yè) 李長軍

（1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

采空區(qū)是地下金屬礦山的重大安全生產(chǎn)隱患，采空區(qū)大范圍冒落、失穩(wěn)而引發(fā)的災(zāi)害，將對礦山帶來嚴(yán)重的后果［1-3］。一方面，采空區(qū)冒落產(chǎn)生的巨大空氣沖擊壓力，對地下井巷工程及重要設(shè)施將造成災(zāi)難性的破壞；另一方面，大面積采空區(qū)坍塌會引起地層移動和塌陷，對地面建筑物、公共設(shè)施、農(nóng)田及人民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅［4-6］。因此，采空區(qū)穩(wěn)定性分析及安全管理是礦山企業(yè)安全、高效、綠色與可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題。

大紅山鐵礦屬緩傾斜條帶狀厚大礦床，礦體埋藏深，呈多層產(chǎn)出。Ⅱ-1頭部礦體頂板區(qū)域結(jié)構(gòu)主要包括變鈉質(zhì)熔巖、絹云片巖和含銅鐵礦，底板區(qū)域與侵入巖直接接觸，該區(qū)域礦石以磁鐵礦為主。經(jīng)過多年的開采，形成了大量的采空區(qū)，同時遺留了大量的殘礦資源。經(jīng)初步探明，Ⅱ-1頭部采空區(qū)數(shù)量多達(dá)十幾個，累計體積量大，采空區(qū)已成為大紅山鐵礦安全、可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。為有效治理大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區(qū)安全隱患，亟需對采空區(qū)三維形貌進(jìn)行精確探測，并開展采空區(qū)的穩(wěn)定性分析，從而為制定采空區(qū)處理措施提供數(shù)據(jù)。

基于多手段三維激光掃描技術(shù)，對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區(qū)及相鄰巷道進(jìn)行精細(xì)探測，構(gòu)建大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區(qū)及相鄰巷道的三維掃描模型，并采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模與數(shù)值模擬方式開展采空區(qū)穩(wěn)定性分析。

1 采空區(qū)精細(xì)探測概述

1.1 多手段三維激光掃描精細(xì)探測流程

近年來，采空區(qū)三維激光掃描技術(shù)已相對成熟［7-9］，但傳統(tǒng)的架站式、伸桿式三維激光掃描方式在大型復(fù)雜采空區(qū)探測中仍然存在許多難題，無法對采空區(qū)的復(fù)雜形貌進(jìn)行全面、精確的探測，導(dǎo)致采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)失真。為此，為了實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜采空區(qū)的精細(xì)探測，結(jié)合傳統(tǒng)架站式三維激光掃描方法，采用基于SLAM技術(shù)的便捷式三維激光掃描設(shè)備，建立一種“架站式+手持桿移動式+無人機(jī)”的采空區(qū)多手段三維激光掃描方法，其工作流程如圖1所示。

1.2 多手段三維激光掃描精細(xì)探測優(yōu)勢分析

1.2.1 移動式三維激光掃描儀優(yōu)勢

固定架站式掃描儀主要用于采空區(qū)形狀的初步探測以及站點(diǎn)間通視良好的近空區(qū)巷道探測，但受限于工程空間分布，在地下巷道部分區(qū)域難以開展工作，如圖2所示。

開展采空區(qū)附近狹窄的上、下行空間（圖2（a））探測工作時，測量人員難以在狹窄空間中攜帶并安裝固定架站式掃描儀，而移動式三維激光掃描儀具有體積小、便攜等優(yōu)勢，可對該狹窄區(qū)域進(jìn)行快速掃描；其二是在采空區(qū)鄰近的復(fù)雜巷道工程（圖2（b））中探測時，如使用固定式激光掃描儀，需分別布置數(shù)10個掃描站點(diǎn)，完成圖示區(qū)域的外業(yè)掃描工作需數(shù)小時，而使用移動式三維激光掃描儀，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時間不到5 min即可完成，數(shù)據(jù)采集效率約為固定式激光掃描儀的幾十倍。

1.2.2 無人機(jī)三維激光掃描儀優(yōu)勢

由于固定架站式掃描儀的掃描范圍受站點(diǎn)控制，開展大型采空區(qū)掃描作業(yè)時，空區(qū)內(nèi)部存在掃描的“視野盲區(qū)”，導(dǎo)致所掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在缺失或稀疏等失真現(xiàn)象。無人機(jī)搭載三維激光掃描儀主要用于復(fù)雜形狀采空區(qū)“死角”的探測，從而解決點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失、稀疏導(dǎo)致的采空區(qū)形態(tài)失真問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜采空區(qū)的精細(xì)探測，如圖3所示。

1.3 Ⅱ-1頭部采空區(qū)精細(xì)模型構(gòu)建

采用多手段三維激光掃描方法，對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部礦體的710，730，745，770和790 m共計5個中段的巷道，以及主礦體開采后形成的系列采空區(qū)和第五盤區(qū)采空區(qū)進(jìn)行了三維激光測量，共獲取21個采空區(qū)點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，并構(gòu)建出了Ⅱ-1頭部采空區(qū)及其相鄰巷道的精細(xì)模型，如圖4所示。其中，Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)體積最大，初步估計可達(dá)40萬m3。

2 Ⅱ-1頭部采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

基于三維激光掃描所得到的Ⅱ-1頭部采空區(qū)精細(xì)模型，采用FLAC3D軟件對大礦體和第五盤區(qū)開采后形成的采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。FLAC3D是由Itasca國際集團(tuán)公司開發(fā)的巖土工程專業(yè)分析軟件，目前在邊坡、基坑、隧道、地下洞室、采礦、能源及核廢料存儲等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［10］。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確性、網(wǎng)格劃分精確性以及計算過程高效性，采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模方式［11］進(jìn)行穩(wěn)定性分析數(shù)值模型的構(gòu)建。首先將采空區(qū)模型導(dǎo)入Surpac軟件中，與礦體模型進(jìn)行耦合優(yōu)化，形成一個同時包含采空區(qū)和礦體的開采現(xiàn)狀模型，然后將現(xiàn)狀模型整體導(dǎo)入Midas/GTS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后采用FLAC3D進(jìn)行計算邊界條件的設(shè)定和計算參數(shù)的輸入，最終完成穩(wěn)定性計算，數(shù)值計算模型如圖5所示。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

對II-1頭部礦體區(qū)域的礦石和圍巖取樣，開展了室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得礦巖的基本巖石力學(xué)參數(shù)。同時，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則對大紅山鐵礦的礦巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，獲得了數(shù)值模擬所需的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。將巖體力學(xué)參數(shù)輸入至計算模型中，模型只考慮自重應(yīng)力的影響。

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2.3 Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

根據(jù)構(gòu)建的采空區(qū)模型，Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)體積最大，安全隱患大，因此論文著重分析Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)的穩(wěn)定性。大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)穩(wěn)定性模擬結(jié)果如圖6所示，為了更好反應(yīng)空區(qū)頂板應(yīng)力位移規(guī)律的變化，選取縱向長度最大的空區(qū)剖面進(jìn)行分析。

由圖6（a）和圖6（b）可知，大礦體采空區(qū)圍巖的最大主應(yīng)力主要分布在采空區(qū)頂板，其中頂板東南方向拉應(yīng)力的最大值為3.21 MPa，已接近礦體的抗拉強(qiáng)度3.5 MPa，采空區(qū)失穩(wěn)風(fēng)險較高。由圖6（c）和圖6（d）可知，大礦體采空區(qū)圍巖的最大豎向位移也主要分布在采空區(qū)頂板，其中頂板東南方向的最大豎向位移值為20.77 mm，已超過頂板的最大允許下沉位移（20 mm），塑性變形也主要集中于空區(qū)頂板的東南方向，即大礦體采空區(qū)東南方向頂板易發(fā)生拉伸破壞。

根據(jù)大礦體采空區(qū)的應(yīng)力與位移分析結(jié)果可知，大礦體采空區(qū)東南方向的頂板發(fā)生進(jìn)一步垮塌的概率較大，與西北方向貫通，且采空區(qū)暴露面積過大，導(dǎo)致礦體上下盤圍巖與礦體交界處的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均超過其強(qiáng)度范圍，塑性區(qū)很多，且相互連接出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，說明該采空區(qū)的頂板極易發(fā)生冒落。

3 結(jié)論

（1）簡述了采空區(qū)多手段三維激光掃描方法，對比分析了移動式與無人機(jī)三維激光掃描儀的適用區(qū)域與應(yīng)用優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)單一手段的空區(qū)探測方法，多手段三維激光掃描方法可獲取更精細(xì)的采空區(qū)及其相鄰工程的三維空間模型。

（2）對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區(qū)進(jìn)行了精細(xì)探測，共得到21個采空區(qū)點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，并構(gòu)建了Ⅱ-1頭部采空區(qū)群的三維精細(xì)模型。

（3）基于采空區(qū)三維精細(xì)模型，采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模及數(shù)值分析方式對Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到采空區(qū)的應(yīng)力、位移分布云圖及其塑性破壞區(qū)。通過穩(wěn)定性數(shù)值分析結(jié)果，大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部大礦體采空區(qū)極易發(fā)生垮塌，必須采取相關(guān)的處理措施，研究結(jié)果為大紅山鐵礦采空區(qū)安全隱患治理提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。