基于MIDAS/GTS的深部厚大礦體采空區穩定性分析

王少林，毛建華，黃 敏

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

近年來，隨著大型有色金屬礦山的持續生產，礦山深部已形成的采空區對礦山地表、圍巖的穩定性、礦柱和礦房的穩定性造成了一定的威脅。尤其是開采多年的厚大礦體礦山，各水平段所形成的采空區上下分布范圍較廣，錯綜復雜，采空區得不到處理，累計到一定程度后有可能誘發大面積的地壓和不利于控制頂板的穩定性等問題。

本文依據銅坑礦的原始資料，建立三維可視化的有限元模型。以深部 92號礦體的采空區為研究對象，對礦區范圍內的采空區進行穩定性分析。

1 地表及數值計算模型的建立

確定模型建立的范圍以勘探線 207#線為最西端，208#線為最東端，東西約為1200 m；南北方向以東盤區以北300 m、S1采場以南300 m為研究對象，南北為1500 m的范圍；垂直方向上Y=0～880 m（地表）。

在確立好研究范圍后，為減少邊界約束對整體模型的影響，在X方向上的兩個邊界面，平面上所有節點設置X方向的面約束；在Z方向，南北邊界平面上所有節點固定，設置好面約束參數；y=0 m平面模型底部，設置面約束 X、Y、Z 3個方向的約束。

計算模擬分析選擇Drucker-Prager屈服準則，以最大拉應力作為判據確定深部礦體采后各中段采空區的應力、位移、巖體塑性區的范圍、影響到地表的彎曲帶、最大裂隙帶高度等，以此來確定銅坑礦開采礦房頂底板、留存礦柱的穩定性、地表移動范圍、開采后形成的塑性區域等，并通過計算結果對采空區進行監控預警級別分類。

建模的基礎資料以銅坑礦提供的南北向的201，201-1，201-2，202，202-1，202-2，203，203-1，203-2，204，204-1，204-2，205，205-1，205-2，206，206-1，206-2，207-1，207-2，208-1剖面為主，以及405平面圖、455平面圖、505平面圖、531平面圖、560-570平面圖、584-598平面圖、613平面圖、92＃礦體各中段采場布置圖、地表地形圖等為輔。通過分析深部礦區的勘探線剖面地層狀況，并結合分段的工程地質巖性、裂隙狀況、已充填處理的采場分布、采場布置等情況，依次拉伸平面形成三維空間結構體，準確真實地反映礦山現狀的情況，最終建立好完整的有限元模擬分析模型。

依據銅坑礦區提供的各中段采空區布置平面圖和剖面采準圖，在AUTOCAD中依據各采空區頂底板的標高不同賦予相應的高程，使點、線、面相互結合形成采空區的三維線框模型。接著，檢查線串的封閉性、重復性是否滿足模型建立的要求，在SURPAC中保存為能夠接受的線文件，利用符合條件的線文件，通過在各水平輪廓線或在同一水平輪廓線間連接三角網的方式，生成空區及頂底柱實體模型，以上操作的原因在于多數數值分析軟件前處理功能薄弱，此操作的目的在于高度保持原有空間實體的真實性，同時充分發揮SURPAC建模軟件強大的前處理功能，隨后，在SURPAC軟件中將線文件所形成的基本模型保存成.DXF格式文件，為下一步導入MIDAS軟件做好準備，其后，將上述已完成的CAD三維模型線文件導入MIDAS軟件，并對線段進行合并處理，或整合成單一完整閉合線或生成線組，下一步利用曲面相互連接工具生成采空區頂底板及空區曲面的基本面，進而生成空區及頂底板實體模型（見圖1、圖2）。

圖1 地表模型

圖2 銅坑礦區地表三維模型

2 采空區三維可視化模型的建立

依據有限元三維空間條件下的多種幾何形態，可以劃分成三維空間的點、線、面或體4種不同的幾何形態類型。若干個點、線、面幾何元素構成不同類型的幾何形態，面由若干的線和點構成，每條線至少包含兩個以上的點，在線與線、線與點之間聯結三角網就形成了面。每個子體對象由若干個面圈定范圍，所有子體組合成空區三維實體模型。

根據礦區提供的最新資料，綜合分析現有較完整資料建立起以礦區真實開采情況為基礎的三維有限元模型。在GTS軟件的坐標網中，通過可視化的空區實體，充分了解到深部所有采空區的空間形態以及采空區整體的分布情況；此外，還可結合已保存為 DXF格式的礦區地表模型，利用空間投影的操作過程并設置采空區模型的透明度，直觀地了解各水平段采空區在大范圍三維模型空間上的位置關系，空間位置和空間形態的具體標準化的定位為有限元數值計算提供了有效且可靠的保障，為礦山開采設計以及防范措施工程提供了寶貴的依據（見圖3）。

3 深部礦體采空區穩定性數值計算與分析

依照原始地層分類的地質資料，在三維空間的實體中進行不同巖性的分類，且以形成曲面來界定不同巖性所屬的模型部分。對于斷層和破碎區域必須更有效的準確處理，不同類型的圍巖力學參數是影響空區圍巖穩定性的主要因素；在完成好巖性分區界定的工作后，對有限元模型設置準確可靠的巖石力學參數，主要包括粘聚力、膨脹角、抗拉強度、彈性模量、泊松比、容重、飽和容重、初始應力參數等；下一步依據礦區實際的采充現狀對模型進行邊界條件設定，對主要的研究區域進行嚴謹有效的邊界處理。完成所有步驟之后，對模型進行數值計算分析，銅坑礦區的模擬范圍較大，特別是針對采空區周邊圍巖分析其穩定性時，有限元模擬計算分析的數據量較大。最終，計算分析結束后，便可以利用三維可視化的功能，查詢分析結果，包括采空區的應力、應變以及位移，從而分析各采空區局部的穩定性狀態和礦區整體的穩定性狀態。

在GTS軟件數值計算完成之后，可以對整個模擬范圍內礦區的應力、應變以及位移進行結果查詢。設置參數選取二維剖面，準確了解內部空區部分及頂底柱的穩定情況，通過設置截面的方法，準確了解到空區所在位置的平面應力、應變模擬結果。

由圖4、圖5、圖6所示，采用礦柱穩定性的極限分析方法，對礦區455～355 m開采后的礦柱穩定性進行了評價，在四、六盤區地表206#～208#線，水塘（西）位置將出現累計沉降30～34 mm的位移，水塘（東）累計下沉值約8～10 mm。而近202#線區域的塌陷坑將略有擴大，204#～206#線區域地表裂隙將略有擴大。

圖4 模型開挖后豎向位移

圖5 模型開挖后最大主應力

圖6 模型開挖后最小主應力

采用有限元介質連續分析方法對待采采場高度與寬度進行了初步預計，如圖7、圖8所示，要確保20 m的隔離礦柱不產生破壞，則采場寬度應控制在25 m內，并采用廢石膠結充填后的有效高度控制好礦柱穩定性。如圖9所示，若不充填則較難以維持隔離礦柱的穩定性，且頂板拉應力明顯增加，最大拉應力值局部可達到1.7 MPa，頂板處向上4～6 m范圍將發展成為塑性區。

建議加強四、六盤區的監測和控制好采空區頂板和隔離礦柱的穩定性，以保證該區域上部的地表位移變化量較小。四盤區由北向南推進回采時，應該注意監控采空區頂部偏北方向角的位移變化，及時做好充填采空區的工作。

圖7 模型開挖后x=600 m剖面最大主應力

圖8 模型開挖后x=700 m剖面最大主應力

圖9 模型開挖后x=700 m剖面最小主應力

4 結 論

本文通過建立GTS三維可視化有限元模型，進行了深部圍巖連續性介質的應力、應變和采空區穩定性研究，取得一定成果。

（1）有限元三維立體模型為深部礦體的采空區模擬與分析創造了科學、可靠的研究條件，使得階段性開采的數值模擬更具有可行性與準確性，能夠清楚地描述出整個礦區的采空區分布，通過模擬計算分析確定采空區破壞的影響范圍。為確定災害治理范圍、采空區監測分級、巖土的塑性區域界定提供了準確的可視化三維模型。

（2）深部礦體三維有限元模型的建立，包括繁多較復雜的基礎前期工作，原始資料與軟件應用相結合。對大量基礎工作所得到的基礎數據進行修正處理，再由現場調查的結果進行反驗算，得到準確的有效數據資料，控制著礦體的空間基本采充狀況。銅坑礦 92號礦體三維模型，依據礦山提供的勘探線剖面圖、中段平面圖和剖面地層圖，準確表達出采后礦體的相關基本狀況，包括采場方位、采空區以及礦體的邊界、復雜多樣的空間形態及其采空區與圍巖相互關系。

（3）從應力和位移的角度，同時考慮被分析空區與鄰近空區之間的相互影響作用，并在已有的三維實體模型中準確定位空區的高危險性部位，切取空區及圍巖剖面，充分細致地分析了空區的穩定性狀態。隨著持續開采，在四、六盤區近地表300 m范圍內，位移明顯增大，形成了 208#以東 0～30 m處的裂隙帶。各中段的最大壓應力主要分布在各盤區礦柱和礦房間柱以及采空區頂板偏北的角點處。隨著殘留礦體回采的進行，最大壓應力小于巖體的抗壓強度，沒有發生壓應力破壞的可能，而持續開采礦房，導致采空區頂板最大拉應力逐漸增大，在頂板中間位置上方，形成了塑性破壞區。這也說明了，采空區穩定性較差，破壞的主要因素還是頂板開裂和邊幫破碎，都是由最大拉應力破壞所致。

（4）利用現場調研、修正巖石力學參數、理論分析、數值模擬等手段，對 92號礦體地下采空區穩定性進行了專項研究。先深入細致地調查采空區現狀和測定主要礦巖力學參數，全面提出了采空區災害的主要影響因素，建立了采空區三維可視化模型，計算了采空區頂板塑性區高度，利用 GTS軟件數值模擬手段得出了深部礦體采空區圍巖的應力、應變值及位移值。根據不同安全等級的采空區，為治理方法和相應的安全技術措施提供了指導性依據。