侯永強(qiáng)，歐陽光，張耀平，鄒雄剛

（1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000）

某礦復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性模擬分析

侯永強(qiáng)1，歐陽光1，張耀平2，鄒雄剛1

（1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多種監(jiān)測、探測工具和數(shù)據(jù)分析軟件的組合應(yīng)用是礦山數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)方向，也是地下礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析的重要手段。以安徽某礦山的-760m13#R采場開采為背景，采用C-ALS、FLAC3D、Surpac三種軟件對(duì)礦體回采后進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)?？芍蓤龌夭山Y(jié)束后，由于礦體的回采使頂板失去支撐導(dǎo)致頂板及空區(qū)周圍圍巖均產(chǎn)生指向空區(qū)的位移移動(dòng)，采空區(qū)的頂?shù)装寮皞?cè)幫圍巖處于拉應(yīng)力狀態(tài)，空區(qū)的下盤圍巖受到較大的拉應(yīng)力超過圍巖的抗拉強(qiáng)度，建議加強(qiáng)監(jiān)測。雖采空區(qū)總體穩(wěn)定，但也需及早充填與加強(qiáng)監(jiān)測。其分析結(jié)果符合實(shí)際情況，為礦山的生產(chǎn)安全和充填工作提供合理有效的依據(jù)。

數(shù)值分析；復(fù)雜采空區(qū)；穩(wěn)定分析；數(shù)值模擬

0 引言

在地下礦山開采中，采用分段崩落法以及各類空?qǐng)霾傻V方法，必然形成大面積的地下采空區(qū)[1-5]，目前，隨著礦山的淺部資源已經(jīng)日漸枯竭，國內(nèi)大多數(shù)礦山均已轉(zhuǎn)向深部開采，而大量的采空區(qū)存在必然影響開采安全[6-7]。地下采空區(qū)若治理不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致上方巖體變形甚至坍塌，出現(xiàn)大面積的片幫，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)作業(yè)安全。在開采完成后，如何有效地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測分析，是礦山工作的重要內(nèi)容。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，數(shù)字化礦山已經(jīng)成為日后建設(shè)的方向，諸如 FLAC3D、Surpac、ANSYS、3DMine等數(shù)值軟件在礦山以及工程方面得到了廣泛的應(yīng)用。采用的C-ALS三維激光精密探測系統(tǒng)可通過鉆孔進(jìn)行配置用于地下空隙和洞穴勘測，可測量空隙的三維形狀，是一種優(yōu)于傳統(tǒng)的探測設(shè)備，是目前深層隱伏采空區(qū)無損探測的主要手段，采用CALS進(jìn)行空區(qū)的掃描，得到精準(zhǔn)的空區(qū)數(shù)據(jù)。隨后采用Surpac的軟件擁有功能強(qiáng)大的三維圖形系統(tǒng)，其核心是一個(gè)完全集成的圖形模塊，包括全面的可視化手段和數(shù)據(jù)編輯工具，可以直觀地生成和顯示地下地質(zhì)或礦區(qū)的三維構(gòu)造、地面地形模型以及其他各種圖形，是建立復(fù)雜計(jì)算模型有效而又方便快捷的平臺(tái)。FLAC3D通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。

本文以安徽某礦山為背景，采用C-ALS三維激光掃描技術(shù)、結(jié)合FLAC3D、Surpac數(shù)值軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

1 計(jì)算模型的建立

此次分析的采空區(qū)為安徽某礦山-760m13#R采場。礦山位于安徽銅陵是一座大型夕卡巖銅鐵共生型地采礦山，礦體埋藏較深、沿走向較短。根據(jù)巖石（體）力學(xué)理論，埋藏在地下的礦體和圍巖在開采前是處于自然平衡狀態(tài)的（或稱相對(duì)平衡狀態(tài)）。當(dāng)在圍巖及礦體內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)與開采，形成了不同深度水平、不同方向延伸的各種井巷和采場的時(shí)候，這種自然平衡狀態(tài)就會(huì)受到擾動(dòng)，原有的平衡狀態(tài)就會(huì)有不同程度地破壞。在巖體自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、地溫、地下水和人為采掘活動(dòng)等諸因素的作用下，圍巖與礦體中的原始應(yīng)力就會(huì)重新分布，這將會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致工程體產(chǎn)生變形、位移和崩塌等現(xiàn)象；而應(yīng)力的過度集中是造成地下工程巖體破壞的根本原因；工程巖體的變形、位移、崩塌、片幫、冒頂?shù)葎t是圍巖二次應(yīng)力集中分布的結(jié)果，也就是地壓的表現(xiàn)形式[8]。本次研究主要針對(duì)-760m13#R采場開挖完成后，對(duì)采空區(qū)頂板、側(cè)幫進(jìn)行分析。

計(jì)算模型的建立，首先采用CALS進(jìn)行空區(qū)的掃描，得到精準(zhǔn)的采空區(qū)三維形狀。隨后采用Surpac數(shù)值軟件進(jìn)行空區(qū)的建模，所測得空區(qū)三維坐標(biāo)如表1所示。其建模過程如圖1所示。所構(gòu)建的實(shí)體模型及剖面圖如圖2、圖3、圖4所示。將建好的模型進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，可得到此次所測的空區(qū)表面積為4 413m2，體積為1 163.7m3。

表1 空區(qū)所測三維坐標(biāo)Tab.1 Three-dimensionalcoordinates for thegoaf

圖1 建模流程Fig.1 Processofmodelestablishm ent

圖2 所測的空區(qū)模型Fig.2 M easuredmodel for thegoaf

圖3-760 m13#R空區(qū)模型縱剖面Fig.3 Longitudinalprofile for-760m13#R goafmodel

圖4-760 m13#R空區(qū)剖面圖Fig.4 Longitudinalp rofile for-760m13#R goaf

2 材料參數(shù)及邊界條件的確定

2.1 計(jì)算模型

結(jié)合礦體與圍巖的實(shí)際范圍與尺寸，所構(gòu)建的礦體實(shí)體模型規(guī)模為25m×30m×45m。為減弱邊界效應(yīng)，圍巖的構(gòu)建范圍為：Z方向上為-890～-575m，縱向高度為315m；沿著礦體走向X軸上的確定范圍為4 467～4 642m，全長為175m；以礦體為中心向Y軸兩端延伸，范圍為588～798m，為210m。垂直方向?yàn)閆軸，水平方向?yàn)閄軸，計(jì)算模型總體規(guī)模為175m×210m×315m。其中在-710.358上部45m的巖體作為上覆巖層，-710.358深度至地表之間710m距離的巖體作為自重應(yīng)力的形式施加到模型上，通過公式可計(jì)算出自重應(yīng)力。模型底部為XYZ方向約束，側(cè)面約束XY方向，頂面受荷載約束。所建立的礦體模型與開挖模型如圖5所示，其中紅色部分為礦體，藍(lán)色為圍巖。

圖5 計(jì)算模型圖Fig.5 Calculatedmodeldiagram

在計(jì)算過程中將Surpac軟件建好的模型導(dǎo)入到FLAC3D中生成可計(jì)算的離散網(wǎng)格。同時(shí)礦體與圍巖均為普遍的材料，在計(jì)算中，可以將兩種不同的材料看作為各向同性的連續(xù)彈塑性介質(zhì)[9]。圍巖與礦體均采用摩爾-庫倫曲屈服準(zhǔn)則[10]：

式中：σ1是最大主應(yīng)力，σ3是最小主應(yīng)力，c是內(nèi)聚力，是內(nèi)摩擦角，（°）。當(dāng)fs＞0時(shí)，說明巖體將發(fā)生剪切破壞。

自重應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：λ為巖體密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg；H巖體深度，m。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)前人研究的該礦山礦巖體物理力學(xué)參數(shù)成果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)[1]，巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值如表2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)Tab.2 M echanicalparam etersof rockm ass

數(shù)值計(jì)算中，選取合適的力學(xué)參數(shù)關(guān)乎模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)礦山圍巖的分布情況，該采場頂?shù)装鍑鷰r大部分為閃長巖，因此在數(shù)值模擬時(shí)選擇閃長巖參數(shù)作為圍巖進(jìn)行計(jì)算最適宜。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移分析

由圖6～圖8可知，礦體回采工作完成后，采場的頂板及圍巖均產(chǎn)生了不同程度的位移變化，且均是朝著采空區(qū)的方向。礦體回采后，頂板失去支撐，因此產(chǎn)生的位移垂直向下指向采空區(qū)，最大的位移下降量為7.547mm。同時(shí)采空區(qū)的上覆巖層也產(chǎn)生豎直向下的位移，位移量為8.088mm。根據(jù)分析結(jié)果可以看出，礦體回采后，采空區(qū)頂板及上覆巖層位移量均在合理范圍內(nèi)?？諈^(qū)的側(cè)幫位移量改變較小，

圖6 頂板Z方向的位移云圖Fig.6 Displacem ent cloud towards roofing Z

圖7 空區(qū)剖面Y方向位移云圖Fig.7 Displacem ent cloud towardsgoaf profile Y

圖8 空區(qū)剖面X方向位移云圖Fig.8 Displacementvariation towardsgoaf X

表3 -710m分層多點(diǎn)位移計(jì)變化量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Table for thevariation of layeredm ulti-point disp lacem entm eter(-710m)

通過現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，礦體在回采后，采空區(qū)頂板位移變化量在合理范圍內(nèi)，與數(shù)值模擬分析結(jié)果相近，由此可知，礦體回采后，位移沉降據(jù)在合理范圍內(nèi)，采空區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)力變化分析

觀察圖9和圖10可知，礦體的開挖破壞了原巖應(yīng)力，使其應(yīng)力得到釋放，空區(qū)的上下盤圍巖以及側(cè)幫均呈現(xiàn)出應(yīng)力集中狀態(tài)。礦體開挖完成后，在采空區(qū)垂直方向上的巖體均受到程度不一的拉應(yīng)力，采空區(qū)下盤圍巖最大的應(yīng)力值為-4.536 4MPa，而側(cè)幫所受的最大拉應(yīng)力為-1.4436MPa，而根據(jù)礦山所得資料礦巖的最大抗拉強(qiáng)度為2.9MPa，通過比較兩者的應(yīng)力大小可知，礦體回采后，空區(qū)的側(cè)幫圍巖相對(duì)比較穩(wěn)定，但也呈現(xiàn)出拉應(yīng)力集中的狀態(tài)。而空區(qū)豎直方向的拉應(yīng)力-4.536MPa主要集中在采空區(qū)的下盤圍巖，當(dāng)?shù)V體回采形成空區(qū)后，應(yīng)加強(qiáng)空區(qū)下部圍巖的應(yīng)力監(jiān)測。

圖9 空區(qū)剖面X方向應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud towardsgoaf profile X

圖10 空區(qū)剖面Z方向應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud towardsgoaf profile Z

3.3 主應(yīng)力大小及分布

通過圖11～圖16的最大和最小主應(yīng)力圖可知，礦體回采結(jié)束后，原巖應(yīng)力受到破壞，應(yīng)力重新分布，采空區(qū)的頂板與周圍圍巖均呈現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析頂板及側(cè)幫的受力情況（正拉負(fù)壓）。頂板的最大、最小主應(yīng)力值為-1.74MPa、-0.65MPa。采空區(qū)X方向的最大主應(yīng)力為-3.38MPa、最小主應(yīng)力為-1.16MPa。采空區(qū)Y方向的最大主應(yīng)力值為-3.38MPa、最小主應(yīng)力值為-1.54MPa。采空區(qū)的頂板及側(cè)幫圍巖均呈受壓狀態(tài)，在整個(gè)開采過程中，頂板與側(cè)幫圍巖應(yīng)力值始終低于圍巖的抗壓強(qiáng)度，頂板及側(cè)幫均沒產(chǎn)生壓應(yīng)力破壞。

圖11 空區(qū)剖面X方向最大主應(yīng)力變化Fig.11 Maximum principalstresschange towardsgoaf profile X

圖12 空區(qū)剖面X方向最小主應(yīng)力變化Fig.12 M inimum principalstress change towardsgoaf profile X

圖13 頂板最大主應(yīng)力分析云圖Fig.13 M axim um p rincipalstress change towards roofing

圖14 頂板最小主應(yīng)力云圖Fig.14 M inim um principalstress change towards roofing

圖15 空區(qū)剖面Y方向最大主應(yīng)力云圖Fig.15 M aximum stress cloud towardsgoaf profile Y

圖16 空區(qū)剖面Y方向最小主應(yīng)力云圖Fig.16 M inimum stresscloud towardsgoaf profile Y

將模擬得到的頂板及側(cè)幫圍巖的最大、最小應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行摩爾-庫倫屈服運(yùn)算可得：

頂板：fs=-9.4，空區(qū)Y方向：fs=-13.4，空區(qū)X方向：fs=-11.5

通過摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則可知：礦體回采后，頂板及周圍圍巖沒有發(fā)生剪切破壞，空區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。

隨著開采工作的進(jìn)行，采場現(xiàn)場監(jiān)測工作也同時(shí)展開，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況，采用礦山現(xiàn)場采用光彈應(yīng)力計(jì)所監(jiān)測的-710m分層和-735m分層數(shù)據(jù)，分析礦體回采時(shí)頂板及側(cè)幫應(yīng)力變化情況，結(jié)果如表4所示。

表4 光彈應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果Tab.4 Photoelastic stressmonitoring results

通過現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，采場礦體回采過程中，應(yīng)力值發(fā)生了明確的改變，其中頂板及側(cè)幫圍巖監(jiān)測數(shù)值與數(shù)值模擬結(jié)果大體一致，現(xiàn)場監(jiān)測值說明礦體開采完成后，采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用多種數(shù)值建模分析軟件進(jìn)行復(fù)雜采空區(qū)的監(jiān)測分析，能更加真實(shí)地反映空區(qū)的情況，充分地利用了每個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)，為采空區(qū)的監(jiān)測分析和治理提供更加合理的依據(jù)。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，隨著礦體的不斷回采，空區(qū)區(qū)域的不斷擴(kuò)展，應(yīng)力集中越發(fā)明顯，當(dāng)?shù)V體回采完成后，頂板及周圍圍巖均產(chǎn)生方向指向空區(qū)，且存在大小不一的改變，空區(qū)上下盤圍巖受到拉應(yīng)力作用，尤其空區(qū)下盤巖體所受到的拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度，建議對(duì)下盤巖體及其強(qiáng)監(jiān)測。

（3）結(jié)合此次的數(shù)值模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，采場礦體回采完成后，采場應(yīng)力及位移隨發(fā)生改變，破壞了原巖應(yīng)力平衡，但采空區(qū)總體穩(wěn)定，然而礦山地下開采常伴隨著大規(guī)模爆破等危險(xiǎn)因素，若不及早充填難以保證穩(wěn)定。因此建議及早進(jìn)行空區(qū)的充填工作，為地下開采消除隱患。

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Simulation Analysison the Com plicated Goaf Stability of a M ine

HOUYongqiang1,OUYANGGuang1,ZHANGYaoping2,ZHOUXionggang1

（1.CollegeofResourceand EnvironmentEngineering，JiangxiUniversity ofScienceand Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.CollegeofApplied Science,jiangxiUniversityofScienceand Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

The calculation analysis on the stability of a complicated goaf objectively reflects the real situation.Using ametallic ore's stopemining as the case,this paper analyzes the goaf stability by applying three kinds softwares, including C-ALS,FLAC3Dand Surpac.The results show that toaf-ward displacing movement is observed in the roofing and surrounding rocks due to the loss of roofing support.A large pull stress is applied to the lower surrounding rock.Therefore,it is advised that closemonitoring be carried out on the goaf stability.The analysis resultsprovide effective reference tomine production safety.

numericalanalysis;complicated goaf;stability analysis;numericalsimulation

TD323；TD862

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.02.005

2017-01-13

侯永強(qiáng)（1992-），男，江西東鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：巖石力學(xué)與工程。

張耀平（1974-），男，河南渾河人，教授，主要從事巖石力學(xué)與工程及金屬礦山地下開采工藝研究。