淺談SURPAC應用采空區模型及FEM分析

摘要：礦山開采究其歷史等原因形成大量的采空區，大寶山就是典型的代表。這些空區形成了目前礦山生產安全的最主要的危害之一，本文利用目前較新的SURPAC三維數字化手段對空區進行數字化模擬，并采用較為先進的ANSYS有限元數值模擬分析計算，從而獲得空區穩定性評價的新嘗試，為礦區安全生產提供可靠保障。

關鍵詞：大寶山礦；采空區；三維數字化；有限元數值分析

1、引言

在礦產資源開發的過程中，房柱采礦法、空場采礦法的應用，往往形成了大量的地下空區。大寶山礦就是極具代表性的礦山之一，由于開發前期采用地下開采，非法民采等無規則、開采秩序混亂的亂采濫挖行為，為轉為露天開采的大寶山礦及周圍留下了大量的不明空區，而這些空區形成了目前礦山生產安全的最主要的危害之一。

就目前已經探測到的空區而言，我們發現大寶山礦下部空區，礦柱變形破壞嚴重，有的因礦柱不能負載已經坍塌，致使礦山開采條件惡化，極易引發大規模的巖移和冒落，形成地表塌陷；空區突然垮塌產生的高速氣浪、地表的落差以及塌陷產生的震動極易造成人員傷亡和設備的破壞，給礦山安全生產帶來了嚴重的影響。鑒于此，對于露天礦下部的空區的研究和穩定性判定的研究對于大寶山礦的安全生產顯得尤為重要。

目前，對于空區的探測，國內外主要采用采礦情況調查、工程鉆探、物探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。我國目前以鉆探為主、物探為輔，而美國等西方國家主要采用物探手段。鉆探方法比較直觀，但往往因布孔位置選擇不當，破碎地帶探孔鉆無法下探等原因對于濫采亂挖形成的空區無能為力。方法雖然多，但往往由于周圍復雜的地質條件限制，導致探測結果精度不高，后期數據處理繁瑣，可視性差，只能有限的提供材料供參考。空區的三位空間準確的確定直接關系到下一步空區的穩定性分析的可靠性，而國內外對于空區圍巖的穩定性分析往往由上述方法獲取數據的基礎上進行，從而導致可靠性較差。同時，為了既能夠實現空區三維可視化又能進行穩定性進行數值計算且考慮到當前數值分析軟件在力學方面計算分析的優點，為此，本文介紹如何利用SURPAC生成空區邊界虛擬實體模型。在此基礎上，利用ANSYS數值模擬分析軟件對空區進行簡化，且不失空區主要特征（面積、空區深度、邊界輪廓）的完整性真實性進行穩定性分析的方法，從而獲得空區穩定性評價的新嘗試，為礦區安全生產提供可靠保障。

2、三維建模技術

SURPAC是澳大利亞公司開發的礦山大型軟件系統，可形成整套的三維立體和塊體建模，可將土建設計、三位模型建立、工程數據庫完美結合，可實現復雜工程中境界優化、礦體儲量估算、排土場設計、露天礦道路規劃設計等，且具有良好的可視效果，并與其他計算機程序之間具有良好的接口，方便更進一步的數值分析。

大寶山礦以前由于采用地下開采形成了大量且復雜的地下采空區，現在已轉為露天開采，開采范圍與原礦區相疊，從而形成原來存在的采空區與露天礦開采直接相互影響的問題。

利用SURPAC建立大寶山礦空區的三維模型主要有如下幾個步驟：（1）根據勘探線剖面圖及帶有標高的采場現狀圖以及以前地采的圖紙資料利用Auto CAD描繪各中段空區平面圖；

（2）將地表部分二維剖面圖、平面圖倒入到SURPAC中建立三維地表模型，如圖1。（3）將原地采各中段二維平面圖導入SURPAC中建立三維各中段三維模型（4）導入各中段采空區平面圖到SURPAC中建立空區三維模型，如圖2。（5）截出并導出用于計算采空區頂板厚度的三維模型和數值模擬計算所需的二維簡化模型，如圖3，圖4。

圖1 銅采場層面三維模型

圖2 新風井673中段三維模型

圖3 673-4#空區數值模擬計算簡化模型

圖4 簡化模型

3、建立ANSYS模型并進行穩定性分析

3.1 ANSYS介紹

ANSYS軟件是融合結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由美國ANSYS開發，它能與多數繪圖建模軟件接口，實現數據共享和交換。CAE的技術種類很多，其中包括有限元（FEM，即Finite Element Method），邊界元法（BEM，即Boundary Element Method），有限差法（FDM，即Finite Difference Element Method）等。每一種方法都有其各自使用領域，而FEM有限元法應用范圍越來越廣。

ANSYS有限元軟件包括一個多用于的有限元計算程序，可求解結構、流體、碰撞等問題。因此，用于分析大寶山空區動態變化的情況更為合適。

3.2 有限元計算并分析

計算分為三個部分：前處理，分析計算和后處理。

前處理本身具有一個強大的實體建模即網格化分工具，方便用戶構造合理的有限元模型。首先，對單元類型、單元常數、材料的類型（線形、各向同性、不隨溫度變化）、材料特征等做出合理化設定。其次，創建有限元模型并劃分網格。由于本文先前已經對要分析的某個單一空區進行SURPAC建模，故導入即可。并對導入的模型合理的設置并劃分網格單元。劃分網格后的效果如圖5。

圖5 劃分網格后的模型塊體

加載并求解。此過程需要對模型設定自由度，并進行某些方向上的約束設定，并在其空區上部設定施加當量的均布荷載已保證其模型與實際的相仿性。在設定好約束和荷載之后便可開始進行計算求解過程，此過程由計算機自行完成。

完成計算之后便可用ANSYS的后處理模塊查看計算的結果。ANSYS軟件通常有POST1和POST26兩個后處理器組成。在POST1中可以查看輪廓線顯示、變形、等值線顯示等。求解結果如圖6、7所示。

圖6 求解結果查看

圖7 水平區域結果

3.3分析

首先，從得到的結果可知，應力從上到下逐漸增大。在有空區周圍出現明顯應力集中現象，主要表現為壓應力，空區上方地表出現應力集中區，說明空區的存在阻斷了整個平臺的受力傳遞，即極大的改變了空區位置周圍的受力狀況。

其次，由于該空區選擇在邊坡附近，造成邊坡與空區間有很大的相互影響。可以看到，采空區的存在也使得空區周邊水平位移出現明顯增加（有時可見邊坡頂面出現拉伸裂紋），在邊坡上出現拉伸破壞，不利于邊坡的穩定。受空區影響，地表可能出現一定程度的塌陷和沉降，對安全生產是極大的威脅。而沉降中心和塌陷中心往往出現在空區頂板的最薄處，如圖8，而受影響范圍呈現圓形區域擴大，并遠離中心區域逐步衰減。

在遠離頂板最薄處的范圍內，跨度較大的一側受到不同程度影響的面積較大而跨度較小的一側較小，其正說明跨度的增加，也增加了空區的危險系數。通過比較空區水平面積及形成危險區域面積可知，危險區域與空區水平面積比約為1.3～1.5。在空區確定后應及時計算出水平危險范圍圈定禁行區，避免重大的安全事故的發生。

4、結論與建議

（1）三維可視雖然使得地下不明空區可視化，提供能夠比較直觀的信息，但其精度往往受到前期數據采集的限制，目前大寶山才用激光自動掃描系統進行空區探測就可以很好的保障數據的精確性，為多空區礦山持續安全的開采提供了詳盡的信息。

（2）重點簡單嘗試了SURPAC建模軟件與ANSYS有限元分析軟件的合并使用，結合了三維建模和有限元數值分析軟件各自的優點，生成的模型與實際基本相符，反映出空區存在的狀態以及實現了空區的力學分析計算。

（3）根據求解計算可知，不規則空區的特征所引起的應力分布和位移變化呈現各自不同的特點，在各種因素的擾動下，空區周邊會隨著不同地質結構和巖性的變化而變化，因此，不同的空區應不同對待且勿一概而論。求解計算后，根據可能出現位移的范圍和受力狀況圈出危險區域，在該空區未處理之前應盡量禁止采掘設備及運輸車輛和人員的出入，減少爆破擾動，有需要時適當擴大危險區域范圍，以防止重大安全事故的發生。

參考文獻

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