鋁土礦山采空塌陷影響因素分析及顆粒流數值模擬研究

簡永軍

（中鋁貴州分公司礦業公司，貴州 貴陽 550014）

地下礦產資源的大量開采，特別是一些無規劃而混亂的亂采濫挖在地表以下形成了大量的采空區，這些空區的存在給地表塌陷提供了潛在可能性，從而使礦山開采條件的一度惡化，并對井上建筑物和生態環境形成重大威脅，給礦山安全生產造成了重大影響。對礦山采空區頂板穩定性進行評測分析研究十分重要。

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，在鋁土礦需求不斷增加的同時，淺部鋁土礦資源逐漸枯竭，鋁土礦已由露天開采逐漸轉入地下開采。我國的鋁土礦大多以緩傾斜、傾斜，薄至中厚礦體為主。普遍存在礦體埋藏深度相對較淺、完整性和連續性較差、直接頂底板穩固性差、礦床水文地質條件復雜、多變等問題。上述問題導致鋁土礦地下開采過程中，地表沉陷嚴重、頻繁發生頂板冒落，嚴重威脅作業人員生命安全,安全保障程度低，為此如何對采空區頂板進行管理，控制地表沉陷、是目前我國鋁土礦山一項重要的研究項目。

礦房礦柱的留設是為了支撐采場頂板，防止頂板下沉導致地表塌陷，而在大面積采空區中礦柱群的失穩是一個相當復雜的動力學過程，國內外相關專家及學者開展了大量的研究工作。采空區頂板穩定性評測方法有結構力學梁板理論、魯佩涅伊特理論、核區強度不等理論、普氏拱理論等等，這些評測理論及方法都有各自的適用條件。之前的礦柱穩定性評判理論只能解決均勻分布的礦柱穩定性問題，但是在實際礦山中，礦柱的留設是根據礦山采場的地質條件布置的，大部分是不規整、不均勻和無序的。數值模擬方法對解決不均勻礦柱分布問題十分有效。離散元法可以描述非連續介質的運動過程，可以很好地解決礦山地表巖層整體坍塌和采空區失穩等困難問題，使地表坍塌全過程清晰再現。

2 PFC3D顆粒流模擬原理

PFC3D（particle flow code 3 dimensions）即三維顆粒流模擬程序。該軟件是基于離散單元法對圓盤（PFC2D）和球形顆粒（PFC3D）介質的運動及顆粒間的相互作用進行模擬的軟件。隨著計算機技術的不斷發展和相關礦柱穩定性理論的深入研究，數值模擬的準確性和可靠性得到很大提升甚至質的飛越，憑借其省錢、省力、省時及快速的特點，可在較短時間內對不同實驗方案進行模擬，因此受到許多研究者的喜愛。顆粒流模型不限制球體大小數量，可用來模擬大位移、大變形、散體間的相互運動及碰撞問題及巖石裂隙繁育發展等問題。該模型主要解決的問題可以歸結為以下幾個問題。①巖石、土體及邊坡中松散介質的流動問題。②地震及建筑倒塌問題。③散體的混合、運輸問題。④蠕動、屈服、大變形等問題。⑤流-固耦合問題。⑥單軸、三軸抗壓強度問題。

PFC3D數值模擬過程中作了如下的基本假設。①顆粒為圓形盤（二維）或球體（三維）。②顆粒單元為剛性體。③接觸為點接觸。④接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠遠小于球體的半徑。⑤在接觸處有粘結強度。

3 鋁土礦山采空區礦柱失穩的影響因素分析

采空區礦柱失穩將導致地表整體塌陷。井下礦體被采出形成采空區，上覆巖層初始平衡應力被打破，當上覆巖層應力超過所留礦柱所能承受的最大應力值時，礦柱發生破壞致使地表下沉，根據采空塌陷的形成機理，可以從以下幾個方面評測采空區穩定性情況。

（1）礦塊的長寬高。所設計的礦塊尺寸直接影響到空區暴露面積，當空區暴露面積較大時，在上覆巖層荷載的作用下產生拉應力集中，當拉應力超過巖層自身強度后，頂板將發生大面積坍塌并發生到地表，致使形成采空塌陷。

（2）頂底柱及礦柱的留設尺寸及間距。由于鋁土礦開采時直接頂板一般為粘土巖或鋁土巖，該巖層穩定性較差，需留設礦柱和80cm～120cm礦體護頂。礦柱寬高比一般作為礦柱設計指標，寬高比越大，礦柱穩定性越好；礦柱間距設計應視采場頂板穩定情況而定，當頂板巖層穩定性好，間距可留設大些，否則礦柱破壞載荷將會傳遞給相鄰礦柱，造成大面積垮塌。

（3）開采深度。不同開采深度巖層性質及厚度不一樣，所受地應力環境也不同。采場頂板上覆巖層的厚度及重量是否滿足巖層發生變形的要求，是衡量采空區是否穩定和、是否會發生局部坍塌和是否會波及到地表的重要條件。

（4）采場所處地質條件及圍巖性質。節理裂隙、斷層等地質構造對采空區的穩定性影響較大，若采空區處于節理裂隙發育的地段或被斷層貫穿，就容易發生局部冒頂或大面積坍塌，致使發生地表塌陷。

4 數值模擬模型建立及分析

PFC3D數值模型是球形（圓盤）顆粒的集合體，其切向和法向剛度、摩擦系數、密度和半徑等物理力學參數可以通過內嵌的fish語言設定。顆粒之間的連接方式有接觸連接、平行連接和非接觸連接三種，接觸連接主要傳遞接觸點的力；平行連接主要傳遞顆粒之間的力和力矩。顆粒物理力學參數主要根據礦山初步設計給出，如密度、堅硬系數和松散系數等，而其他參數通過模型的反復試驗和計算得出，如抗拉強度、抗壓強度、泊松比和粘結力等。本次模擬針對貓場鋁礦，為了測出模擬所需的其他物理力學參數，從礦山選取具有代表性的巖石試件進行單軸實驗。試驗巖石試件選取的尺寸為10cm×25cm,與實際實驗一致。經過參數的反復調試,通過不斷地調整,最終使得單軸壓縮強度與實驗室實際測定值一致。由此,得到計算使用的細觀力學參數。選取具有代表性也是危險性比較大的10#采場作為本次數值模擬的建模對象，模型長80m、寬40m、高120m，顆粒半徑為0.3m～0.5m，共生產球體顆粒19617個，通過初始應力場讓模型內球體顆粒自動平衡。計算結果表明，10#采場采空以后，礦柱能支撐一段時間，經過3000時步后，礦柱及頂板破壞并最終發展至地表。

5 結論

采空塌陷是采場回采結束后對采空區未進行充填遺留的隱患，也是鋁土礦山時常發生的典型災害之一，對礦山井下人員、設備設施、地表植被等皆會造成一定的危害，嚴重威脅到礦山安全生產工作。①對采空區進行穩定性評價應綜合考慮礦塊長寬高，礦房和礦柱尺寸及間距大小，開采深度，爆破震動、圍巖性質及構造等因素得影響；②對于沒有充填處理的采空區，頂板巖層經過一定時間的風化、爆破震動及潮解后，最終頂板及礦柱都會在某個時間發生破壞，最終發展至地表。③通過PFC3D顆粒流軟件模擬方法對鋁土礦山工程進行了模擬計算且評價采空區穩定性，結果表明與礦山采場實際情況較符，說明離散元法可以解決非連續介質、復雜的力學過程，對類似礦山的安全生產提供了一定的指導意義。