基于3DMine-Rhino-FLAC3D的多采空區(qū)對豎井的穩(wěn)定性影響分析

郝勇浙，張 飛，王 昊

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

對礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采后，將在地下形成大量連續(xù)或非連續(xù)的采空區(qū)，采空區(qū)的存在破壞了巖體的原始應(yīng)力平衡，使圍巖應(yīng)力重新分布。如果沒有得到有效治理[1]，很可能造成采空區(qū)失穩(wěn)，甚至引發(fā)巖體大面積的移動和冒落，采空區(qū)的失穩(wěn)勢必會對處在移動帶內(nèi)的豎井造成影響，對礦山的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。伴隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬技術(shù)對采空區(qū)及豎井的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，取得了豐碩的成果。羅周全等[2]利用CMS探測及Midas-FLAC3D數(shù)據(jù)耦合技術(shù)極大提高了數(shù)值模擬的可靠性，為地下復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析開辟了新的途徑；黃敏等[3]利用ANSYS和FLAC3D建立三維模型，對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，揭示了采空區(qū)周圍的力學(xué)效應(yīng)；王初步等[4]利用3DMine-FLAC3D耦合技術(shù)對采空區(qū)群進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)應(yīng)力疊加效應(yīng)會使采空區(qū)發(fā)生破壞；趙永等[5]利用Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算出采空區(qū)的穩(wěn)定數(shù)和等概率圖，評價采空區(qū)的穩(wěn)定性以及穩(wěn)定概率。

本文以內(nèi)蒙古某金礦為例，該礦開采深度接近1 000 m，形成了大量的采空區(qū)，豎井在移動帶內(nèi)且布置在礦體上盤，安全風(fēng)險高，且對保安礦柱進(jìn)行不規(guī)范回采，一旦采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)，勢必會對豎井造成威脅，形成重大安全隱患。 本文利用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模，針對豎井的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的治理措施并加以驗(yàn)證，由于盲豎井位于礦體下盤，相對較為穩(wěn)定，此次不做分析。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某金礦13號礦體分布在礦區(qū)的東南部，是礦區(qū)的主要礦體之一。控制礦體長2 500 m，延深1 030 m，開采深度930 m(188標(biāo)高)，平均厚度2.48 m。礦體呈大脈狀-似層狀產(chǎn)出，近東西向分布，礦體平均傾向183°，平均傾角55°，深部有變緩趨勢。采用豎井加盲豎井聯(lián)合開拓方式，明確豎井布置在礦體上盤且在移動帶內(nèi)，采用淺孔留礦法和全面采礦法進(jìn)行開采。

截至目前，818 m中段以上已全部完成開采，818 m中段～188 m中段仍有礦房進(jìn)行開采，由于大多數(shù)礦房在開采后沒有及時得到處理，一些連續(xù)的采空區(qū)遺留在礦體的上部。采空區(qū)內(nèi)留有頂?shù)字伴g柱，現(xiàn)為礦區(qū)內(nèi)最大規(guī)模的采空區(qū)域，擁有300多個小型采空區(qū)，受到工程擾動，采空區(qū)隨時可能會塌落，對豎井造成嚴(yán)重威脅。豎井發(fā)生變形破壞會對運(yùn)輸、通風(fēng)及安全生產(chǎn)造成重大影響，因此，對豎井周圍的圍巖進(jìn)行研究分析是非常必要的，通過一定的治理措施改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，降低應(yīng)力集中，防止巖體過度變形，控制巖體運(yùn)動幅度，可以消除安全隱患，避免災(zāi)害，這對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值建模

礦山三維數(shù)字模型是三維數(shù)值模擬必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)快速三維CAD向三維CAE的數(shù)據(jù)流通[6]。FLAC3D被廣泛應(yīng)用于巖土工程中，它能夠進(jìn)行巖石、土質(zhì)和其他材料在達(dá)到屈服極限后經(jīng)歷塑性變形的三維空間行為分析，為求解三維問題提供了一種理想的分析工具[7]，但其建模能力較弱，尤其在建立復(fù)雜模型時工作量巨大。為了更加真實(shí)有效地構(gòu)建礦體模型，基于三維網(wǎng)格堆砌法[8]并利用各軟件的建模優(yōu)勢結(jié)合3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模，可解決復(fù)雜礦體、采空區(qū)的模型建立和網(wǎng)格劃分等問題，使三維模擬與實(shí)際情況相對應(yīng)，使模擬結(jié)果更加真實(shí)可靠。①使用3DMine軟件和CAD軟件的信息交互功能，將回采邊界、礦巖分界面等信息導(dǎo)入3DMine中[9]，并矢量化線條，生成礦體，再利用生成DTM功能[10]、地質(zhì)地形圖的等高線，形成較為完整的三維地表模型。②利用Rhino及Kubrix模塊[11]對建立好的礦體和地表進(jìn)行x方向、y方向、z方向的邊界圈定，依據(jù)主豎井及盲豎井的坐標(biāo)及各中段間的位置關(guān)系，繪制5 m直徑的井筒及半圓拱形巷道，并利用Griddle模塊輸出FLAC3D網(wǎng)格。③利用FLAC3D6.0的Model模塊對圍巖、礦體、井筒及采場進(jìn)行分組，得到數(shù)值模擬的三維模型。

該金礦13號礦脈三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1和圖2所示，該模型沿x方向長度為800 m，沿y方向長度為800 m，沿z方向的高度為1 200 m左右，由384 816個節(jié)點(diǎn)、676 921個單元組成，且沿z方向分為1 018 m中段～188 m中段，共20個中段。沿y方向上將各中段礦體劃分為一系列的采場。分別對x方向(左右邊界)、y方向(前后邊界)及z方向的下部設(shè)置位移約束，z方向上部設(shè)為自由邊界。

圖2 礦體計(jì)算模型Fig.2 Ore body calculation model

2.2 本構(gòu)關(guān)系

采空區(qū)和井筒的穩(wěn)定性分析涉及圍巖和周圍礦體。 這些介質(zhì)是彈塑性材料，適用于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的分析和研究。 因此，使用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則確定開挖后的礦體、采空區(qū)及豎井周圍的應(yīng)力，得到位移和塑性區(qū)的分布規(guī)律見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；C和φ分別為材料黏附力和內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)。當(dāng)fs≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài)；當(dāng)fs≤0時，材料處于彈性變形階段[12]。在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，如果拉伸應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度，則材料將遭受拉伸破壞[13]。

2.3 巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該金礦所提供的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters

2.4 計(jì)算方案

為準(zhǔn)確模擬該金礦開采過程中豎井及其圍巖的變化規(guī)律，根據(jù)開采深度和時間順序，將開挖劃分為22個步驟。 開挖順序分別為主豎井及巷道、1 018 m中段、968 m中段、918 m中段、868 m中段、818 m中段、778 m中段、738 m中段、698 m中段、658 m中段、盲豎井及巷道、618 m中段、578 m中段、538 m中段、498 m中段、458 m中段、418 m中段、368 m中段、318 m中段、268 m中段、218 m中段、188 m中段。為簡化計(jì)算模型，此次模擬不考慮豎井及巷道支護(hù)，研究不同開采深度下井筒和圍巖內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)的變化，包括巖體位移、塑性區(qū)和應(yīng)力分布等。

3 采空區(qū)對豎井穩(wěn)定性的影響分析

3.1 應(yīng)力分析

圖3為主應(yīng)力變化曲線；圖4和圖5分別為垂直礦體走向上的圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的云圖，隨著礦體的逐漸開采，采場周圍的原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，應(yīng)力釋放并進(jìn)行重新分布。空區(qū)在上下盤巖層、頂?shù)装逍纬纱紊鷳?yīng)力場。由圖3可知，隨著礦體逐漸向下開采，各頂板的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)增大的趨勢，開挖到188 m中段，最小壓應(yīng)力值為12.1 MPa，而最大壓應(yīng)力值為42.2 MPa。在頂板拐角處存在拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離頂板中央拉應(yīng)力會逐漸減小。

圖3 主應(yīng)力變化曲線圖Fig.3 Variation curve of principal stress

從圖4和圖5可以看出，隨著向188 m中段礦體的逐漸開采，雖然采空區(qū)周圍的圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)增大的趨勢，應(yīng)力集中程度更大，但主豎井附近的應(yīng)力狀態(tài)仍然呈現(xiàn)出原巖應(yīng)力狀態(tài)，表明188 m中段～1 018 m中段之間礦體的開采對主豎井周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)影響較小。

圖4 采場及豎井最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Maximum principal stress nephogram of stope and shaft

圖5 采場及豎井最小主應(yīng)力云圖Fig.5 Minimum principal stress nephogram of stope and shaft

3.2 位移分析

圖6為188 m中段～1 018 m中段之間的礦體開采完成后井筒附近的位移云圖，隨著礦體的逐漸向下中段進(jìn)行開采，對井筒的影響范圍是逐漸增大的。在采空區(qū)上方，圍巖的變形呈現(xiàn)出拱形分布，距離采空區(qū)的距離越遠(yuǎn)，圍巖的變形越小。

圖6 采場及豎井位移云圖Fig.6 Displacement nephogram of stope and shaft

圖7為第1步到第20步開采過程中明豎井的9個監(jiān)測點(diǎn)位移隨著開挖步驟的變化規(guī)律，在188 m中段～1 018 m中段開采結(jié)束后，明豎井的最大變形量約為3.5 cm，最大變形位于658 m中段。目前，變形量在可控范圍內(nèi)，說明井筒處于安全狀態(tài)，但主豎井的變形速率逐漸增大，由于巖石蠕變的作用以及爆破震動、地下水和節(jié)理裂隙等影響，若不及時對采空區(qū)進(jìn)行治理，一旦采空區(qū)群發(fā)生失穩(wěn)，可能會導(dǎo)致主豎井失穩(wěn)，將會對礦山造成嚴(yán)重?fù)p失。

圖7 采場開采不同開挖步驟下井筒變形曲線Fig.7 Shaft deformation curve under differentexcavation steps in stope mining

3.3 塑性區(qū)分析

圖8為188 m中段～1 018 m中段之間的采場開采完成后豎井附近圍巖的塑性區(qū)分布圖，開挖的采場上盤圍巖局部范圍出現(xiàn)了剪切狀態(tài)或拉伸狀態(tài)，而主豎井附近的圍巖仍然處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，未出現(xiàn)剪切或拉伸狀態(tài)，表明主豎井目前處于相對安全的狀態(tài)。

圖8 采場及豎井塑性區(qū)分布圖Fig.8 Distribution of stope and shaft plastic zone

綜上所述，在采場的每個中段進(jìn)行開采后，一定范圍內(nèi)的圍巖將發(fā)生拉伸或剪切破壞。其中，采掘采場中部淺段后，拉伸破壞主要發(fā)生在采空區(qū)周圍；深部中段開采后，圍巖破壞主要為剪切破壞；隨著深部中段采場的開采，上部中段已經(jīng)形成的塑性破壞區(qū)存在擴(kuò)張現(xiàn)象，出現(xiàn)了一定的剪切破壞區(qū)，但尚未影響主豎井周圍的應(yīng)力狀態(tài)，所以，主豎井處境較為安全。

4 治理措施

內(nèi)蒙古某金礦818 m中段以上采場已經(jīng)全部開采完畢，地表允許一定程度的冒落，這部分區(qū)域的采空區(qū)已經(jīng)采用隔離封堵與自然冒落聯(lián)合處理的方案進(jìn)行治理。由于此次分析的采空區(qū)大部分位于保安礦柱之內(nèi)，所以采用膠結(jié)充填對采空區(qū)進(jìn)行處理，以保證豎井的穩(wěn)定。由于采空區(qū)數(shù)量過于龐大，全充填的成本過高，考慮使用隔層充填的治理方案來節(jié)省成本。2種充填方案均采用向上充填的方式，全充填從188 m中段分16步充填至818 m中段，隔層充填則是從218 m中段分8步充填至818 m中段。

圖9為采空區(qū)在兩種不同治理方案處理后的井筒附近圍巖位移分布云圖，井筒附近的圍巖變形情況基本一致，靠近采空區(qū)附近的圍巖變形較大，越遠(yuǎn)離采空區(qū)，其變形越小；靠近采空區(qū)附近的圍巖，其位移分布基本呈現(xiàn)拱形分布規(guī)律，采空區(qū)治理后，其分布規(guī)律基本與未處理前保持一致，采空區(qū)的頂板最大變形值約為7 cm，表明治理后采空區(qū)頂板的變形速率較小，充填體能有效支撐上盤圍巖，保證采空區(qū)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證主豎井附近圍巖的穩(wěn)定性。

圖9 充填后采場及豎井位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of stope and shaft after filling

圖10為2種治理方案在采空區(qū)處理前和處理后主豎井各個監(jiān)測點(diǎn)的變形情況，其中，第1步～第20步為采空區(qū)未處理情況下的各監(jiān)測點(diǎn)變形情況，20步以后為采空區(qū)在不同處理階段各監(jiān)測點(diǎn)的變形情況。采空區(qū)處理前，主豎井各監(jiān)測點(diǎn)的變形值較大，變形速率也較大，最大變形值約為3.5 cm，2種方案處理后的主豎井的變形速率均呈現(xiàn)減小的趨勢，表明采空區(qū)處理后井筒的變形均得到一定的控制，說明2種充填方案均能對上盤圍巖起到支撐作用，其穩(wěn)定性可得到一定的改善。但隔層充填方案的變形速率比全充填方案的變形速率要高，變形量也較高，最大變形值為3.74 cm，比全充填高0.04 cm。所以在條件允許的情況下，建議使用全充填的治理方案，與監(jiān)控系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)管理過程中地壓危險區(qū)和危險程度的實(shí)時監(jiān)測、預(yù)警和預(yù)報，可為礦井下危險源區(qū)域和危險程度分析提供可靠數(shù)據(jù)支持，保障井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

圖10 不同開挖與充填步驟下主豎井變形曲線Fig.10 Deformation curve of main shaft under different excavation and filling steps

5 結(jié) 論

1) 通過對該金礦的采空區(qū)及豎井進(jìn)行調(diào)查，以三維網(wǎng)格堆砌法為基礎(chǔ)，提出了3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模的建模思路，能夠更加快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建采空區(qū)及豎井的三維模型，并就采空區(qū)對豎井穩(wěn)定性的影響進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在1 018 m中段向188 m中段開采過程中雖然在采空區(qū)周圍的圍巖應(yīng)力有增大的趨勢，但在開采過程中對豎井周圍應(yīng)力影響較小。

2) 通過對位移和塑性區(qū)的計(jì)算結(jié)果可知，雖然空區(qū)周邊發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞，且采空區(qū)周邊塑性破壞區(qū)存在擴(kuò)張的現(xiàn)象，但主豎井附近的圍巖仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，并未出現(xiàn)塑性區(qū)。在開挖過程中，主豎井各中段發(fā)生了不同大小的變形，最大變形量約為3.5 cm，位于658 m中段，雖然變形在可控范圍內(nèi)，但變形速率不斷增大，豎井仍有可能發(fā)生開裂破壞。

3) 通過對隔層充填和全部充填2種治理方案進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)2種治理方案在充填后的豎井變形速率均明顯減小，趨于平緩，說明充填體能夠有效支撐上盤圍巖，使井筒變形的到控制，雖然全進(jìn)行膠結(jié)充填成本過高，但隔層充填的變形速率與變形量大于全充填的治理方案，所以推薦使用全部充填的治理方案。