某礦采空區穩定性數值模擬研究

劉浩+吳倩茹+徐力勇

摘 要：某多金屬礦經過多年的開采，已形成大量采空區，地壓顯現明顯。擬采用三維建模、數值模擬等研究手段，構建礦山三維空間立體模型，并對采空區的穩定性進行數值模擬研究，對礦山進行技術指導。

關鍵詞：采空區；三維建模；數值模擬；地表模型

中圖分類號：TD327 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.015

某多金屬礦經過多年的開采，已形成大量采空區，地壓顯現明顯，新采空區大量增加，部分老采空區也有擴幫，并且部分新增空區與老空區相互貫通，在開采過程中未及時對采空區進行處理，嚴重威脅著井下的生產作業安全。

針對礦山開采遺留大量采空區，地壓顯現明顯的問題，本文擬采用三維建模、數值模擬等研究手段，利用SURPAC軟件構建礦山三維空間立體模型，包括地表部分模型和地下部分模型，并采用FLAC3D數值計算軟件對某礦采空區的穩定性進行了數值模擬研究，對礦山進行技術指導。本研究對保障礦山采礦作業安全，提高礦山經濟效益都具有重要的意義。

1 采空區立體模型的建立

1.1 建模說明

構建礦山三維空間立體模型主要包括2部分的模型，即地表部分模型和地下部分模型。地表部分構建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構建出斜坡道、巷道、空區等模型。本次建模均采用礦山提供的CAD圖紙資料。

1.1.1 采空區建模

本次采空區建模以-100 m中段77～79線之間的77-6#空區為例，實測采場最高高度為13 m。在CAD中對15#采場范圍進行圈定，圈定為一條封閉的多段線，另存為77-6#.dxf格式。

在工具菜單欄中的“文件”選項下，選擇“打開”下的“線/DTM文件”，彈出對話框，在文件名一欄中，選中77-6#.dxf所在位置，點擊執行。點擊保存，保存為77-6#.str線文件。

重新打開77-6#.str線文件，在工具菜單欄的“編輯”選項下，選擇“線段”下的“清理”，點中重復點選項卡，在“操作”中選擇刪除，在最大捕捉距離中填寫0.05.點擊執行，在窗口中選擇線段，點擊左鍵執行，然后按ESC鍵退出此功能。

在“編輯”選項下，選擇“線段”下的“運算”，分別對采空區頂底截面進行賦高程運算。

選擇菜單欄中“實體模型”下的“創建三角網”的“在一個段內”，彈出對話框，選擇體號1，三角網號1執行，點擊空區頂底板截面線；在“創建三角網”的“兩段之間”，同樣選擇體1網1執行，執行后的效果圖見圖1.

1.1.2 巷道建模

本次建模以-130 m巷道為例。CAD圖中表示巷道的單線保存為-130 m巷道.dxf格式。在工具欄中的“設計”下的“地

下采礦工具”中的“由中線與斷面行程巷道實體”，在輸入斷面線文件中輸入巷道斷面文件位置。本次斷面采用三心拱巷道斷面，在垂直約束打鉤，點擊執行，在工作窗口中，點擊巷道中心線，便生成了該中段的巷道實體模型。-130 m中段巷道實體模型見圖2.

1.1.3 地表建模

地表建模先要對地表地形圖的等高線進行處理，在CAD中對等高線圖層進行統一賦高程為0，已確保同樣高程的等高線在統一高度，然后對標注相同等高線的線進行合并，完成合并后保存為等高線.dxf文件，導入Mapgis軟件中；對等高線進行賦高程，在Mapgis中對等高線線條進行光滑處理，再進行抽稀，規定2點之間的間隔為5 m，執行完后再次保存為等高線.dxf文件。

在SURPAC的工具欄“DTM工具”中的“當前層創建DTM”，彈出對話框，點擊執行，執行后的DTM模型見圖3.

1.2 三維立體模型

逐步建立的某礦三維立體模型見圖4.

2 采空區穩定性數值模擬研究

本次數值模擬采用ANSYS三維有限元數值模擬軟件建立某礦各中段采空區、圍巖的三維模型，然后導入到FLAC3D有限差分數值模擬軟件中進行運算。

2.1 計算模型的建立

2.1.1 計算域與模型的離散化

采用ANSYS三維有限元數值模擬軟件建立某礦各中段采空區、圍巖的三維模型，建立計算模型。該模型共46 874個節點，280 376個單元，水平寬度、豎直高度、縱向深度分別為3 355 m、730 m和1 465 m，每個中段空區高度均統一設置為10 m，從上而下一共建立了8個中段。為了盡可能地觀察更多的變形區域，除了已經形成空區的區域，同時還要觀看空區附近圍巖的變形情況，因此需對其附近一定范圍內的圍巖進行數值模擬。

本次數值模擬分2個工況：①把所有空區開挖掉，研究分析在空區全部形成的情況下某礦應力、應變分布情況；②根據現場的實際充填數據信息對數值模型中對應的空區進行充填，得到充填后某礦的應力、應變特征。

2.1.2 原巖應力場與模型邊界約束條件

由于礦山缺乏地應力相關方面的試驗和資料，所以無法直接獲取地應力的信息。通過分析現場地壓監測的數據，發現礦山最大主應力的方向幾乎接近垂直方向，因此選取上覆巖層的質量近似的模擬原巖應力場。

數值模擬計算需要對建立好的計算模型設定邊界條件。根據地下工程的實際特點，本次數值模擬的邊界條件設定為混合邊界條件。具體是在數值模擬計算時，固定模型的左右2面所有點X方向速度，固定模型的前后2面所有點Y方向速度，固定模型底部邊界的X，Y，Z方向速度。

2.2 采空區穩定性數值模擬

2.2.1 相關簡化及假設

本次數值模擬根據數值計算軟件的特點并結合礦山實際，對計算模型的建立與計算過程進行了以下簡化和假設：①礦巖類型均采用單一巖性。礦體模型不考慮不同成分及含量等對礦體力學參數的影響，圍巖模型選取具有代表性的花崗質碎裂巖。圍巖網格模型如圖6所示。②將礦體和圍巖視為均質且各向同性的理想彈塑性體，塑性流動并不改變材料強度及各向同性，體積保持不變。③巖層內部為連續介質。根據現場調查結果，區域內礦巖體完整性較好，無大的斷層或破碎帶，此處不考慮巖體中結構面、裂隙等影響。④不考慮地下水的影響。

2.2.2 各中段應力特征

在FLAC3D軟件中定義好計算模型材料的參數，包括材料的密度、體積模量、剪切模量、黏聚力、內摩擦角等，然后進行開挖求解計算得到某礦的應力分布特征。圖7、圖8分別為-60 m中段俯視最大主應力云圖和最小主應力云圖。

通過對各中段的最大、最小主應力云圖進行分析可得出以下主要結果和結論：①采空區的形態對應力的分布影響較大，應力集中部位大部分出現在采空區的邊緣突出地帶；②對比各個中段的最大、最小主應力的大小，可以看出各中段最大主應力隨著深度的增加逐漸增大，最小主應力隨深度的增加逐漸減小；③各中段采空區圍巖的受力狀態與中段采空區的分布、體積大小有很大關系——采空區分布越集中、體積越大，采空區的圍巖受到拉應力作用的范圍就會越大，發生受拉破壞的可能性越大。

2.2.3 各中段應變特征

采空區圍巖的應變分布特征也是分析采空區穩定性的重要方式，采用FLAC3D軟件可以對各中段的剪應變增量情況進行計算，從而得到各個中段中變形較大的區域。各中段的應變分布特征詳見圖9.

通過對各中段的剪切應變增量云圖進行分析可得出以下主要結果和結論：①部分中段的應變相比模型圍巖的區域還是較大并且連通性較好。這說明礦山局部中段的穩定性偏低。②應變大的區域與空區的大小和連通性關系密切——連通性越大，空區的體積越大，應變大小就相對越大；連通性越小，空區體積越小，應變就相對越小。

3 結論

利用SURPAC軟件構建礦山三維空間立體模型，主要包括2部分的模型（即地表部分模型和地下部分模型）。地表部分構建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構建出斜坡道、巷道、空區等模型。

采用FLAC3D數值計算軟件對某礦采空區的穩定性進行了數值模擬研究。研究結果表明，整體上某礦采空區的穩定性級別不高，特別是礦山部分中段已具備發生一定規模地壓活動的條件。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕