基于FLAC3D的大型采空區群穩定性數值模擬分析

何標慶

(龍巖學院，福建 龍巖 364000)

福建某礦區礦體呈北東東向延伸，屬于急傾斜厚礦體。礦巖抗壓、抗拉、抗剪強度大，巖石穩固。礦床水文地質條件簡單，工程地質條件屬于簡單-中等，采礦對環境影響輕微，地表允許塌陷。

礦山主要采礦方法為淺孔留礦法和分段空場法。經過近10年的開采，采空區規模大、范圍廣、空間關系復雜，已對礦山的正常生產造成了嚴重影響。目前，礦區內有部分進入采空區的通道已經被破壞，或因上下盤、頂底柱及間柱塌方堵塞而無法進入，采空區之間貫通嚴重，成群分布，靠近采空區的巷道出現開裂和塌陷，給井下生產帶來嚴重影響，區內采空區群分布急需調查，其穩定性狀況也急需分析判斷。

1　采空區群分布現狀調查

1.1　采空區群調查方案

目前，采空區探測國內外主要應用采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探，有微重力法、瞬變電磁法、高密度電法、探地雷達技術、地震層析成像法等[1]。結合該礦區采礦方法，選用安全、高效、精度高、技術先進的BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統對礦區采空區進行精密探測。該系統憑借小型化掃描主機、無線傳輸系統、高防護系統、自適應空間分辨率優化技術、多站拼接技術、專業化三維設計軟件以及與采礦工藝關聯的軟件模塊，可為礦山提供快速、高精度的非接觸式三維空間快速高精度測量解決方案。其性能指標見表1。

1.2　采空區群三維數字建模

采用精密探測以及三維數字建模技術，查明開采范圍大部分的采空區空間位置、埋深、規模、范圍等空間信息。無法進入的采空區，結合地質資料和采場驗收資料進行了三維建模。

根據3Dmine軟件建模數據可知，由于區內開采多年，采場頂底柱、采場間柱的塌方，采空區上下、左右相互貫通，連成一體，形成較大的地表塌陷坑和地下空間，總體積達105萬m3，主要分布在550m中段、600m中段、650m中段，700m中段，達75萬m3，占總采空區體積的70%，如圖1所示。

表1　BLSS-PE礦用三維激光掃描儀性能指標

圖1　采空區三維空間分布

2　采空區群穩定性分析

2.1　采空區群穩定性分析方案

地下礦體的開挖會使周邊一定范圍的巖體應力重新分布， 導致巖石變形、破壞和移動， 成為井下生產的安全隱患。其巖體穩定狀態、破壞形式和移動程度受眾多因素影響，主要包括地質水文因素和采空區賦存屬性。

1) 地質水文因素。主要包括巖層組合結構、地質構造弱面、巖石物理力學性能、原巖應力、地表地形、水文因素。

2) 采空區賦存屬性。主要包括采空區形態、礦體傾角、采空區高跨比、采空區體積、埋藏深度、最大暴露面積、相鄰采空區等賦存屬性。

根據空場法開采特點和井下生產組織管理特點，確定采用巖土工程計算分析應用最廣的三維有限差分程序FLAC3D進行該礦區礦體持續開挖造成的采空區周圍巖體穩定性[2]。為盡可能模擬采空區形成過程中應力、應變的疊加演變，了解采空區范圍應力、應變情況，設計了8個回采中段的開采模擬計算，模擬步驟詳見表2。

表2　采空區群穩定性模擬步驟

根據礦山地質資料，結合上述采空區探測及三維建模數據，建立采空區群一定范圍礦巖三維本構模型。該模型尺寸為2 016 m×1 120 m×1 120 m，由793 037個節點和822 594個四面體單元組成，選用拋物面摩爾-庫倫(Parabolic Mohr-Coulomb)塑性破壞準則[3]，由于礦山未做巖石物理力學性能試驗，典型巖體巖體力學參數參照臨近礦山選取，見表3。

表3　巖體巖體力學參數

2.2　采空區群穩定性分析

礦區內采空區群穩定性計算分析主要從礦體逐漸開挖到采空區形成后的應力、位移、塑性區三個方面來判斷[4]。

2.2.1應力分析

根據數值模擬計算結果，得到不同標高應力集中程度、范圍、大小，見圖2、圖3和表4。從表4知，采空區間的礦柱(采場間柱)壓應力集中明顯，大部分在10～20 MPa范圍，采場間柱已發生破壞；采空區上下盤拉應力集中明顯，大部分在0.3～1.0 MPa范圍，出現拉應力可認為發生破壞，礦區內采空區上下盤絕大部分出現了拉應力，即發生拉破壞。

圖2　沿礦體走向方向最大主應力分布圖

圖3　沿礦體走向方向最小主應力分布圖

表4　采空區附近應力值

標高/m最大壓應力最大拉應力數值/MPa位置數值/MPa位置55022.83間柱0.00上下盤60024.88間柱0.89上下盤65018.30間柱2.21上下盤70016.94間柱0.50上下盤75013.77間柱0.19上下盤80010.49間柱0.31上下盤85010.51間柱0.62上下盤9005.88間柱0.23上下盤9502.20間柱0.12上下盤1 0001.22間柱0.13上下盤

2.2.2位移分析

根據數值模擬計算結果，得到不同標高水平“Y”位移(垂直礦體走向)大小，如表5和圖4所示?？芍?，不同標高水平(垂直礦體走向)采空區上下盤“Y”位移大部分在5～10 cm位移量范圍，巖體存在潛在穩定性問題；局部采空區上下盤“Y”位移大于10 cm位移量，屬于大變形問題，上下盤巖體存在破壞現象，大規模破壞也可能發生。另外，從圖3計算結果來看，“Z”位移8.7～12.8 cm，采空區頂板巖體存在破壞現象，大規模破壞也可能發生[5]。

2.2.3塑性區分析

根據數值模擬計算結果，得到不同標高水平塑性破壞區分布情況，如表6和圖5所示?？芍?，由于采空區之間貫通較多，采空區暴露面積大，大部分采場間柱及采空區上下盤巖體發生了塑性破壞，主要為剪破壞[6]。

表5　采空區上下盤“Y”位移

圖4　沿礦體走向方向“Z”位移分布圖

表6　采空區附近破壞區域

標高/m破壞位置破壞區域/m355018～23線間柱,11～16線采空區下盤92160012～20線間柱,12～20線采空區上下盤1 46865014～20線間柱,14～20線采空區上下盤79270016～22線間柱,16～22線采空區上下盤66775016～18線間柱,16～18線采空區上下盤48580012～16線間柱,12～16線采空區上下盤27685015～17線采空區上盤10790015～17線采空區上盤83950無1 000無

目前，該礦區550m中段及以上中段基本回采結束，采空區附近巷道破壞嚴重。500m中段至750m中段靠近采空區的井巷發生不同程度的開裂、變形和沉陷，縫隙寬度在20～50 mm。部分巷道發生了塌方堵塞采空區?？傮w上，在關鍵區域破壞情況與模擬結果較為吻合。

圖5　沿礦體走向方向塑性區分布圖

另外，從可以進去的巷道里可以發現有600m中段12～20線采空區之間間柱多已發生破壞，采空區相互貫通，形成大型采空區群。其上下盤極易發生大規模冒落危險，人員靠近采空區可能面臨采空區頂板、上下盤冒落造成的沖擊波和地震危害，采空區范圍殘余礦產資源回采難度大[7]。

3　結　論

1) 采用BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統對某礦區采空區群進行精密探測：探測得采空區體積達105萬m3，主要分布在550m中段、600m中段、650m中段、700m中段，約75萬m3。

2) 根據采空區群穩定性數值模擬計算結果，從礦體逐漸開挖到采空區形成后的應力、位移、塑性區三個方面來判斷采空區群穩定性狀況。計算結果顯示：①采空區之間的礦柱壓應力集中明顯，采場間柱已經發生剪破壞，采空區上下盤拉應力集中明顯，礦區內采空區上下盤絕大部分出現了拉破壞；②垂直礦體走向方向采空區上下盤位移大部分在較大，存在潛在穩定性問題，局部地段易發生大規模破壞；③由于采空區之間貫通較多，采空區暴露面積大，大部分采場間柱及采空區上下盤巖體發生了塑性破壞，主要為剪破壞。

3) 建議采取如下采空區群處理措施：考慮到該礦區550m中段以上基本回采結束，且大部分采場礦石已經出完，對該礦區與采空區連通通道進行封閉處理；550m中段以下出于采礦安全考慮，采礦方法應改為崩落法開采，或者采用空場法開采時留存15 m厚的采場頂柱和8 m厚采場間柱，阻止采空區群范圍向深部繼續發展，危及附近重要井巷安全給生產帶來危害[8]。

4) 結合BLSS-PE精密探測的復雜采空區空間形態三維數據，采用FLAC3D數值模擬軟件盡可能準確分析復雜采空區群穩定性對類似礦山采空區穩定性分析和安全隱患辨識有借鑒意義。