劉浩+吳倩茹+徐力勇

摘 要：某多金屬礦經(jīng)過多年的開采，已形成大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯。擬采用三維建模、數(shù)值模擬等研究手段，構(gòu)建礦山三維空間立體模型，并對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)礦山進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；三維建模；數(shù)值模擬；地表模型

中圖分類號(hào)：TD327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.015

某多金屬礦經(jīng)過多年的開采，已形成大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯，新采空區(qū)大量增加，部分老采空區(qū)也有擴(kuò)幫，并且部分新增空區(qū)與老空區(qū)相互貫通，在開采過程中未及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，嚴(yán)重威脅著井下的生產(chǎn)作業(yè)安全。

針對(duì)礦山開采遺留大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯的問題，本文擬采用三維建模、數(shù)值模擬等研究手段，利用SURPAC軟件構(gòu)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(shù)值計(jì)算軟件對(duì)某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)礦山進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。本研究對(duì)保障礦山采礦作業(yè)安全，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益都具有重要的意義。

1 采空區(qū)立體模型的建立

1.1 建模說明

構(gòu)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(gòu)建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構(gòu)建出斜坡道、巷道、空區(qū)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(qū)建模

本次采空區(qū)建模以-100 m中段77～79線之間的77-6#空區(qū)為例，實(shí)測(cè)采場(chǎng)最高高度為13 m。在CAD中對(duì)15#采場(chǎng)范圍進(jìn)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(xiàng)下，選擇“打開”下的“線/DTM文件”，彈出對(duì)話框，在文件名一欄中，選中77-6#.dxf所在位置，點(diǎn)擊執(zhí)行。點(diǎn)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(xiàng)下，選擇“線段”下的“清理”，點(diǎn)中重復(fù)點(diǎn)選項(xiàng)卡，在“操作”中選擇刪除，在最大捕捉距離中填寫0.05.點(diǎn)擊執(zhí)行，在窗口中選擇線段，點(diǎn)擊左鍵執(zhí)行，然后按ESC鍵退出此功能。

在“編輯”選項(xiàng)下，選擇“線段”下的“運(yùn)算”，分別對(duì)采空區(qū)頂?shù)捉孛孢M(jìn)行賦高程運(yùn)算。

選擇菜單欄中“實(shí)體模型”下的“創(chuàng)建三角網(wǎng)”的“在一個(gè)段內(nèi)”，彈出對(duì)話框，選擇體號(hào)1，三角網(wǎng)號(hào)1執(zhí)行，點(diǎn)擊空區(qū)頂?shù)装褰孛婢€；在“創(chuàng)建三角網(wǎng)”的“兩段之間”，同樣選擇體1網(wǎng)1執(zhí)行，執(zhí)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(shè)計(jì)”下的“地

下采礦工具”中的“由中線與斷面行程巷道實(shí)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(diǎn)擊執(zhí)行，在工作窗口中，點(diǎn)擊巷道中心線，便生成了該中段的巷道實(shí)體模型。-130 m中段巷道實(shí)體模型見圖2.

1.1.3 地表建模

地表建模先要對(duì)地表地形圖的等高線進(jìn)行處理，在CAD中對(duì)等高線圖層進(jìn)行統(tǒng)一賦高程為0，已確保同樣高程的等高線在統(tǒng)一高度，然后對(duì)標(biāo)注相同等高線的線進(jìn)行合并，完成合并后保存為等高線.dxf文件，導(dǎo)入Mapgis軟件中；對(duì)等高線進(jìn)行賦高程，在Mapgis中對(duì)等高線線條進(jìn)行光滑處理，再進(jìn)行抽稀，規(guī)定2點(diǎn)之間的間隔為5 m，執(zhí)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(dāng)前層創(chuàng)建DTM”，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊執(zhí)行，執(zhí)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(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

本次數(shù)值模擬采用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件建立某礦各中段采空區(qū)、圍巖的三維模型，然后導(dǎo)入到FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件中進(jìn)行運(yùn)算。

2.1 計(jì)算模型的建立

2.1.1 計(jì)算域與模型的離散化

采用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件建立某礦各中段采空區(qū)、圍巖的三維模型，建立計(jì)算模型。該模型共46 874個(gè)節(jié)點(diǎn)，280 376個(gè)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(gè)中段空區(qū)高度均統(tǒng)一設(shè)置為10 m，從上而下一共建立了8個(gè)中段。為了盡可能地觀察更多的變形區(qū)域，除了已經(jīng)形成空區(qū)的區(qū)域，同時(shí)還要觀看空區(qū)附近圍巖的變形情況，因此需對(duì)其附近一定范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬。

本次數(shù)值模擬分2個(gè)工況：①把所有空區(qū)開挖掉，研究分析在空區(qū)全部形成的情況下某礦應(yīng)力、應(yīng)變分布情況；②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際充填數(shù)據(jù)信息對(duì)數(shù)值模型中對(duì)應(yīng)的空區(qū)進(jìn)行充填，得到充填后某礦的應(yīng)力、應(yīng)變特征。

2.1.2 原巖應(yīng)力場(chǎng)與模型邊界約束條件

由于礦山缺乏地應(yīng)力相關(guān)方面的試驗(yàn)和資料，所以無法直接獲取地應(yīng)力的信息。通過分析現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)礦山最大主應(yīng)力的方向幾乎接近垂直方向，因此選取上覆巖層的質(zhì)量近似的模擬原巖應(yīng)力場(chǎng)。

數(shù)值模擬計(jì)算需要對(duì)建立好的計(jì)算模型設(shè)定邊界條件。根據(jù)地下工程的實(shí)際特點(diǎn)，本次數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)定為混合邊界條件。具體是在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，固定模型的左右2面所有點(diǎn)X方向速度，固定模型的前后2面所有點(diǎn)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(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.2.1 相關(guān)簡化及假設(shè)

本次數(shù)值模擬根據(jù)數(shù)值計(jì)算軟件的特點(diǎn)并結(jié)合礦山實(shí)際，對(duì)計(jì)算模型的建立與計(jì)算過程進(jìn)行了以下簡化和假設(shè)：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(duì)礦體力學(xué)參數(shù)的影響，圍巖模型選取具有代表性的花崗質(zhì)碎裂巖。圍巖網(wǎng)格模型如圖6所示。②將礦體和圍巖視為均質(zhì)且各向同性的理想彈塑性體，塑性流動(dòng)并不改變材料強(qiáng)度及各向同性，體積保持不變。③巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，區(qū)域內(nèi)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(jié)構(gòu)面、裂隙等影響。④不考慮地下水的影響。

2.2.2 各中段應(yīng)力特征

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

通過對(duì)各中段的最大、最小主應(yīng)力云圖進(jìn)行分析可得出以下主要結(jié)果和結(jié)論：①采空區(qū)的形態(tài)對(duì)應(yīng)力的分布影響較大，應(yīng)力集中部位大部分出現(xiàn)在采空區(qū)的邊緣突出地帶；②對(duì)比各個(gè)中段的最大、最小主應(yīng)力的大小，可以看出各中段最大主應(yīng)力隨著深度的增加逐漸增大，最小主應(yīng)力隨深度的增加逐漸減??；③各中段采空區(qū)圍巖的受力狀態(tài)與中段采空區(qū)的分布、體積大小有很大關(guān)系——采空區(qū)分布越集中、體積越大，采空區(qū)的圍巖受到拉應(yīng)力作用的范圍就會(huì)越大，發(fā)生受拉破壞的可能性越大。

2.2.3 各中段應(yīng)變特征

采空區(qū)圍巖的應(yīng)變分布特征也是分析采空區(qū)穩(wěn)定性的重要方式，采用FLAC3D軟件可以對(duì)各中段的剪應(yīng)變?cè)隽壳闆r進(jìn)行計(jì)算，從而得到各個(gè)中段中變形較大的區(qū)域。各中段的應(yīng)變分布特征詳見圖9.

通過對(duì)各中段的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D進(jìn)行分析可得出以下主要結(jié)果和結(jié)論：①部分中段的應(yīng)變相比模型圍巖的區(qū)域還是較大并且連通性較好。這說明礦山局部中段的穩(wěn)定性偏低。②應(yīng)變大的區(qū)域與空區(qū)的大小和連通性關(guān)系密切——連通性越大，空區(qū)的體積越大，應(yīng)變大小就相對(duì)越大；連通性越小，空區(qū)體積越小，應(yīng)變就相對(duì)越小。

3 結(jié)論

利用SURPAC軟件構(gòu)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(gòu)建出地表地形、各種建筑物、盤山道路等模型，地下部分構(gòu)建出斜坡道、巷道、空區(qū)等模型。

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，整體上某礦采空區(qū)的穩(wěn)定性級(jí)別不高，特別是礦山部分中段已具備發(fā)生一定規(guī)模地壓活動(dòng)的條件。

參考文獻(xiàn)

[1]王運(yùn)敏，劉海林，孫國權(quán).CMS實(shí)測(cè)地下礦采空區(qū)建模及穩(wěn)定性分析研究[J].金屬礦山，2009（8）：5-9.

[2]劉曉明.基于實(shí)測(cè)的采空區(qū)三維建模及其衍生技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

[3]張耀平，彭林，劉圓.基于C-ALS實(shí)測(cè)的采空區(qū)三維建模技術(shù)及工程應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012（1）：91-94.

[4]彭林.復(fù)雜采空區(qū)三維建模及穩(wěn)定性分析研究[D].南昌：江西理工大學(xué)，2012.

[5]劉曉明，羅周全，楊承祥，等.基于實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)，2007，28（S1）：521-526.

〔編輯：劉曉芳〕