王偉

摘要：為研究復(fù)雜采空區(qū)的穩(wěn)定性，開展工程地質(zhì)調(diào)查，利用RMR分級法和Q系統(tǒng)分級法對各類型巖體進(jìn)行評價分級，采用Flac3D軟件對采空區(qū)形成過程及采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算和預(yù)測分析。研究結(jié)果表明：上盤圍巖與礦體巖體質(zhì)量均良好，下盤圍巖巖體質(zhì)量中等。通過應(yīng)力等值線云圖、位移等值線云圖和塑性區(qū)共同分析得出：方案1中2號和3號采空區(qū)的圍巖由于剪切應(yīng)力過于集中，剪切應(yīng)力大于巖體抗剪能力，使圍巖進(jìn)入了塑性狀態(tài);最大位移出現(xiàn)在方案2的2號采空區(qū)頂板。水平位移最大值出現(xiàn)在采空區(qū)的頂面及底面中心處，且有貫通的趨勢。方案2中塑性區(qū)雖未貫通，但采空區(qū)已有塑性區(qū)將對采空區(qū)的穩(wěn)定造成一定安全隱患。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);數(shù)值模擬;穩(wěn)定性;Q系統(tǒng)分級法;RMR分級法

中圖分類號：TD32????????? 文章編號：1001-1277（2021）06-0041-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210608

引 言

近年來由于房柱采礦法、全面采礦法及留礦采礦法等空場類方法廣泛應(yīng)用于采礦工程中[1]，形成了大量的地下采空區(qū)，影響礦山的安全生產(chǎn)，特別是一些大型復(fù)雜采空區(qū)群條件下的巖層。因此，開展地下采空區(qū)穩(wěn)定性研究，對保證礦山回采安全具有重要的意義。

專家學(xué)者對采空區(qū)的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了大量的研究，周宗紅等[2]基于平衡拱理論，對跑馬坪鉛鋅礦采空區(qū)頂板臨界冒落面積進(jìn)行計算分析，并采用三維有限元數(shù)值模擬方法，分析采空區(qū)頂板巖層變形破壞機(jī)制，提出相應(yīng)控制方法。張耀平等[1]利用Flac3D軟件對龍橋鐵礦采空區(qū)形成過程及采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算和預(yù)測分析，并對后續(xù)開采提出了建議。李想等[3]利用Flac3D軟件模擬某鐵礦中深部礦房回采后的采空區(qū)應(yīng)力分布情況及下階段回采過程對上階段采空區(qū)的影響，得出采空區(qū)的穩(wěn)定性狀況及下階段回采對上階段采空區(qū)的影響較小的結(jié)論，并預(yù)測了采空區(qū)的發(fā)展。對地下采空區(qū)進(jìn)行精確探測技術(shù)的研究和采空區(qū)穩(wěn)定性安全評價技術(shù)的研究顯得尤為重要，國內(nèi)外很多學(xué)者在該方面取得了很多富有成效的研究成果[4-15]。

某鐵礦區(qū)的工程地質(zhì)條件為基巖塊狀堅硬—半堅硬巖區(qū)和第四系碎粒散體松散巖區(qū)，礦區(qū)內(nèi)大面積分布基巖塊狀堅硬—半堅硬巖區(qū)，主要巖性為安山質(zhì)凝灰?guī)r，出露厚度1 000 m左右。安山質(zhì)凝灰?guī)r屬于侏羅系，節(jié)理、裂隙發(fā)育，每米一般可見2～5條，密集段可見5～10條，裂隙以閉合為主，裂隙寬0.1～8.0 mm，礦體大部分圍巖及頂?shù)装寰鶠榘采劫|(zhì)凝灰?guī)r。第四系碎粒散體松散巖區(qū)遠(yuǎn)離礦體，對礦床開采影響不大。

開采過程中，地表形成9個露天采坑，井下形成30個采空區(qū)。在30個井下采空區(qū)中，F(xiàn)e1號礦體形成11個采空區(qū)，F(xiàn)e2號礦體形成13個采空區(qū)，F(xiàn)e3號礦體形成6個采空區(qū)。采空區(qū)最長442 m，最寬21.3 m，采高最高18.8 m，地下采空區(qū)中無積水。已有采空區(qū)的穩(wěn)定直接關(guān)系到礦山深部開采安全，一旦發(fā)生大范圍采空區(qū)冒落垮塌事故，勢必會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，以及人員傷亡和設(shè)備損壞。為此，亟待開展礦山地下采空區(qū)穩(wěn)定性研究工作，掌握采空區(qū)的應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)分布情況，為礦山安全高效回采奠定基礎(chǔ)。

1 礦（巖）體質(zhì)量分級

1.1 采場圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查及分析

1.1.1 結(jié)構(gòu)面調(diào)查

按照測線法和體積密度法，使用羅盤和皮尺對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的礦（巖）體中的節(jié)理、裂隙產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、形態(tài)、地下水狀況等內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，共調(diào)查了8條測線。結(jié)構(gòu)面調(diào)查測線分布情況如表1所示。

1.1.2 結(jié)果及分析

1）結(jié)構(gòu)面極點等密圖。利用羅盤和皮尺，調(diào)查統(tǒng)計測線周圍的結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、跡長、類型、粗糙度、淋水情況、風(fēng)化程度等影響巖體穩(wěn)定性的因素，采用Dips軟件，分別對上盤圍巖、礦體、下盤圍巖3種巖體進(jìn)行統(tǒng)計分析，繪制3種巖體結(jié)構(gòu)面的極點等密圖、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平投影圖，如圖1～3所示。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果及Dip軟件分析得到不同優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，如表2所示。從表2可以看出，下盤圍巖優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面較多，巖體完整性較差。

2）RQD估算值。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，利用Farmer密度估計法、體積節(jié)理統(tǒng)計估算法、精測線估算法3種方法對不同類型礦（巖）體進(jìn)行RQD值估算。其中，F(xiàn)armer密度估計法得到的RQD值為范圍值，體積節(jié)理統(tǒng)計估算法及精測線估算法得到的RQD值為具體值。首先根據(jù)后2種方法得到平均值，再和第1種方法進(jìn)行比較。3種方法得到的RQD值如表3所示。

從表3可以看出：上盤圍巖RQD綜合取值為93.1 %，巖體質(zhì)量很好;礦體RQD綜合取值為99.5 %，巖體質(zhì)量很好;下盤圍巖RQD綜合取值為85.1 %，巖體質(zhì)量好。從調(diào)查結(jié)果看，下盤圍巖較破碎，優(yōu)勢節(jié)理面較多，且部分交叉，切割破碎情況相對嚴(yán)重，調(diào)查部分裂隙較多，且多張開，充填物較多，軟硬不一，表面潮濕，因此應(yīng)對下盤圍巖部分地段巖體質(zhì)量進(jìn)行折減。礦體RQD綜合取值最高，3條穿脈中節(jié)理裂隙不發(fā)育，且分布不均勻，除一條較為明顯的斷層露頭外，其余沒有特別明顯的節(jié)理面，巖體完整，巖體質(zhì)量極好。

1.2 礦（巖）體穩(wěn)定性分級方法

采用Bieniawski的地質(zhì)力學(xué)RMR分級法和Barton的Q系統(tǒng)分級法對該鐵礦地下礦（巖）體的穩(wěn)定性進(jìn)行分級評價。根據(jù)各巖層參數(shù)，RMR分類結(jié)果表明：上盤圍巖屬于Ⅱ類巖石，質(zhì)量良;礦體屬于Ⅱ類巖石，質(zhì)量良;下盤圍巖屬于Ⅲ類巖石，質(zhì)量中等。

Q系統(tǒng)分級法考慮的因素與RMR分級法考慮因素比較接近，但是其得分計算方法卻是乘積法，即對六因素進(jìn)行如下計算[4]：

Q=RQDJn×JrJa×JwSRF（1）

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）;Ja為節(jié)理蝕變度（變異）系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）;Jw為節(jié)理滲水折減系數(shù);SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。其中RQD與Jn之比可粗略表示巖石的塊度;Jr與Ja之比表示嵌合巖塊的抗剪強(qiáng)度;而Jw與SRF之比反映了巖石的主動應(yīng)力。

各類型巖體參數(shù)，Q系統(tǒng)分級的分類結(jié)果表明：上盤圍巖屬于Ⅱ類巖石，質(zhì)量良;礦體屬于Ⅱ類巖石，質(zhì)量良;下盤圍巖屬于Ⅲ類巖石，質(zhì)量中等。

2 計算方案確定

根據(jù)彈性力學(xué)，采空區(qū)之間的相互作用一般集中在相鄰的采空區(qū)之間，若采空區(qū)相距較遠(yuǎn)，則相互之間的影響較小，因此，根據(jù)該鐵礦的勘探線確定以下2種計算方案：

1）方案1。Ⅴ號勘探線所在剖面上存在著4個采空區(qū)，即1號采空區(qū)、2號采空區(qū)、3號采空區(qū)和4號采空區(qū)。

2）方案2。Ⅱ號勘探線所在剖面上存在著3個采空區(qū)，即2號采空區(qū)、5號采空區(qū)和7號采空區(qū)。

模擬采空區(qū)布置方案如圖4所示。從圖4可以看出，這2個方案中采空區(qū)數(shù)量多，且位置相對較近，若這2個方案中的采空區(qū)是穩(wěn)定的，則其他采空區(qū)亦可認(rèn)定為穩(wěn)定的。

對以上2個方案進(jìn)行Flac3D數(shù)值模擬，分析采空區(qū)之間的相互關(guān)系，通過應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)范圍判斷其斷面上采空區(qū)之間的穩(wěn)定性。

3 計算模型與參數(shù)確定

3.1 模型建立

由于礦（巖）體形態(tài)與地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接采用Flac3D軟件建模不方便，因此采用Abaqus軟件提取各剖面圖的關(guān)鍵點依次生成線、面、體的方法生成包含礦體和圍巖的數(shù)值模型，并自動進(jìn)行網(wǎng)格剖分。通過接口程序，將模型數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化成Flac3D軟件可以使用的數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入Flac3D軟件，從而實現(xiàn)Flac3D網(wǎng)格剖分的直觀化、形象化和自動化。

根據(jù)設(shè)計采場圍巖受采動影響范圍的大小，模型沿東西方向為z方向，沿南北方向為x方向，垂直水平面方向為y方向。分別建立了上盤圍巖、下盤圍巖和礦體模型，方案1模型網(wǎng)格圖如圖5-a）所示，整體模型尺寸為370 m×370 m×280 m，從上至下分別是1號采空區(qū)、2號采空區(qū)、3號采空區(qū)和4號采空區(qū)。方案2模型網(wǎng)格圖如圖5-b）所示，整體模型尺寸為370 m×370 m×60 m，從上至下分別是2號采空區(qū)、5號采空區(qū)和7號采空區(qū)。初始模型采用四面體單元剖分，重點剖分礦體采空區(qū)部分，精度以確保無畸變單元為原則并在局部適當(dāng)加密。

本次三維數(shù)值計算將巖性簡化為圍巖和礦體2種介質(zhì)類型，材料為理想彈塑性，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。

3.2 計算參數(shù)確定

根據(jù)采場圍巖巖體質(zhì)量分級結(jié)果，并參考周邊礦山礦（巖）體參數(shù)，確定計算模型所采用的礦（巖）體物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 主應(yīng)力分布規(guī)律

2種方案采空區(qū)最大主應(yīng)力場分布如圖6、圖7所示。從圖6和圖7可以看出：礦體回采后，各個采空區(qū)周圍巖體出現(xiàn)條帶狀應(yīng)力等值線，且等值線傾向下坡方向。方案1中2號采空區(qū)右側(cè)頂部和4號采空區(qū)以下出現(xiàn)了最大主應(yīng)力，最大主應(yīng)力值為4.4 MPa;方案2中2號采空區(qū)、5號采空區(qū)和7號采空區(qū)之間出現(xiàn)了最大主應(yīng)力，特別是在5號采空區(qū)與7號采空區(qū)之間較為明顯，最大主應(yīng)力值為0.5 MPa。最大主應(yīng)力為負(fù)值，表明采空區(qū)受到了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的出現(xiàn)對采空區(qū)穩(wěn)定不利，但不會導(dǎo)致其產(chǎn)生破壞。

從應(yīng)力場角度分析：2號和3號采空區(qū)的圍巖由于剪切應(yīng)力過于集中，大于巖體自身的剪切應(yīng)力，使圍巖進(jìn)入了塑性狀態(tài)，采空區(qū)的頂板塑性狀態(tài)大多也是由于受到較大的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的。這就對采空區(qū)的穩(wěn)定性造成一定影響，且不排除采空區(qū)局部地段發(fā)生失穩(wěn)塌陷的可能。因此，隨著開采深度的增加，將對采空區(qū)的穩(wěn)定形成一定的威脅，故必須加強(qiáng)采空區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測工作，一旦發(fā)生異常及時采取有效的控制措施，確保礦山深部開采安全。

4.2 位移變形分布規(guī)律

2種方案的采空區(qū)位移場分布如圖8、圖9所示。從圖8可以看出：礦體回采后，由于圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移并重新分布，采空區(qū)周圍巖體位移呈現(xiàn)條帶狀等值線云圖。1號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.045 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.015 m，表明該位置出現(xiàn)了輕微的隆起。2號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.045 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.02 m，表明該位置出現(xiàn)了輕微的隆起。3號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.015 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.04 m，表明該位置出現(xiàn)了輕微的隆起。4號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.015 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.03 m，表明該位置出現(xiàn)了輕微的隆起。

從圖9可以看出：當(dāng)?shù)V體回采后，由于圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移并重新分布，采空區(qū)周圍巖體位移呈現(xiàn)條帶狀等值線云圖。2號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.08 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降的趨勢;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.03 m，表明該位置出現(xiàn)輕微的隆起。5號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.07 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降的趨勢;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.03 m，表明該位置出現(xiàn)輕微的隆起。7號采空區(qū)的頂板產(chǎn)生向下的豎向位移，為0.07 m，表明該位置出現(xiàn)了沉降的趨勢;底板產(chǎn)生向上的豎向位移，為0.07 m，表明該位置出現(xiàn)輕微的隆起。

從位移場角度分析：由于原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被礦體的開挖所打破，采空區(qū)頂板、底板受高垂直、水平應(yīng)力所擠壓，產(chǎn)生變形位移向采空區(qū)移動，在采空區(qū)的頂板、底板以外的圍巖區(qū)域形成位移等值線拱，隨著距采空區(qū)的距離增大，拱徑逐漸變大，而位移逐漸減小。水平位移最大值出現(xiàn)在采空區(qū)的頂板及底板中心處。因此，建議礦山加強(qiáng)采空區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測工作，及時采取科學(xué)有效的采空區(qū)治理措施，為礦山深部安全開采奠定基礎(chǔ)。

4.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

2種方案采空區(qū)塑性區(qū)分布如圖10、圖11所示。從圖10可以看出，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在2號采空區(qū)和3號采空區(qū)之間，且有貫通的趨勢。該塑性區(qū)是由剪切應(yīng)力引起的，其體積為82.28 m3。

從圖11可以看出：塑性區(qū)主要出現(xiàn)在2號采空區(qū)、5號采空區(qū)和7號采空區(qū)的頂板和底板，并未出現(xiàn)貫通的趨勢，對于這3個采空區(qū)來說，雖然未出現(xiàn)貫通，但是頂板和底板都出現(xiàn)了塑性區(qū)，對采空區(qū)穩(wěn)定不利。該塑性區(qū)是由剪切應(yīng)力引起的，其體積為323.54 m3，但采空區(qū)之間并未有任何影響。

從塑性區(qū)角度分析：采空區(qū)已有塑性區(qū)將對采空區(qū)的穩(wěn)定性造成一定的安全隱患，這對礦山深部礦體的開采極為不利，需要引起礦山工作人員的高度重視，做好現(xiàn)場圍巖的監(jiān)測管理工作。

同時，在礦山應(yīng)做好深部礦體回采的安全管理工作，如優(yōu)化爆破參數(shù)和回采順序等，確保礦山采場安全高效的開采。

5 結(jié) 論

1）采用RMR分級法和Q系統(tǒng)分級法對該鐵礦地下礦巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分級評價，結(jié)果表明：上盤圍巖與礦體均屬于Ⅱ級，巖體質(zhì)量良好。下盤圍巖屬于Ⅲ級，巖體質(zhì)量中等。參照周邊礦體及圍巖情況確定數(shù)值模擬計算參數(shù)。

2）方案1中2號和3號采空區(qū)的圍巖由于剪切應(yīng)力過于集中，大于巖體抗剪能力，使圍巖進(jìn)入了塑性狀態(tài);采空區(qū)頂板塑性狀態(tài)大多也是由于受到較大的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的。

3）采空區(qū)頂板、底板受高垂直、水平應(yīng)力所擠壓，產(chǎn)生變形位移向采空區(qū)移動，最大位移出現(xiàn)在方案2中的2號采空區(qū)頂板。水平位移最大值出現(xiàn)在采空區(qū)的頂板及底板中心處。

4）方案1中塑性區(qū)出現(xiàn)在2號采空區(qū)和3號采空區(qū)之間，且有貫通的趨勢。方案2中塑性區(qū)雖未貫通，但其采空區(qū)已有塑性區(qū)將對采空區(qū)的穩(wěn)定性造成一定的安全隱患，這對礦山深部礦體的開采極為不利，需要引起礦山工作人員的高度重視，做好現(xiàn)場圍巖的監(jiān)測管理工作。

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Stability analysis of complex goaf based on Flac3D

Wang Wei

（China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：In order to study the stability of complex goaf and carry out engineering geological survey，RMR classification method and Q system classification method are used to evaluate and classify each part of rock mass，and Flac3D numerical simulation software is used to simulate and predict the formation process and stability of goaf.The classification results show that the quality of the surrounding rock mass of the upper wall and the ore body is good，and the qua-lity of the surrounding rock mass of the lower wall is medium.Through the analysis of stress isoline cloud map，displacement isoline cloud map and plastic zone distribution map，it is concluded that the surrounding rock of goaf No.2 and No.3 in Scheme 1 has a plastic state because the shear stress is too concentrated and higher than that of the rock mass itself，the maximum displacement appears in the roof of No.2 goaf，and the maximum horizontal displacement appears in the center of the top and bottom of the goaf and has a tendency of connection.Although the plastic zone in Scheme 2 is not connected，the existing plastic zone will impose certain potential safety hazard on the stability of the goaf.

Keywords：goaf;numerical simulation;stability;Q system classification method;RMR classification method

收稿日期：2020-12-27; 修回日期：2021-02-05

作者簡介：王 偉（1987—），男，山西孝義人，高級工程師，碩士，從事科研管理及采礦技術(shù)研究等工作;北京市東城區(qū)安定門外大街9號，中國黃金集團(tuán)有限公司，100011;E-mail：wangwei@chinagoldgroup.com