基于評價理論及多軟件聯合建模的采空區穩定性分析與應用*

王路遙，蔣騰龍，潘承武，段志偉，賢梁明，陳慶發

基于評價理論及多軟件聯合建模的采空區穩定性分析與應用*

王路遙1，蔣騰龍1，潘承武2，段志偉2，賢梁明2，陳慶發1

(1.廣西大學 資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004；2.中信大錳礦業有限責任公司大新錳礦分公司，廣西 崇左市 532200)

為更好地規避事故，需對采空區危險性進行分析評價。以大新錳礦工程地質條件為基礎，建立三維數字模型，結合模糊綜合分析評價理論與數值模擬研究手段，對采空區危險性進行了系統地分析與評價。結果表明：+280，+340，+380與420 m中段的兩端采空區為不穩定區域，可能發生塌陷、冒頂等地質災害。

采空區;模糊綜合評價;數值模擬;穩定性分析

伴隨著我國科技水平和生活水平的提高，安全意識在各個領域受到越來越大的重視，尤其采礦是相對高風險的行業，減少礦山事故的發生意味著更高的收益和更大的潛在價值。礦山的采空區相對其它區域安全性較低，其不確定性和隱蔽性值得學者深入探究其危險性，以便排查隱患規避風險，有助于礦山開采的持續推動。

本文從模糊綜合評價、數值模擬兩個角度解決大新錳礦的采空區危險性問題，將其不確定性和隱蔽性考慮在內并進行分析，進而得出采空區穩定性結論。

1 模糊綜合評價模型計算理論

模糊綜合評價模型的理論基礎建立在模糊數學這一新興學科之上，它是解決許多界限不清楚問題的一種常用工具[1-4]。由于采空區的危險性由多個因素所決定，現有的評價方法在權重的分配上大都采用經驗值或專家評分法，這樣使評價結果具有較大的主觀性。在對采空區危險性進行系統評價之前，應先理清采空區的各個特點。采空區的危險性與空區的各個方面都存在聯系，是一個復雜系統，在采空區穩定性分析中尤為明顯。

1.1 危險性評價指標的確定

（1）確定評價指標體系。確立個評價指標，即={1，2，3，…，O}。其中，指代影響采空區安全性的因素如水紋地質因素、礦山地質因素等評價指標。

（2）確立評價等級集合。設={1，2，3，…，A}評價等級集合與模糊子集對應。一般來說，評價等級取[3，7]之中的整數，其中指代對評價指標的隸屬度評價。

1.2 單因素模糊評價權重確定

對于上述建立的評價系統，指標權重可采用改進的層次分析法來確定。具體步驟為：先將二級指標和三級指標進行相對重要度排序，排序方法為若干位專家分級指標進行評分；其次由排序結果構造出判斷矩陣，步驟為：

如果兩個指標順序>，則有比較值1/（+1）；如果兩個指標順序，則兩者的比較值為（+1）。所得矩陣為：

1.3 進行單因素模糊評價

1.4 確定模糊綜合評價結果向量及得出評價結果

式中，b表示隸屬度。

每一個事物被評價后都得到一個模糊向量，對結果向量進行分析，最終得出被評價系統的評價結果。

2 工程應用

復雜空區危險性評價是基于礦山現場調查進行的，具體評價對象為大新錳礦采空區中的一例空區進行的，因此選取大新錳礦西北地采中東部采區280-32#采空區為研究對象，即復雜空區危險程 度。

在大新錳礦采空區危險性評價中，依據模糊綜合評價確立隸屬度的基本要求以及對于上述建立的評價系統，由三位專家分級指標進行評分，構造出判斷矩陣，各因素隸屬度如表1所示。由式（2）得對應的判斷矩陣為：

因此，水文地質因素、礦山地質因素、巖石性能參數以及其他特征因素的權重分別為0.0954，0.1991，0.4039，0.3015。

同理可得：

因此可以看出，該空區的危險度較低程度為0.3954，危險度一般程度為0.2889，危險度較高程度為0.3154。所以最終評價結果為大新錳礦西北地采中東部采區280-32#采空區危險性較低。

大新錳礦中部采區采空區的部分危險性結果見表2，最后得出大新錳礦中部采區的滯留采空區，其危險性較高，很可能會發生各種地質災害，其中在+280，+340，+380，+420 m中段的兩端空區規模龐大，為不穩定區域，很可能發生塌陷、冒頂等地質災害；在這4個中段的中部，空區規模較小，個別空區體積小，相互獨立，影響區域范圍較小，為相對穩定區域。因此對于后期空區治理而言，+280，+340，+380，+420 m中段兩端采空區應作為重點治理對象。

表1 復雜空區危險性評價指標隸屬度取值

表2 中部采區采空區危險性評價部分結果

3 數值模擬

3.1 基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D模型的構建方法

基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D構建大新錳礦采空區模型，該建模方法[5-7]是以專業地質建模軟件3DMine為基礎，以surfer軟件和美國Robert McNeel & Assoc開發的Rhino造型軟件為依托，將所構建的組合出ANSYS-workbench中可識別的犀牛表、礦體、空區和礦柱經過這些若干軟件不同功能的聯合以及各種不同格式的最終模型，借助ANSYS的強大建模能力，經過ANSYS-workbench中Extrude、Slice和Boolean等功能完成模型構建，最終利用Mesh功能進行模型網格劃分，之后將劃分好的模型經過一系列的轉換導入FLAC3D之中，完成建模[8-10]。

3.2 中部采區數值模擬及結果分析

通過3DMine實體模型輸出點信息，并用excel處理導入surfer軟件進行差值，再通過犀牛軟件讀取生成三維立體模型，將生成數據導入ANSYS- workbench中構建實體模型并進行網格劃分，如圖1所示；最后利用haitang轉換工具ANSYS TO FLAC3D導入FLAC3D，如圖2所示。

圖1 Workbench劃分后網格模型

圖2 導入FLAC3D的網格模型

以自重應力場作為模擬的初始應力場，執行開挖命令后形成+280，+340，+380，+420 m 4個中段采空區，其中27線采空區主應力云圖、位移云圖、塑性區剖面見圖3~圖8。

圖3 27線采空區最大主應力

圖4 27線采空區最小主應力

由圖3~圖8可以得出，礦房回采結束后，27線采空區應力、位移、塑性具有以下特點。

（1）由圖3和圖4可知: 27線礦塊回采結束后，采空區頂底板巖層附近區域內的應力重分布。采空區上部覆巖局部出現拉應力，最大值為0.1 MPa；上下盤圍巖應力向空區自由面轉移，礦柱內出現了不同程度的應力集中分布區，最大壓應力為8.68 MPa。雖然應力未達到極限強度，但受露天開采爆破擾動及F27、F28等斷層的影響，使得空區穩定性大大降低，存在塌陷的可能。

圖5 27線采空區Z方向位移云圖

圖6 27線采空區Y方向位移云圖

圖7 中部塑性區XY剖面

圖8 中部塑性區XZ剖面

（2）由圖5和圖6可知，27線礦體開采結束后，采場圍巖應力分布狀態受到了擾動，礦體上、下盤區域由于彈性恢復以及自重作用，使其向暴露面方向移動，造成頂板下沉和底鼓變形。發生下沉區域主要集中在空區上部覆巖，下沉量最大值為6.25 mm，空區底鼓變形最大值為12.2 mm。空區上下盤圍巖水平位移最大值為6.87 mm。

（3）由圖7和圖8可知，回采結束后，中部采區采場頂板和礦柱區域因受較大的剪應力進入塑性狀態，且下部中段個別礦柱內塑性區已貫通，礦柱將最終喪失承載能力，不能滿足安全要求。

4 結 論

（1）利用模糊綜合評價確定了各評價指標在評價系統的重要程度，針對某一空區進行了危險等級劃分，在一級模糊綜合評價基礎之上，進行二級模糊綜合評價，最終判定+280，+340，+380與+420 m中段采空區危險等級較高，應為重點治理對象。但有些問題還需進一步研究，如采空區的影響因素和影響因子需要如何選取，以及人工評分與實際存在差異尚未解決。

（2）以大新錳礦中部采區、西北采區和西北地采為研究對象，在構建三維數值模型基礎上，利用聯合建模方法模擬計算得出該三部分采空區應力云圖、位移云圖和塑性區分布示意圖；結果顯示中部采區+280，+340，+380與+420 m中段空區穩定性較差，該區域域危險性較高，需進一步采用空區治理方案。

（3）對比分析了現有評價模型的特點及優勢，從建模的復雜程度、建模的精確度以及建模結果的準確度構建了復雜空區模糊綜合評價模型；將評價結果與數值模擬結果對比分析，兩者相互佐證，最終得出礦山采空區穩定性概況，說明該方法可成為采空區危險性認識的一種途徑。

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(2019-04-17)

王路遙（1994—），男，廣西南寧人，碩士，從事非傳統采礦工藝及安全等方面的研究，Email：534466260@qq.com。

陳慶發（1979—），男，河南鄲城人，博士，教授，博士生導師，從事非傳統采礦工藝與礦山巖石力學等方面的研究，Email：chqf98121@163.com。

廣西自然科學基金聯合資助培育項目(2018GXNSFAA13805).