精準三維激光探測結合可視化建模的采空區穩定性分析

孫剛友， 張衛中， 康欽容*， 夏緣帝， 袁威， 胡清珍

(1. 中核第四研究設計工程有限公司， 石家莊 050021； 2. 武漢工程大學資源與安全工程學院， 武漢 430073)

地下開采過程中，由于采空區的形成，原有的應力平衡被打破，上覆巖層因失去支撐而產生移動變形，導致采空區塌落，地表下沉等[1]。隨著礦山的繼續擴大，向其更深部位置進行開采后，巖層穩固性逐漸下降,致使該礦山圍巖及開采后作業場地條件逐漸惡化, 在強大且復雜多樣的圍巖地壓作用環境下,極易造成采空區的礦山頂板坍塌、冒落等事故。因此，對采空區進行穩定性分析已成為當前礦山生產中厄待解決的問題，其研究對保證礦山持續發展及安全生產具有十分重要的意義[2-5]。

針對采空區穩定性問題，國內外學者對其進行了大量的研究工作，前期采用的方法主要有模糊數學法[6-7]、Bayes判別法[8]、矢量分析法[9]、有限元法[10]等數學方法。由于數值模擬技術在工程等應用領域中的迅速發展和應用,以數值分析技術作為主要分析方法的研究層出不窮。如賀小慶等[11]為解決雙王金礦KT9采空區穩定性問題，以FLAC3D為技術平臺對采空區周圍巖體應力場和位移場的變化情況進行了系統分析,明確了采空區穩定性情況,為后期礦柱回采和采空區處理提供了理論依據。尚振華等[12]針對規模較大采空區的穩定性問題，主張從量化的角度對其進行分析，在數值模擬的基礎上結合統計學中的概率基本原理，以FLAC3D計算處理后的數據為基礎，建立指標體系。從多方面深入研究采空區的破壞概率，極大地擴展了數值模擬的應用空間。隨著研究的深入，單一的分析方法無法精準把握空區穩定性情況。為此，楊勇等[13]在解決金屬礦復雜采空區穩定性問題時，以紅嶺金屬礦為背景，選擇將現場監測、數值模擬以及經驗公式相結合的分析方法，對采空區的穩定性進行綜合判定。但傳統的空區穩定性數值分析總是基于某一特定范圍確定的，且將采空區的邊界視為規則的[14-18]，但規則的空區形態往往因外部因素影響呈不規則狀，因此，采用傳統的分析方法將直接導致數值模擬結果的精確度受到影響。

現以中核贛州某鈾礦的818-2#采場采空區為研究對象，根據鈾礦采空區的特點采用BLSS-PE三維激光采空區測量系統對復雜采空區進行多點探測，運用DIMINE軟件構建三維實體模型，將已建立的采空區三維模型與FLAC3D進行耦合得到基于實測的采空區數值分析模型，經數值模擬計算后，得到應力場、位移場的變化情況，進而分析采空區對周邊圍巖的穩定性影響，解決實測空間與設計空間不一致的問題，為復雜礦井采空區穩定性分析提供新的研究途徑。

1 工程概況

Kt-818-2#礦體位于710#剖面，走向近東西向，長約40 m，礦體平均厚度5 m，賦存高度166～200 m，傾向南，向北傾，傾角約72°。礦體圍巖形態與巖礦石類型特征大體一致,主要成分以中粒二云母質花崗巖和中粒小斑狀黑云母質花崗巖為主,礦體圍巖結構較穩定,巖礦石成分的普氏系數為5～11,巖石成分的平均自然安息角約為37°,礦石容重約大于2.6萬t/m3,礦石松散系數為1.65。礦體與圍巖無較明顯的界線,呈漸變關系，按照正常回采進度，該采場9個月應該回采結束，但后期在回采過程中，發現200 m中段礦化較好，若留頂柱回采，后期損失量較大，為了盡可能回收金屬，避免浪費，后期鈾礦回采至194 m標高后，又繼續上采了16 m，回采至200 m中段至210 m標高，金屬回收率很高。以818-2#采場為例，通過數值模型的建立，對礦區圍巖的應力、位移以及塑性區分布等方面進行了分析，并估算了采空區的穩定性。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology road map

2 三維采空區模型的構建

2.1 原始探測數據的預處理

運用BLSS-PE三維激光掃描測量系統將818-2#采場采空區進行了2次掃描后，獲取采空區空間形態位置的點云數據，將點云文件導入BLSS-PE測量系統中，生成“.blss”的點云文件。在三維可視化環境下呈現采空區及附近巷道的空間形態。利用三維激光掃描系統完成采空區空間形態數據的探測處理后,在空區模型的構建之前,必須對已得到的點云數據進行其他必要的數據分析處理，其主要分為以下步驟。

步驟1數據的過濾。通常情況下，經空區探測后的數據由于探測過程中受到外界因素以及空區自身環境影響導致所測數據中存在無效點，因此，在探測后為保證數據的精準度，通常先對數據進行過濾處理。

步驟2數據的拼接。由于空區存留的礦石或礦柱的阻擋作用，導致得到的點云數據在某種程度上可能無法還原真實的空間形態。針對空區的特點，對其采用多點探測法進行探測，再通過建立坐標系的方法將三維點云數據進行拼接。

步驟3數據的擬合。將經過多次探測所獲得的點云數據進行模型擬合，以便于使最終獲得的點云文件更真實地反映出這個空區的空間形態,而只有當空區點云文件完成了數據的前處理之后，才能進行地下采空區三維模型的構建。

2.2 三維采空區模型構建

將點云數據轉換成可導入DIMINE軟件的格式后，采用DIMINE軟件中的實體建模功能構建采空區的三維圖形輪廓，實現采空區的三維可視化。818-2#空區實測三維模型和實測編錄模型的擬合圖如圖2所示，可以看出，空區存在一定的垮塌情況，但經三維激光探測建立的模型基本與其編錄模型一致。

圖2 818-2#采場采空區實體模型擬合圖Fig.2 818-2# stope goaf solid model fitting diagram

3 數值模型的構建

3.1 本構模型的選擇

根據研究材料的特點，在進行數值分析時，均以Mohr-Coulomb準則為依據，即選用彈塑性模型為其本構模型。

3.2 圍巖物理力學參數及邊界條件

根據該礦床的特點，選擇礦體和圍巖為主要力學介質進行分析。其強度參數的計算根據常用的巖體強度參數折減標準進行折算，內摩擦角φ按0.85折減，內聚力按1/10～1/7折減，彈性模量按2/3折減，得到某鈾礦巖體強度力學參數見表1。

表1 某鈾礦巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass of a uranium mine

(1)初始應力。因缺少礦山未做初始應力測試，初始應力采用巖石自重應力進行計算。

(2)計算邊界條件。采用位移邊界條件，即模型的表面施加位移約束條件，上邊界施加根據上部巖體重量換算出的應力，根據地表三維模型和空區三維模型可知，地表距離數值模型上邊界水平距離約30 m，施加在上邊界的應力為0.9 MPa。

3.3 數值分析模型

利用“DIMINE to Flac3D”數據轉換程序將某鈾礦空區塊體模型質心文件轉換成FLAC3D網格數據文件，最終建立某鈾礦空區FLAC3D數值計算模型，共生成網絡節點531 441個，單元512 000個，如圖3所示。

①～⑩為頂板位移監測點圖3 818-2#采空區FLAC3D數值計算模型Fig.3 818-2# goaf FLAC3D numerical calculation model

4 數值模擬結果與分析

4.1 應力分析

4.1.1X剖面(X=8 695)分析

圖4(a)和圖4 (b)為818-2#采場X剖面上采場開挖前后圍巖最大主應力分布圖，圖5 (a)和圖5(b)為818-2#采場X剖面上采場開挖前后圍巖最小主應力分布圖。

圖4 采場開挖前后X剖面最大主應力分布圖Fig.4 Maximum principal stress distribution before and after quarry excavation of X profile

由圖5(b)可知，采場開挖后，最小主應力發生變化，且有增大的趨勢，根據開挖前后主應力分布圖可知，最小壓應力由-4.5 MPa增加到開挖后的-4.9 MPa，在空區頂底板處出現了最大值。最大主應力基本保持不變，最大值為-1.4 MPa，隨著采場的開挖，在上下盤位置出現拉應力，應力值為0.5 MPa，低于圍巖抗拉強度，空區圍巖穩定。

圖5 采場開挖前后X剖面最小主應力分布圖Fig.5 Minimum principal stress distribution before and after quarry excavation of X profile

4.1.2Y剖面(Y=4 845)分析

圖6(a)和圖6(b)為818-2#采場Y剖面上采場開挖前后圍巖最大主應力分布圖，圖7(a)和圖7(b)為818-2#采場Y剖面上采場開挖前后圍巖最小主應力分布圖。

圖6 采場開挖前后Y剖面最大主應力分布圖Fig.6 Maximum principal stress distribution before and after quarry excavation of Y profile

圖7 采場開挖前后Y剖面最小主應力分布Fig.7 Minimum principal stress distribution before and after quarry excavation of Y profile

由圖6可知，采場開挖后，最大主應力發生較為明顯的變化，其值呈逐步增大的趨勢。根據圖2可知，最小主應力由-4.56 MPa增加到開挖后的-4.67 MPa，且在空區頂底板處出現了最大值。最大主應力基本保持不變，最大值為-1.4 MPa，隨著采場的開挖，在上下盤位置出現拉應力，應力值為0.17 MPa，低于圍巖抗拉強度，空區圍巖穩定。

4.2 位移分析

4.2.1X剖面(X=8 695)分析

由于空區的開挖，圍巖的應力和位移發生變化，在圍巖穩定性分析中，主要圍繞應力和位移的分布變化特征展開研究，相較于應力變化，位移的變化能夠更加直接的反映圍巖穩定性狀態。圖 8給出了X剖面上空區形成后的水平和垂直向位移分布變化圖，從圖8中可見圍巖位移分布變化呈現如下特點。

圖8 采場開挖后X剖面位移分布圖Fig.8 Displacement distribution map after quarry excavation of X profile

(1)818-2#采場回采后，最大水平位移出現在采場上下盤靠近頂底板位置，位移最大值為2 mm。

(2)818-2#采場回采后，最大垂直位移出現在采場頂底板位置，位移最大值為10 mm。

(3)垂直最大位移比水平最大位移大，這與礦山最大主應力方向為垂直方向相符。

(4)空區形成后，空區頂底板和兩邊位移最大為10 mm左右，空區基本處于穩定狀態，但也應當注意頂板安全。

4.2.2Y剖面(Y=4 845)分析

圖9分別給出了Y剖面上空區形成后的水平和垂直向位移分布變化圖，可見圍巖位移分布變化呈現如下特點。

圖9 采場開挖后Y剖面位移分布圖Fig.9 Displacement distribution map after quarry excavation of Y profile

(1)818-2#采場回采后，最大水平位移出現在采場上下盤靠近頂底板位置，位移最大值為3 mm。

(2)818-2#采場回采后，最大垂直位移出現在采場頂底板位置，位移最大值為9 mm。

(3)垂直最大位移比水平最大位移大，這與礦山最大主應力方向為垂直方向相符。

(4)空區形成后，空區頂底板和兩邊位移最大為9 mm左右，空區基本處于穩定狀態，但也應當注意頂板安全。

4.2.3 采空區頂板位移分析

通過在采空區頂板設置監測點見圖3(b)，監測在整個計算過程中頂板的位移隨計算步驟的變化過程。圖 10和圖 11所示為頂板監測點最終位移圖和特定開挖步驟頂板各監測點垂直位移曲線圖。可以看出，最終頂板最大位移-6.32 mm，為6號監測點，在空區形成后頂板迅速下降，之后趨于穩定，說明形成采空區后頂板處于穩定狀態。

圖10 頂板監測點位移圖Fig.10 Displacement map of roof monitoring points

圖11 頂板監測點垂直位移圖Fig.11 Vertical displacement curve of roof monitoring points

4.3 塑性區分析

圖12(a)為空區形成后X剖面圍巖塑性區分布情況，可以看出，隨著采場的逐步回采，采空區圍巖部分區域出現了塑性區，主要體現在采場下盤靠上部位置，塑性區面積很小，對整個空區穩定性影響不大，空區整體處于穩定狀態。

圖12(b)為空區形成后Y剖面圍巖塑性區分布情況，可以看出，隨著采場的逐步回采，采空區圍巖部分區域出現了塑性區，主要體現在采場頂板和采場東部位置，塑性區面積很小，對整個空區穩定性影響不大，空區整體處于穩定狀態。

圖12 采場開挖后空區圍巖塑性區分布圖Fig.12 Distribution of plastic zone of surrounding rocks in the cavity after quarry excavation

5 結論

(1)運用BLSS-PE三維激光掃描和測量系統探測采空區，經礦用軟件DIMINE構建采空區三維模型，實現了818-2#采場采空區三維實體模型的構建，為精確探測空區三維形態提供了新的有效途徑。

(2)根據已構建的采空區三維模型運用FLAC3D進行數值計算，實現了采空區實測技術與數值模擬技術與數值模擬技術的耦合。

(3)根據模擬結果分析了采空區對周邊圍巖的穩定性影響。從應力變化特征、位移變化特征和塑性區變化特征等方面分析，818-2#采空區整體處于穩定狀態，但為礦山安全考慮，應及時對采空區進行處理。