基于FLAC3D的四兒溝門金礦2#礦區采空區穩定性分析

盧 亮，張 寶，劉祿來

(1.西和縣中寶礦業有限公司， 甘肅 隴南市 742100；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

基于FLAC3D的四兒溝門金礦2#礦區采空區穩定性分析

盧 亮1，張 寶2，劉祿來1

(1.西和縣中寶礦業有限公司， 甘肅 隴南市 742100；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

根據四兒溝門金礦2#礦區采空區分布情況，運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區三維可視化數字模型，共獲得21個采空區，采空區體積共計19萬m3。選擇三維有限差分程序FLAC3D進行采空區穩定性仿真模擬計算，計算結果表明，采空區上下盤圍巖容易因拉應力存在而發生局部小范圍脫落，采空區周圍的礦柱穩定性都較好，發生采空區頂板大面積跨落的安全隱患很低，只需進行磚石封閉即可。

采空區； FLAC3D；穩定性；數值模擬

0 引 言

四兒溝門金礦為地下開采礦山，共有5個生產水平。礦山采用平硐+斜井+豎井聯合開拓，現階段采用無底柱淺孔留礦法回采礦體。1 m3鏟運機在進路鏟運礦石至溜礦井，再由礦車裝礦，電機車牽引礦車至井底車場，最后提升至地表。

礦區內礦體、圍巖均比較軟弱，穩固性較差，后期斷裂發育，坑道掘進時，一般需支護。礦體頂板f系數為7，礦體均值為7，底板為8。礦巖體重2.60 t/m3，礦巖松散系數1.5。該塊段水文地質條件簡單，地表允許陷落。

四兒溝門金礦2#礦區無底柱淺孔留礦法設計的采礦貧化率為10%、損失率為15%。在實際生產中，井下預留了大量的安全礦柱以保障安全開采，采礦貧化控制得比較好，但由此造成的礦柱損失卻非常大，初步統計損失在20%～30%。

隨著開采時間的增加，井下積累了大量的采空區，采空區穩定性整體在降低，給安全生產管理帶來不小的影響。目前，急需了解井下采空區的分布情況，計算采空區的穩定性狀況，以判斷采空區是否存在安全隱患，對井下生產有影響程度，指導生產組織和安全管理工作。

1 采空區調查

1.1 采空區調查及三維建模

總體來說，四兒溝門金礦2#礦區井下管理嚴格，采場在回采過程中預留的安全礦柱均保存比較完整。頂底柱厚度平均為6 m，個別區域約為5 m。除1040 m中段108892采場與1080 m中段的頂柱已塌落外，其他采空區上下、左右、前后貫通現象不明顯。因此，采空區形態總體比較規整，采場塌方、冒落現象不多。

通過查看每月采場驗收圖、采空區剖面投影圖、礦體賦存狀態、技術人員描述，按資料準確度和完整性，采用3DMine軟件的相關實體建模功能生成三維模型，建模步驟如下：

(1) 采空區資料分類：首先，按照準確度與完整性對采空區調研資料進行分類。簡單可劃分為四類：每月采場驗收圖、采空區剖面投影圖、礦體賦存狀態、技術人員描述。

(2) 直接生成三維模型：當采空區原始資料準確、齊全，如每月采場驗收圖都保存齊全時，可直接采用3DMine軟件的相關實體建模功能生成三維模型。

(3) 綜合生成三維模型：當采空區原始資料并不是齊全，如只有一兩月采場驗收圖時，參照采空區剖面圖、礦體賦存狀況，生成三維模型。

(4) 綜合生產技術人員對采空區采高、頂底柱和間柱保存情況的描述，對采空區三維模型進行修正處理。

綜合利用四兒溝門金礦2#礦區采空區資料，運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區三維可視化數字模型，準確地獲得了各中段采空區的實際邊界和采空區形態等相關信息。采空區與地表模型復合三維模型如圖1和圖2所示。

圖1 四兒溝門金礦2#礦區采空區三維空間模型

圖2 四兒溝門金礦2#礦區采空區+地表三維空間模型

1.2 采空區分布情況統計分析

根據采空區三維數字模型，四兒溝門金礦2#礦區共建立有21個采空區，采空區體積共計19萬m3。

通過統計分析，發現礦山采空區走向上分布比較集中(如圖3、圖4所示)，主要集中在88～92勘探線范圍，其約占總采空區體積的63%；各生產水平采空區分布也相對集中，主要在1040，1080 m中段分布比較多，約占總采空區體積的58%。

一般來說，采空區集中的地段，其穩定性相對較差。因此，采空區相對集中的區域是判斷采空區穩定性狀況的關鍵位置，應作為重點分析對象。

2 采空區穩定性分析

2.1 采空區穩定性分析方法

地下采空區穩定性分析與評價是一個非常復雜的動態災害系統工程問題研究過程。比較常用的分析方法有：概率危險性分析法、模糊安全分析法、神經網絡分析法、事故樹分析法、灰色層次分析法、Mathews穩定圖分析法、數值模擬分析法以及工程經驗類比法等。

三維有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是目前應用最廣泛的巖土模擬分析軟件。該軟件采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。該法是將研究對象劃分成網格，物理網格映射在數學網格上。對于網格中的結點，假設某一時刻各個結點的速度為己知，根據高斯定理可以求得單元的應變增量，然后由材料的本構關系求得單元的應力增量以及全應力。采用該方法求解時，要求介質在變形過程中連續。由單元應力可以求得各結點上的不平衡力，進而求得結點在不平衡力作用下產生的加速度和速度，由速度再求得下一時步的單元應變和應力。如此循環直至問題收斂，最終獲得模擬計算結果。

2.2 采空區穩定性狀況

根據FLAC3D軟件計算結果，選取了90線和97線兩個采空區集中的關鍵剖面進行采空區穩定性分析。

2.2.1 90線剖面采空區穩定性

90線剖面的最小主應力、最大主應力、豎向位移和塑性區分別如圖5～圖8所示。

從圖中可以發現，下部幾個中段采空區間頂柱出現拉應力區，最大拉應力為1.57 MPa；采空區上下盤出現壓應力集中，最大壓應力在15.1 MPa范圍內；采空區上下盤圍巖位移量較小，最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區附近主要以剪破壞為主，剪破壞比較零散。

因此，90線剖面附近采空區上下盤圍巖容易因拉應力存在而發生脫落，但影響范圍較小，采空區塑性破壞范圍較少，對采空區整體穩定性影響不大，總體穩定性較好。

圖3 四兒溝門金礦2#礦區采空區沿走向分布

圖4 四兒溝門金礦2#礦區各生產水平分布

圖5 四兒溝門金礦2#礦區90線最小主應力分布

圖6 四兒溝門金礦2#礦區90線最大主應力分布

圖7 四兒溝門金礦2#礦區90線豎向位移分布

圖8 四兒溝門金礦2#礦區90線塑性區分布

2.2.2 97線剖面采空區穩定性分析

97線剖面的最小主應力、最大主應力、豎向位移和塑性區分別如圖9～圖12所示。

從圖中可以發現，下部幾個中段采空區間頂柱出現拉應力區，最大拉應力為0.71 MPa；采空區上下盤出現壓應力集中，最大壓應力在8.24 MPa范圍內；采空區上下盤圍巖位移量較小，最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區附近以剪破壞為主，剪破壞比較零散。

因此，97線剖面附近采空區上下盤圍巖容易因拉應力存在而發生脫落，但影響范圍較小，采空區塑性破壞范圍較少，對采空區整體穩定性影響不大，總體穩定性較好。

圖9 四兒溝門金礦2#礦區97線最小主應力

圖11 四兒溝門金礦2#礦區97線豎向位移分布

圖12 四兒溝門金礦2#礦區97線塑性區分布

2.3 采空區安全隱患辨識

根據上述采空區比較集中地段的關鍵剖面進行穩定性數值模擬計算結果分析，可知采空區上下盤圍巖容易因拉應力存在而發生脫落，但影響范圍較小，采空區周圍的礦柱穩定性都較好，基本未發生塑性破壞。總體來說，四兒溝門金礦2#礦區采空區穩定性較好。

因此，由于采空區周圍礦柱穩定性好，該礦區采空區不存在發生大規模冒落的危害。即使在井下爆破震動等因素的強烈擾動下，發生采空區大面積頂板跨落的可能性總的來說較低。局部的采空區頂部小范圍冒落，不會造成沖擊波危害。

據此，只需對這些采空區進行磚石封閉即可，以防人員誤入，造成傷害事故。

3 結 論

(1) 根據四兒溝門金礦2#礦區采空區資料，運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區三維可視化數字模型，共建立有21個采空區，采空區體積共計19萬m3，準確地獲得了各中段采空區的實際邊界和采空區形態。通過統計分析，發現區內采空區走向上分布比較集中，主要集中在88～92勘探線范圍，其約占總采空區體積的63%；各生產水平采空區分布也相對集中，主要在1040，1080 m中段分布比較多，占約總采空區體積的58%。

(2) 選擇三維有限差分程序FLAC3D進行采空區穩定性仿真模擬計算，并選取了90線和97線兩個采空區集中的關鍵剖面進行采空區穩定性分析。根據模擬計算結果分析，可知區內采空區上下盤圍巖容易因拉應力存在而發生脫落，但影響范圍較小，采空區周圍的礦柱穩定性都較好，基本未發生較大范圍的塑性破壞。

總體來說，由于采空區周圍礦柱穩定性好，該礦區采空區不存在發生大規模冒落的危害，四兒溝門金礦2#礦區采空區穩定性較好。井下爆破震動等因素的強烈擾動下，發生采空區頂板大面積跨落的可能性還是很低，不會引發沖擊波危害等安全隱患。因此，對于區內采空區只需進行磚石封閉即可，以防人員誤入，造成傷害事故。

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盧 亮(1980-)，男，山東萊州人，助理工程師，主要從事采礦工藝和安全管理方面研究，Email:luliang20110831@163.com。