基于FLAC3D某鐵礦采空區穩定性數值模擬研究

龍 斌 徐 超 戴 軍 卿自強

（1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室）

隨著我國經濟水平的持續提升，我國的非煤礦山獲得了較大程度的發展，礦石開采規模的擴大，導致了我國許多礦區開始逐漸出現大面積的采空區。隨著礦山向深部開采，地壓增大，采空區在高應力作用下，容易發生坍塌事故。殘留大量的采空區沒有進行及時處理，給礦山開采帶來了嚴重的安全隱患，同時給礦山作業人員和設備帶來嚴重的威脅，對自然環境造成一定程度的破壞［1-2］。因此，如何有效地治理采空區，避免因采空區失穩給礦山帶來災害，是目前礦山安全生產的亟需解決的技術難題。

目前，國內一些學者對地下礦山采空區穩定性展開了相關研究工作。張佳男等［3］通過對礦山現狀采空區情況進行調查、統計和分析，并采用理論計算和數值模擬分析相結合的方式，開展礦山采空區穩定性研究工作，評估采空區安全性，為保證礦山深部安全生產提供技術支撐。周科平等［4］基于某礦山采空區群精細探測數據，采用Geomagic、Midas GTS 與FLAC3D的耦合建模以及數值模擬分析方法，對復雜采空區群進行穩定性分析；同時建立了復雜采空區群的安全分級評價體系，開展了復雜采空區群安全分級評價。謝偉等［5］以湖南某鎢礦為研究背景，基于Mathews 穩定性圖解法理論模型，對不同中段的采空區穩定性進行了理論計算，并依據礦山采空區現狀，采用數值模擬法分析了當前采空區下各區域的主應力、位移和塑性區的分布，評估當前狀態下主采空區的穩定狀態。余正方等［6］采用三維激光掃描方法，對大紅山鐵礦Ⅱ-1 頭部采空區進行了精細探測，并采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模與數值模擬方式，對采空區進行穩定性數值分析。

本研究以某鐵礦為例，利用3Dmine-Midas/GTS軟件耦合技術，建立了相關地下采場分析數值模型，并采用FLAC3D軟件進行了模擬計算，通過分析采空區圍巖、頂板、礦柱的應力、應變、塑性區情況，研究礦山南區采空區的穩定性，計算結果可為礦山企業下一步的采空區治理方案提供依據。

1 工程概況

某鐵礦采用地下開采方式，目前礦山南區470 m標高以上已開采結束，現有開拓系統為平硐+斜坡道開拓，采用汽車運輸，后期開采410，350 m 等中段。礦山目前采用淺孔留礦法回采，平底結構鏟運機出礦。采場留有頂柱，采場之間留設有礦柱，跨度較大的采場留設有點柱。南區現有采空區主要位于530，500，470 m中段，500 m中段采空區頂板與530 m中段底板之間留有6～15 m高頂柱，470 m中段采空區頂板與500 m 中段底板之間留有4～10 m 高頂柱。530 m中段現有采空區20 個，編號為S53C01～S53C20，采空區總體積為36.50×104m3；500 m 中段現有采空區20個，編號為S50C01～S50C20，采空區總體積為22.36×104m3；470 m 中 段 現 有 采 空 區15 個，編 號 為S47C01～S47C15，采空區總體積為18.20×104m3。

2 數值模擬過程

2.1 模型材料參數

根據數值模擬計算分析所需要的基本數據，開展了礦巖力學參數室內試驗，主要進行了4 項試驗：礦巖容重、礦巖單軸抗壓力學試驗、劈裂抗拉試驗、巖體的泊松比與彈性模量試驗。根據現場工程地質調查，基于Hoek-Brown 準則利用Roclab1.0 軟件對巖石力學參數進行修正后確定巖體力學參數，見表1。

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2.2 三維模型建立

本次研究的主要內容為礦山南區開采產生的采空區的穩定性，結合礦山實際開采情況，確定本次研究的范圍為X=64 800～65 500 m，Y=65 100～65 800 m，Z=300 m～地表；南區模型尺寸為700 m×700 m×（300-地表高度）m（長×寬×高），數值模型建立如圖1所示。

模型采用位移約束邊界條件，模型4個側面為水平位移約束，底面為豎直位移約束，即在模型底部施加Z方向位移約束，4 個側面分別施加X，Y方向位移約束，地表為自由面。

在地下工程數值分析時，計算成功的關鍵不僅僅需要準確的計算模型，初始地應力場也十分重要。根據該礦區的地形特點和地質構造條件，原巖應力以自重應力場為主，可以不考慮構造應力的存在，其地應力場按自重應力場分析，應力場各主應力均隨深度呈線性增加。因此，本次模擬中初始地應力場僅按自重應力場考慮，如圖2所示。

2.3 模擬步驟

礦山采用淺孔留礦法回采，實際生產中段間自上而下開采，中段內后退式回采。為了較真實地反映出礦山開采對巖體的擾動影響，數值模擬過程開挖順序和礦山實際一致。本次數值模擬的過程如下：

（1）在未進行地下開采的情況下，生成初始應力及初始位移。

（2）清除初始位移。

（3）模擬采用淺孔留礦法回采，對采場進行開挖，形成采空區。

（4）模擬開采順序自上而下逐個中段開挖，南區由南向北開挖。

3 數值模擬計算結果

針對礦區南區復雜的采空區賦存情況，從位移、應力以及塑性區3個方面合理準確地分析模擬結果，從而綜合評價南區采空區的穩定性。通過切取剖面分析南區采空區的位移、應力、塑性區狀態，本文以勘探線為剖面進行分析。

3.1 南區位移分析

地下開采時，開采區周圍巖體受到擾動，引起巖體變形甚至破壞。采空區頂板、上盤圍巖大面積冒落是引發地表塌陷、沖擊地壓災害的主要因素，給地表設施以及地下生產活動帶來極大的安全危害。因此，有必要對各采空區頂板、上盤圍巖的變形進行分析，根據采空區的變形程度判斷采空區的穩定性，為空區治理提供參考依據。模擬南區530，500，470 m中段開采至目前現狀后，部分勘探線剖面圍巖變形如圖3所示。

從圖3 可以看出，礦體開采后，圍巖產生向空區一側的變形，變形較大區域為頂板。同時，可以看出圍巖的變形擴展到了地表，使得地表產生了一定程度變形。影響采空區穩定性的主要是沉降變形，南區各采空區圍巖沉降變形情況如圖4所示。

從圖4 可以看出，南區530，500，470 m 中段開采后圍巖產生的沉降位移很小，基本在0.1～1.8 mm，由于礦山工程地質條件好，圍巖和礦體均為堅硬的巖體，破壞時的變形很小。

3.2 南區壓應力分析

礦體開采前，地下巖層處于應力平衡狀態。礦體的開采破壞了原有的平衡狀態，引起圍巖應力重新分布，出現應力狀態改變和應力集中。如果圍巖新應力場中的應力沒有超過圍巖的承載能力，圍巖將會自行達到新的平衡；否則，圍巖將可能產生破壞，出現巖爆、片幫、冒頂等現象，影響采空區的穩定性和礦山正常安全生產。模擬南區530，500，470 m中段開采至目前現狀后，圍巖壓應力如圖5所示。

從圖5 可看出，礦體開采后，在采空區底部角隅處出現了明顯的壓應力集中，其次在采空區間的礦柱所受到的壓應力相較于開采前也出現了明顯的增加。南區各采空區圍巖最大壓應力統計如圖6所示。

從圖6可以看出，各中段采空區圍巖的最大壓應力未出現較大的變化。總體來看，圍巖壓應力值往深部逐漸增大，最大壓應力值未超過巖體的抗壓強度，因此圍巖不會出現壓裂破壞。

3.3 南區拉應力分析

礦體回采后，圍巖由于受到開采擾動，可能出現拉應力。通常巖石的抗拉強度為抗壓強度的1/4～1/25（平均1/10），因此圍巖出現拉應力時需引起重視。模擬南區530，500，470 m 中段開采至目前現狀后，圍巖拉應力如圖7所示。

從圖7 可以得出，較多采空區圍巖產生了拉應力，其拉應力區域在頂板中間或上盤靠近頂板處。南區各采空區圍巖最大拉應力統計如圖8 所示。可見，大部分采空區圍巖均產生了不同大小的拉應力，拉應力值在0～1.44 MPa，均小于巖體的抗拉強度。因此，圍巖不會產生拉伸破壞。同時，對比分析各采空區拉應力，頂板跨度大的采空區，圍巖應力相對要更大，比如S50C02、S50C14 等。上、下中段層疊采空區的頂板拉應力值除與采空區跨度有關外，還與頂板厚度相關，主要是因為頂板需承受自身的重力。

3.4 南區塑性區分析

塑性區可以直觀分析礦體回采后圍巖的破壞規律及采空區穩定性情況，模擬礦體開采后，圍巖塑性區分布如圖9 所示，可以看出，S53C05 采空區頂板和與S53C06 間的礦柱產生了連續貫通塑性破壞區，表明S53C05 采空區過去出現過頂板冒落、礦柱破壞，可能導致上覆巖層塌陷，以及引起周邊S53C06 采空區失穩。現場可見南區S53C05、S53C06采空區上覆巖層已塌陷至地表。530 m中段其余采空區圍巖未出現塑性區或僅有零星塑性區，對采空區穩定性影響很小。500，470 m中段圍巖未出現塑性區，說明穩定性較好。

4 結 論

以某鐵礦為例，利用3Dmine-Midas/GTS 軟件耦合技術，建立了相關地下采場分析數值模型，并采用三維數值模擬軟件FLAC3D軟件進行了模擬計算，并對礦山南區采空區圍巖、頂板、礦柱的應力、應變、塑性區情況進行了分析，得出如下結論：

（1）南區530，500，470 m 中段開采后圍巖產生的沉降位移很小，基本在0.1～1.8 mm。

（2）南區各中段采空區圍巖的最大壓應力未出現較大的變化。總體來看，圍巖壓應力值往深部逐漸增大，最大壓應力值未超過巖體的抗壓強度，因此圍巖不會出現壓裂破壞。

（3）南區大部分采空區圍巖均產生了不同大小的拉應力，拉應力值在0～1.44 MPa，均小于巖體的抗拉強度。因此，圍巖不會產生拉伸破壞。

（4）530 中段S53C05 采空區頂板和與S53C06 間的礦柱產生了連續貫通塑性破壞區，南區其余中段采空區圍巖未出現塑性區或僅有零星塑性區，對采空區穩定性影響很小。

（5）綜合各采空區圍巖位移、應力、塑性區情況，南區除S53C05、S53C06采空區穩定性較差外，其余采空區總體的穩定性較好。