淺談SURPAC應(yīng)用采空區(qū)模型及FEM分析

摘要：礦山開采究其歷史等原因形成大量的采空區(qū)，大寶山就是典型的代表。這些空區(qū)形成了目前礦山生產(chǎn)安全的最主要的危害之一，本文利用目前較新的SURPAC三維數(shù)字化手段對(duì)空區(qū)進(jìn)行數(shù)字化模擬，并采用較為先進(jìn)的ANSYS有限元數(shù)值模擬分析計(jì)算，從而獲得空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的新嘗試，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：大寶山礦；采空區(qū)；三維數(shù)字化；有限元數(shù)值分析

1、引言

在礦產(chǎn)資源開發(fā)的過程中，房柱采礦法、空?qǐng)霾傻V法的應(yīng)用，往往形成了大量的地下空區(qū)。大寶山礦就是極具代表性的礦山之一，由于開發(fā)前期采用地下開采，非法民采等無規(guī)則、開采秩序混亂的亂采濫挖行為，為轉(zhuǎn)為露天開采的大寶山礦及周圍留下了大量的不明空區(qū)，而這些空區(qū)形成了目前礦山生產(chǎn)安全的最主要的危害之一。

就目前已經(jīng)探測(cè)到的空區(qū)而言，我們發(fā)現(xiàn)大寶山礦下部空區(qū)，礦柱變形破壞嚴(yán)重，有的因礦柱不能負(fù)載已經(jīng)坍塌，致使礦山開采條件惡化，極易引發(fā)大規(guī)模的巖移和冒落，形成地表塌陷；空區(qū)突然垮塌產(chǎn)生的高速氣浪、地表的落差以及塌陷產(chǎn)生的震動(dòng)極易造成人員傷亡和設(shè)備的破壞，給礦山安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。鑒于此，對(duì)于露天礦下部的空區(qū)的研究和穩(wěn)定性判定的研究對(duì)于大寶山礦的安全生產(chǎn)顯得尤為重要。

目前，對(duì)于空區(qū)的探測(cè)，國(guó)內(nèi)外主要采用采礦情況調(diào)查、工程鉆探、物探為主，輔以變形觀測(cè)、水文試驗(yàn)等。我國(guó)目前以鉆探為主、物探為輔，而美國(guó)等西方國(guó)家主要采用物探手段。鉆探方法比較直觀，但往往因布孔位置選擇不當(dāng)，破碎地帶探孔鉆無法下探等原因?qū)τ跒E采亂挖形成的空區(qū)無能為力。方法雖然多，但往往由于周圍復(fù)雜的地質(zhì)條件限制，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果精度不高，后期數(shù)據(jù)處理繁瑣，可視性差，只能有限的提供材料供參考?？諈^(qū)的三位空間準(zhǔn)確的確定直接關(guān)系到下一步空區(qū)的穩(wěn)定性分析的可靠性，而國(guó)內(nèi)外對(duì)于空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性分析往往由上述方法獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，從而導(dǎo)致可靠性較差。同時(shí)，為了既能夠?qū)崿F(xiàn)空區(qū)三維可視化又能進(jìn)行穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算且考慮到當(dāng)前數(shù)值分析軟件在力學(xué)方面計(jì)算分析的優(yōu)點(diǎn)，為此，本文介紹如何利用SURPAC生成空區(qū)邊界虛擬實(shí)體模型。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS數(shù)值模擬分析軟件對(duì)空區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)化，且不失空區(qū)主要特征（面積、空區(qū)深度、邊界輪廓）的完整性真實(shí)性進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法，從而獲得空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的新嘗試，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供可靠保障。

2、三維建模技術(shù)

SURPAC是澳大利亞公司開發(fā)的礦山大型軟件系統(tǒng)，可形成整套的三維立體和塊體建模，可將土建設(shè)計(jì)、三位模型建立、工程數(shù)據(jù)庫完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程中境界優(yōu)化、礦體儲(chǔ)量估算、排土場(chǎng)設(shè)計(jì)、露天礦道路規(guī)劃設(shè)計(jì)等，且具有良好的可視效果，并與其他計(jì)算機(jī)程序之間具有良好的接口，方便更進(jìn)一步的數(shù)值分析。

大寶山礦以前由于采用地下開采形成了大量且復(fù)雜的地下采空區(qū)，現(xiàn)在已轉(zhuǎn)為露天開采，開采范圍與原礦區(qū)相疊，從而形成原來存在的采空區(qū)與露天礦開采直接相互影響的問題。

利用SURPAC建立大寶山礦空區(qū)的三維模型主要有如下幾個(gè)步驟：（1）根據(jù)勘探線剖面圖及帶有標(biāo)高的采場(chǎng)現(xiàn)狀圖以及以前地采的圖紙資料利用Auto CAD描繪各中段空區(qū)平面圖；

（2）將地表部分二維剖面圖、平面圖倒入到SURPAC中建立三維地表模型，如圖1。（3）將原地采各中段二維平面圖導(dǎo)入SURPAC中建立三維各中段三維模型（4）導(dǎo)入各中段采空區(qū)平面圖到SURPAC中建立空區(qū)三維模型，如圖2。（5）截出并導(dǎo)出用于計(jì)算采空區(qū)頂板厚度的三維模型和數(shù)值模擬計(jì)算所需的二維簡(jiǎn)化模型，如圖3，圖4。

圖1 銅采場(chǎng)層面三維模型

圖2 新風(fēng)井673中段三維模型

圖3 673-4#空區(qū)數(shù)值模擬計(jì)算簡(jiǎn)化模型

圖4 簡(jiǎn)化模型

3、建立ANSYS模型并進(jìn)行穩(wěn)定性分析

3.1 ANSYS介紹

ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)繪圖建模軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。CAE的技術(shù)種類很多，其中包括有限元（FEM，即Finite Element Method），邊界元法（BEM，即Boundary Element Method），有限差法（FDM，即Finite Difference Element Method）等。每一種方法都有其各自使用領(lǐng)域，而FEM有限元法應(yīng)用范圍越來越廣。

ANSYS有限元軟件包括一個(gè)多用于的有限元計(jì)算程序，可求解結(jié)構(gòu)、流體、碰撞等問題。因此，用于分析大寶山空區(qū)動(dòng)態(tài)變化的情況更為合適。

3.2 有限元計(jì)算并分析

計(jì)算分為三個(gè)部分：前處理，分析計(jì)算和后處理。

前處理本身具有一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模即網(wǎng)格化分工具，方便用戶構(gòu)造合理的有限元模型。首先，對(duì)單元類型、單元常數(shù)、材料的類型（線形、各向同性、不隨溫度變化）、材料特征等做出合理化設(shè)定。其次，創(chuàng)建有限元模型并劃分網(wǎng)格。由于本文先前已經(jīng)對(duì)要分析的某個(gè)單一空區(qū)進(jìn)行SURPAC建模，故導(dǎo)入即可。并對(duì)導(dǎo)入的模型合理的設(shè)置并劃分網(wǎng)格單元。劃分網(wǎng)格后的效果如圖5。

圖5 劃分網(wǎng)格后的模型塊體

加載并求解。此過程需要對(duì)模型設(shè)定自由度，并進(jìn)行某些方向上的約束設(shè)定，并在其空區(qū)上部設(shè)定施加當(dāng)量的均布荷載已保證其模型與實(shí)際的相仿性。在設(shè)定好約束和荷載之后便可開始進(jìn)行計(jì)算求解過程，此過程由計(jì)算機(jī)自行完成。

完成計(jì)算之后便可用ANSYS的后處理模塊查看計(jì)算的結(jié)果。ANSYS軟件通常有POST1和POST26兩個(gè)后處理器組成。在POST1中可以查看輪廓線顯示、變形、等值線顯示等。求解結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 求解結(jié)果查看

圖7 水平區(qū)域結(jié)果

3.3分析

首先，從得到的結(jié)果可知，應(yīng)力從上到下逐漸增大。在有空區(qū)周圍出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，空區(qū)上方地表出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，說明空區(qū)的存在阻斷了整個(gè)平臺(tái)的受力傳遞，即極大的改變了空區(qū)位置周圍的受力狀況。

其次，由于該空區(qū)選擇在邊坡附近，造成邊坡與空區(qū)間有很大的相互影響?？梢钥吹?，采空區(qū)的存在也使得空區(qū)周邊水平位移出現(xiàn)明顯增加（有時(shí)可見邊坡頂面出現(xiàn)拉伸裂紋），在邊坡上出現(xiàn)拉伸破壞，不利于邊坡的穩(wěn)定。受空區(qū)影響，地表可能出現(xiàn)一定程度的塌陷和沉降，對(duì)安全生產(chǎn)是極大的威脅。而沉降中心和塌陷中心往往出現(xiàn)在空區(qū)頂板的最薄處，如圖8，而受影響范圍呈現(xiàn)圓形區(qū)域擴(kuò)大，并遠(yuǎn)離中心區(qū)域逐步衰減。

在遠(yuǎn)離頂板最薄處的范圍內(nèi)，跨度較大的一側(cè)受到不同程度影響的面積較大而跨度較小的一側(cè)較小，其正說明跨度的增加，也增加了空區(qū)的危險(xiǎn)系數(shù)。通過比較空區(qū)水平面積及形成危險(xiǎn)區(qū)域面積可知，危險(xiǎn)區(qū)域與空區(qū)水平面積比約為1.3～1.5。在空區(qū)確定后應(yīng)及時(shí)計(jì)算出水平危險(xiǎn)范圍圈定禁行區(qū)，避免重大的安全事故的發(fā)生。

4、結(jié)論與建議

（1）三維可視雖然使得地下不明空區(qū)可視化，提供能夠比較直觀的信息，但其精度往往受到前期數(shù)據(jù)采集的限制，目前大寶山才用激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)進(jìn)行空區(qū)探測(cè)就可以很好的保障數(shù)據(jù)的精確性，為多空區(qū)礦山持續(xù)安全的開采提供了詳盡的信息。

（2）重點(diǎn)簡(jiǎn)單嘗試了SURPAC建模軟件與ANSYS有限元分析軟件的合并使用，結(jié)合了三維建模和有限元數(shù)值分析軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，生成的模型與實(shí)際基本相符，反映出空區(qū)存在的狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)了空區(qū)的力學(xué)分析計(jì)算。

（3）根據(jù)求解計(jì)算可知，不規(guī)則空區(qū)的特征所引起的應(yīng)力分布和位移變化呈現(xiàn)各自不同的特點(diǎn)，在各種因素的擾動(dòng)下，空區(qū)周邊會(huì)隨著不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性的變化而變化，因此，不同的空區(qū)應(yīng)不同對(duì)待且勿一概而論。求解計(jì)算后，根據(jù)可能出現(xiàn)位移的范圍和受力狀況圈出危險(xiǎn)區(qū)域，在該空區(qū)未處理之前應(yīng)盡量禁止采掘設(shè)備及運(yùn)輸車輛和人員的出入，減少爆破擾動(dòng)，有需要時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大危險(xiǎn)區(qū)域范圍，以防止重大安全事故的發(fā)生。

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