地下金屬礦山回采過程中的穩定性優化分析

歐陽治華 劉夏臨 王紀鵬 李 苗

(武漢科技大學資源與環境工程學院)

我國礦產資源豐富，開采歷史悠久，地下礦山點多面廣，特別是鄂東地區的中小型礦山，開采技術落后，大多采用空場法開采，加上安全保障措施不健全，導致地下形成大量的采空區。這將必然涉及到在已有大型的采空區作業面上進行采礦作業，由此帶來的問題是:隨著后期采礦作業諸如爆破作業等，勢必會擾動已經應力平衡的巖體，造成應力的重新分配，在應力重分布的過程中，應力集中區域的高應力在釋放應力的過程中很有可能發生坍塌、片幫冒落等危險，威脅礦山的安全生產。巖石力學問題通常無法用解析方法簡單求解，相比之下，數值法具有較廣泛的適用性，它不僅能模擬巖體的復雜力學與結構特性，也可方便地分析各種邊值問題和施工問題，并對工程進行預測和預報［1］。

基于上述認識，本研究通過利用ANSYS三維有限元數值模擬軟件，對湖北省大冶市正興鐵礦殘礦回收過程中的危險采空區的穩定性進行數值模擬優化預測研究，將采礦作業對采空區的影響定量化研究，研究不同工況下對采空區穩定性的影響，旨在為礦山安全生產過程中采空區的穩定性給予科學的預測，同時結合聲發射監測預警技術，為聲發射監測布點提供科學依據，對礦山的殘礦安全生產起到指導作用，并在實踐中予以推廣應用。

1 工程概況

大冶市華靈集團正興鐵礦位于湖北省大冶市靈鄉鎮宮臺村，是該公司的主要礦山之一。該礦山進行了10余a的開采，目前已經采至－302 m水平。

由于礦山資源枯竭，最近幾年對采空區邊幫上的殘礦回收使采空區進一步擴大，再加上沒有科學規劃，導致采場受到不同程度的破壞，應留的礦柱未留，形成了大小不等錯綜復雜的采空區。通過對該礦長期的聲發射監測，顯示正興鐵礦2號礦房－185 m水平采區的監測數據較活躍，存在著較大的安全隱患:其采空區規模已達到長約100 m，寬約30 m和高約30 m的巨大空區，只有1個半徑為3.2 m左右的礦柱支撐;而且該水平的采空區向上有一部分與－169 m水平采空區采通，向下有一部分與－205 m水平采空區采通。這使得應力分布情況比較復雜，嚴重威脅著礦山的安全生產［2］。鑒于此，有必要專門對該水平(－185 m)的應力分布進行三維數值模擬，探究采空區的應力分布情況，結合聲發射監測技術，在應力較大區域布置聲發射監測點，為安全預警提供一定的參考依據，進而更好地指導礦山的安全生產。

2 有限元數值模擬分析

礦巖物理力學參數選取的合理性在一定程度上決定了數值模擬計算結果的可靠程度。通過現場踏勘取樣，進行相關點荷載等試驗分析，同時綜合考慮礦巖的結構類型、完整程度、節理條件(粗糙度、間距)、巖樣裂隙情況、地下水等條件的綜合影響，經過換算(分別去掉最高值和最低值)，最后結合RMR分類和Q分類提供的參考值，其單軸抗壓、抗拉強度取值應比試驗所得巖石的單軸抗壓強度適當減小等原則，確定礦巖的物理力學參數表1［3］所示。

表1 礦巖主要物理力學參數［4-5］

利用三維有限元計算軟件ANSYS Workbench模塊，基于對正興鐵礦的現場踏勘及礦方提供的各水平現狀圖，本預警研究建立了一個3D模型。本研究項目中，3D模型中定義X坐標軸指向正東方向，Y坐標軸指向正北方向，Z坐標軸為垂直方向，有限元模型范圍的確定是基于圣維南原理，為了使應力的分布只影響附近的應力分布，計算模型的幾何尺寸大致取為礦區開挖體最大尺寸的3倍到5倍，這樣可以保證模型的周邊應力狀態為初始應力狀態，最后確定的模型尺寸為1 800 m×1 200 m×600 m。模型的邊界約束條件設置為在側面為水平約束，模型的底部設置垂直約束。通過網格劃分統計，模型單元網格劃分后共計單元324 514個，節點總數593 307個，滿足一般數值分析的基本要求。

3 計算結果及分析

圖1、圖2是正興鐵礦－185 m水平采空區的應力分布云圖，圖3安全系數分布云圖。

圖1 －185 m水平最小主應力

圖2 －185 m水平最大主應力

圖3 礦－185 m水平安全系數

計算結果表明，－185 m水平采空區頂板上下重疊部分有較大的拉應力存在，尤其是二井采區和三井采區之間的圍巖和頂板部分，即位于三井－185 m采空區的西南角和二井－185 m采空區的東北角之間，這主要是因為該水平采空區上下空間位置有重疊，導致應力在重分布過程中出現局部應力集中現象，由安全系數分布云圖也可以看出，這一區域的安全系數偏低。

4 設計優化模擬

設計探索是功能強大、方便易用的多目標優化及穩健性設計模塊，實際工程中通常需要多個優化目標，以使得產品的總體性能較好，而不僅是某一項指標最好［4-6］。

對正興鐵礦－185 m水平二井采區單獨建立三維有限元模型，利用Design Exploration中的實驗設計DOE和響應面技術來描述設計變量和采空區穩定性之間的關系。考慮到二井采區預留有1根礦柱，回采主要是在滿足安全的前提下對礦柱進行回采，而且隨著采礦作業的進行，圍巖的巖石力學參數必然會受到擾動影響而有所降低，所以該優化的設計變量選取為礦柱的半徑R，圍巖的抗壓強度和抗拉強度，輸出的優化參數為圍巖頂底板的最大主應力，最小主應力和安全系數。

在目標驅動優化中，考慮到圍巖的弱化折減及礦山實際的回采程度，在設計參數屬性的表格里設置礦柱半徑的接受范圍是1.5～3.2 m，圍巖抗壓強度的接受范圍是48～57 MPa，圍巖的抗拉強度的接受范圍是3.5～4.3 MPa，最后軟件列出16種組合優化設計方案，研究重點探討不同設計方案對采空區穩定性的影響，所以問題主要集中于采空區安全系數對設計變量的響應，至于對圍巖體重的應力，也可以由安全系數反映到采空區的穩定性上，最終優化計算給出的結果如表2所示。

表2 礦優化設計最優響應結果

從該響應結果可以看出，隨著后續的采礦作業，圍巖應力的適當弱化是允許的，這也符合實際情況，但在回采過程中，為防止出現過度弱化造成的災難性后果，必須采取響應的監測預防措施來保證工作區的安全。分析響應結果可知，該采空區礦柱直徑最多只能回采1.9 m左右，盡管如此，考慮到安全系數只有1.57，仍處于比較危險的狀態。

5 聲發射監測應用

大量研究資料表明，材料在受力作用而發生變形或斷裂時，產生的應變能以彈性波形式釋放出的現象稱為聲發射(AE)，巖石承受的外載荷發生變化時，以能量形式釋放出來［7-9］。巖石結構在破壞之前的能量釋放的強度是隨著結構的臨近失穩而變化的，每一次聲發射現象及微震的產生都包含著豐富的巖體內部狀態變化的信息，通過對接收到的信號進行處理和分析，可將聲發射參數作為評價巖體穩定性的依據，因此，可以利用巖體聲發射現象的這一特點對圍巖的穩定性進行監測，進而預測地下金屬礦山圍巖的塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地壓現象。因此在回采過程中必須結合聲發射監測，實時收集聲發射信號，預防事故的發生。

監測設備為YSSC型巖體聲發射監測儀。該聲發射監測儀利用巖體聲發射的特點，監測聲發射的頻度、強度、能量，為評價和預測巖體的穩定性提供依據。同時相對其他變形監測方法而言，聲發射監測可提前獲取信息，對預報巖體冒落等災害性事故而言，提供了更多的寶貴防災時間［2］。

基于上述有限元計算結果及Design Exploration的優化設計結果，在危險區域，即位于三井－185 m采空區的西南角和二井－185 m采空區的東北角之間布置聲發射監測點，利用聲發射檢測儀對該區域進行監測，具體監測點布置如圖4所示。

圖4 －185 m聲發射監測布孔

6 結論

(1)為了避免正興鐵礦－185 m水平采空區頂板和圍巖的應力狀態進一步惡化，嚴禁進一步擴大－185 m水平采空區，對礦柱的回踩最多只能在原來的基礎上回采1.9 m左右，并且在礦柱回采過程中，必須同時對危險區域進行聲發射監測，密切關注危險區域的聲發射信號。

(2)正興鐵礦－185 m水平采空區的寬度方向及三井西南部與二井東北部之間的圍巖狀況還要加強現場踏勘和人工巡視。在三井采區的西南角和二井采區的東北角各增設1個監測點，監測該區域巖體中的聲發射信號，預防發生安全事故。該方法已在實際中應用，實踐表明該方法是有效的。

(3)通過對金屬礦山復雜采空區條件下的有限元穩定性分析，結合有限元穩定性分析結果，利用Design Exploration的優化設計，可以較準確地顯示采空區的危險區域以及影響采空區穩定性的定量判據，進而可采取有針對性的措施，以此更好地指導安全生產。這種分析方法，對于受地方經濟驅動的中小型礦山的回采可以起到一定的借鑒作用。

［1］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

［2］ 武漢科技大學.華靈礦業集團公司正興鐵礦采空區穩定性監測分析報告［R］.武漢:武漢科技大學，2012.

［3］ 肖 術，歐陽治華，汪青松，等.正興鐵礦采空區聲發射監測應用研究［J］.有色金屬，2012，64(2):84-88.

［4］ 歐陽治華，姚高輝.基于應變耦合滲流模型的裂隙巖體彈性模量研究［J］.金屬礦山，2008(3):65-68.

［5］ 云 峰，袁宏成.巖體力學參數的估算［J］.西部探礦工程，2003，15(11):39-40.

［6］ 許京荊.ANSYS13.0 Workbench數值模擬技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［7］ 秦四清，李造頂，張倬元，等.巖石聲發射技術概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.

［8］ 王組蔭.聲發射技術基礎［M］.濟南:山東科學技術出版社，1989.

［9］ Rudajev V，Ibelm JV，Loka jecek T.Laboratory studies of acoustic emission prior to uniaxial compression cock failure［J］.Int JRock Mech Min Sci＆Geomech.Abstr，2000，37(4):699-704.