基于FLAC3D的四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性分析

盧 亮，張 寶，劉祿來(lái)

(1.西和縣中寶礦業(yè)有限公司， 甘肅 隴南市 742100；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于FLAC3D的四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性分析

盧 亮1，張 寶2，劉祿來(lái)1

(1.西和縣中寶礦業(yè)有限公司， 甘肅 隴南市 742100；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

根據(jù)四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)分布情況，運(yùn)用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型，共獲得21個(gè)采空區(qū)，采空區(qū)體積共計(jì)19萬(wàn)m3。選擇三維有限差分程序FLAC3D進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性仿真模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，采空區(qū)上下盤(pán)圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生局部小范圍脫落，采空區(qū)周?chē)牡V柱穩(wěn)定性都較好，發(fā)生采空區(qū)頂板大面積跨落的安全隱患很低，只需進(jìn)行磚石封閉即可。

采空區(qū)； FLAC3D；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

0 引 言

四兒溝門(mén)金礦為地下開(kāi)采礦山，共有5個(gè)生產(chǎn)水平。礦山采用平硐+斜井+豎井聯(lián)合開(kāi)拓，現(xiàn)階段采用無(wú)底柱淺孔留礦法回采礦體。1 m3鏟運(yùn)機(jī)在進(jìn)路鏟運(yùn)礦石至溜礦井，再由礦車(chē)裝礦，電機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)至井底車(chē)場(chǎng)，最后提升至地表。

礦區(qū)內(nèi)礦體、圍巖均比較軟弱，穩(wěn)固性較差，后期斷裂發(fā)育，坑道掘進(jìn)時(shí)，一般需支護(hù)。礦體頂板f系數(shù)為7，礦體均值為7，底板為8。礦巖體重2.60 t/m3，礦巖松散系數(shù)1.5。該塊段水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地表允許陷落。

四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)無(wú)底柱淺孔留礦法設(shè)計(jì)的采礦貧化率為10%、損失率為15%。在實(shí)際生產(chǎn)中，井下預(yù)留了大量的安全礦柱以保障安全開(kāi)采，采礦貧化控制得比較好，但由此造成的礦柱損失卻非常大，初步統(tǒng)計(jì)損失在20%～30%。

隨著開(kāi)采時(shí)間的增加，井下積累了大量的采空區(qū)，采空區(qū)穩(wěn)定性整體在降低，給安全生產(chǎn)管理帶來(lái)不小的影響。目前，急需了解井下采空區(qū)的分布情況，計(jì)算采空區(qū)的穩(wěn)定性狀況，以判斷采空區(qū)是否存在安全隱患，對(duì)井下生產(chǎn)有影響程度，指導(dǎo)生產(chǎn)組織和安全管理工作。

1 采空區(qū)調(diào)查

1.1 采空區(qū)調(diào)查及三維建模

總體來(lái)說(shuō)，四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)井下管理嚴(yán)格，采場(chǎng)在回采過(guò)程中預(yù)留的安全礦柱均保存比較完整。頂?shù)字穸绕骄鶠? m，個(gè)別區(qū)域約為5 m。除1040 m中段108892采場(chǎng)與1080 m中段的頂柱已塌落外，其他采空區(qū)上下、左右、前后貫通現(xiàn)象不明顯。因此，采空區(qū)形態(tài)總體比較規(guī)整，采場(chǎng)塌方、冒落現(xiàn)象不多。

通過(guò)查看每月采場(chǎng)驗(yàn)收?qǐng)D、采空區(qū)剖面投影圖、礦體賦存狀態(tài)、技術(shù)人員描述，按資料準(zhǔn)確度和完整性，采用3DMine軟件的相關(guān)實(shí)體建模功能生成三維模型，建模步驟如下：

(1) 采空區(qū)資料分類：首先，按照準(zhǔn)確度與完整性對(duì)采空區(qū)調(diào)研資料進(jìn)行分類。簡(jiǎn)單可劃分為四類：每月采場(chǎng)驗(yàn)收?qǐng)D、采空區(qū)剖面投影圖、礦體賦存狀態(tài)、技術(shù)人員描述。

(2) 直接生成三維模型：當(dāng)采空區(qū)原始資料準(zhǔn)確、齊全，如每月采場(chǎng)驗(yàn)收?qǐng)D都保存齊全時(shí)，可直接采用3DMine軟件的相關(guān)實(shí)體建模功能生成三維模型。

(3) 綜合生成三維模型：當(dāng)采空區(qū)原始資料并不是齊全，如只有一兩月采場(chǎng)驗(yàn)收?qǐng)D時(shí)，參照采空區(qū)剖面圖、礦體賦存狀況，生成三維模型。

(4) 綜合生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)采空區(qū)采高、頂?shù)字烷g柱保存情況的描述，對(duì)采空區(qū)三維模型進(jìn)行修正處理。

綜合利用四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)資料，運(yùn)用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型，準(zhǔn)確地獲得了各中段采空區(qū)的實(shí)際邊界和采空區(qū)形態(tài)等相關(guān)信息。采空區(qū)與地表模型復(fù)合三維模型如圖1和圖2所示。

圖1 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)三維空間模型

圖2 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)+地表三維空間模型

1.2 采空區(qū)分布情況統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)采空區(qū)三維數(shù)字模型，四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)共建立有21個(gè)采空區(qū)，采空區(qū)體積共計(jì)19萬(wàn)m3。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)礦山采空區(qū)走向上分布比較集中(如圖3、圖4所示)，主要集中在88～92勘探線范圍，其約占總采空區(qū)體積的63%；各生產(chǎn)水平采空區(qū)分布也相對(duì)集中，主要在1040，1080 m中段分布比較多，約占總采空區(qū)體積的58%。

一般來(lái)說(shuō)，采空區(qū)集中的地段，其穩(wěn)定性相對(duì)較差。因此，采空區(qū)相對(duì)集中的區(qū)域是判斷采空區(qū)穩(wěn)定性狀況的關(guān)鍵位置，應(yīng)作為重點(diǎn)分析對(duì)象。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法

地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)災(zāi)害系統(tǒng)工程問(wèn)題研究過(guò)程。比較常用的分析方法有：概率危險(xiǎn)性分析法、模糊安全分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、事故樹(shù)分析法、灰色層次分析法、Mathews穩(wěn)定圖分析法、數(shù)值模擬分析法以及工程經(jīng)驗(yàn)類比法等。

三維有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是目前應(yīng)用最廣泛的巖土模擬分析軟件。該軟件采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。該法是將研究對(duì)象劃分成網(wǎng)格，物理網(wǎng)格映射在數(shù)學(xué)網(wǎng)格上。對(duì)于網(wǎng)格中的結(jié)點(diǎn)，假設(shè)某一時(shí)刻各個(gè)結(jié)點(diǎn)的速度為己知，根據(jù)高斯定理可以求得單元的應(yīng)變?cè)隽浚缓笥刹牧系谋緲?gòu)關(guān)系求得單元的應(yīng)力增量以及全應(yīng)力。采用該方法求解時(shí)，要求介質(zhì)在變形過(guò)程中連續(xù)。由單元應(yīng)力可以求得各結(jié)點(diǎn)上的不平衡力，進(jìn)而求得結(jié)點(diǎn)在不平衡力作用下產(chǎn)生的加速度和速度，由速度再求得下一時(shí)步的單元應(yīng)變和應(yīng)力。如此循環(huán)直至問(wèn)題收斂，最終獲得模擬計(jì)算結(jié)果。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性狀況

根據(jù)FLAC3D軟件計(jì)算結(jié)果，選取了90線和97線兩個(gè)采空區(qū)集中的關(guān)鍵剖面進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析。

2.2.1 90線剖面采空區(qū)穩(wěn)定性

90線剖面的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分別如圖5～圖8所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，下部幾個(gè)中段采空區(qū)間頂柱出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為1.57 MPa；采空區(qū)上下盤(pán)出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力在15.1 MPa范圍內(nèi)；采空區(qū)上下盤(pán)圍巖位移量較小，最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區(qū)附近主要以剪破壞為主，剪破壞比較零散。

因此，90線剖面附近采空區(qū)上下盤(pán)圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落，但影響范圍較小，采空區(qū)塑性破壞范圍較少，對(duì)采空區(qū)整體穩(wěn)定性影響不大，總體穩(wěn)定性較好。

圖3 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)沿走向分布

圖4 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)各生產(chǎn)水平分布

圖5 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)90線最小主應(yīng)力分布

圖6 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)90線最大主應(yīng)力分布

圖7 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)90線豎向位移分布

圖8 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)90線塑性區(qū)分布

2.2.2 97線剖面采空區(qū)穩(wěn)定性分析

97線剖面的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分別如圖9～圖12所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，下部幾個(gè)中段采空區(qū)間頂柱出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.71 MPa；采空區(qū)上下盤(pán)出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力在8.24 MPa范圍內(nèi)；采空區(qū)上下盤(pán)圍巖位移量較小，最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區(qū)附近以剪破壞為主，剪破壞比較零散。

因此，97線剖面附近采空區(qū)上下盤(pán)圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落，但影響范圍較小，采空區(qū)塑性破壞范圍較少，對(duì)采空區(qū)整體穩(wěn)定性影響不大，總體穩(wěn)定性較好。

圖9 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)97線最小主應(yīng)力

圖11 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)97線豎向位移分布

圖12 四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)97線塑性區(qū)分布

2.3 采空區(qū)安全隱患辨識(shí)

根據(jù)上述采空區(qū)比較集中地段的關(guān)鍵剖面進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，可知采空區(qū)上下盤(pán)圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落，但影響范圍較小，采空區(qū)周?chē)牡V柱穩(wěn)定性都較好，基本未發(fā)生塑性破壞。總體來(lái)說(shuō)，四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

因此，由于采空區(qū)周?chē)V柱穩(wěn)定性好，該礦區(qū)采空區(qū)不存在發(fā)生大規(guī)模冒落的危害。即使在井下爆破震動(dòng)等因素的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，發(fā)生采空區(qū)大面積頂板跨落的可能性總的來(lái)說(shuō)較低。局部的采空區(qū)頂部小范圍冒落，不會(huì)造成沖擊波危害。

據(jù)此，只需對(duì)這些采空區(qū)進(jìn)行磚石封閉即可，以防人員誤入，造成傷害事故。

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)資料，運(yùn)用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型，共建立有21個(gè)采空區(qū)，采空區(qū)體積共計(jì)19萬(wàn)m3，準(zhǔn)確地獲得了各中段采空區(qū)的實(shí)際邊界和采空區(qū)形態(tài)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)采空區(qū)走向上分布比較集中，主要集中在88～92勘探線范圍，其約占總采空區(qū)體積的63%；各生產(chǎn)水平采空區(qū)分布也相對(duì)集中，主要在1040，1080 m中段分布比較多，占約總采空區(qū)體積的58%。

(2) 選擇三維有限差分程序FLAC3D進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性仿真模擬計(jì)算，并選取了90線和97線兩個(gè)采空區(qū)集中的關(guān)鍵剖面進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析，可知區(qū)內(nèi)采空區(qū)上下盤(pán)圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落，但影響范圍較小，采空區(qū)周?chē)牡V柱穩(wěn)定性都較好，基本未發(fā)生較大范圍的塑性破壞。

總體來(lái)說(shuō)，由于采空區(qū)周?chē)V柱穩(wěn)定性好，該礦區(qū)采空區(qū)不存在發(fā)生大規(guī)模冒落的危害，四兒溝門(mén)金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性較好。井下爆破震動(dòng)等因素的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，發(fā)生采空區(qū)頂板大面積跨落的可能性還是很低，不會(huì)引發(fā)沖擊波危害等安全隱患。因此，對(duì)于區(qū)內(nèi)采空區(qū)只需進(jìn)行磚石封閉即可，以防人員誤入，造成傷害事故。

[1]李夕兵，李地元，等.金屬礦地下采空區(qū)探測(cè)、處理及安全評(píng)判[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23(1):24￣28.

[2]張 寶,李向東，等.復(fù)雜采空區(qū)群處理及隱患資源回收綜合技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2014(04):16￣20.

[3]吳啟紅，唐 佳，等.某礦山多層采空區(qū)群穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值分析[J].礦冶工程，2011，31(6):13￣16.

[4]田顯高，陳慧明,等.采空區(qū)穩(wěn)定性的三維有限元模擬[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2007，27(1):32￣34.

[5]張耀平，曹 平，等.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(2):233￣236.

[6]劉敦文，古德生，等.地下礦山采空區(qū)處理方法的評(píng)價(jià)與優(yōu)選[J].中國(guó)礦業(yè)，2004，13(8):52￣55.

[7]王啟明，徐必根，等.我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009，29(4):63￣68.

[8]孫國(guó)權(quán)，李 娟，等.基于FLAC3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2007(2):29￣32.(收稿日期：2017￣09￣27)

盧 亮(1980-)，男，山東萊州人，助理工程師，主要從事采礦工藝和安全管理方面研究，Email:luliang20110831@163.com。