大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區精細探測與穩定性分析

余正方 胡 遠 張 瑋 李杰林 楊承業 李長軍

（1.玉溪大紅山礦業有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

采空區是地下金屬礦山的重大安全生產隱患，采空區大范圍冒落、失穩而引發的災害，將對礦山帶來嚴重的后果［1-3］。一方面，采空區冒落產生的巨大空氣沖擊壓力，對地下井巷工程及重要設施將造成災難性的破壞；另一方面，大面積采空區坍塌會引起地層移動和塌陷，對地面建筑物、公共設施、農田及人民生命財產構成嚴重威脅［4-6］。因此，采空區穩定性分析及安全管理是礦山企業安全、高效、綠色與可持續發展面臨的重大問題。

大紅山鐵礦屬緩傾斜條帶狀厚大礦床，礦體埋藏深，呈多層產出。Ⅱ-1頭部礦體頂板區域結構主要包括變鈉質熔巖、絹云片巖和含銅鐵礦，底板區域與侵入巖直接接觸，該區域礦石以磁鐵礦為主。經過多年的開采，形成了大量的采空區，同時遺留了大量的殘礦資源。經初步探明，Ⅱ-1頭部采空區數量多達十幾個，累計體積量大，采空區已成為大紅山鐵礦安全、可持續發展的重要制約因素。為有效治理大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區安全隱患，亟需對采空區三維形貌進行精確探測，并開展采空區的穩定性分析，從而為制定采空區處理措施提供數據。

基于多手段三維激光掃描技術，對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區及相鄰巷道進行精細探測，構建大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區及相鄰巷道的三維掃描模型，并采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模與數值模擬方式開展采空區穩定性分析。

1 采空區精細探測概述

1.1 多手段三維激光掃描精細探測流程

近年來，采空區三維激光掃描技術已相對成熟［7-9］，但傳統的架站式、伸桿式三維激光掃描方式在大型復雜采空區探測中仍然存在許多難題，無法對采空區的復雜形貌進行全面、精確的探測，導致采空區點云數據失真。為此，為了實現大型復雜采空區的精細探測，結合傳統架站式三維激光掃描方法，采用基于SLAM技術的便捷式三維激光掃描設備，建立一種“架站式+手持桿移動式+無人機”的采空區多手段三維激光掃描方法，其工作流程如圖1所示。

1.2 多手段三維激光掃描精細探測優勢分析

1.2.1 移動式三維激光掃描儀優勢

固定架站式掃描儀主要用于采空區形狀的初步探測以及站點間通視良好的近空區巷道探測，但受限于工程空間分布，在地下巷道部分區域難以開展工作，如圖2所示。

開展采空區附近狹窄的上、下行空間（圖2（a））探測工作時，測量人員難以在狹窄空間中攜帶并安裝固定架站式掃描儀，而移動式三維激光掃描儀具有體積小、便攜等優勢，可對該狹窄區域進行快速掃描；其二是在采空區鄰近的復雜巷道工程（圖2（b））中探測時，如使用固定式激光掃描儀，需分別布置數10個掃描站點，完成圖示區域的外業掃描工作需數小時，而使用移動式三維激光掃描儀，現場數據采集時間不到5 min即可完成，數據采集效率約為固定式激光掃描儀的幾十倍。

1.2.2 無人機三維激光掃描儀優勢

由于固定架站式掃描儀的掃描范圍受站點控制，開展大型采空區掃描作業時，空區內部存在掃描的“視野盲區”，導致所掃描得到的點云數據存在缺失或稀疏等失真現象。無人機搭載三維激光掃描儀主要用于復雜形狀采空區“死角”的探測，從而解決點云數據缺失、稀疏導致的采空區形態失真問題，實現復雜采空區的精細探測，如圖3所示。

1.3 Ⅱ-1頭部采空區精細模型構建

采用多手段三維激光掃描方法，對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部礦體的710，730，745，770和790 m共計5個中段的巷道，以及主礦體開采后形成的系列采空區和第五盤區采空區進行了三維激光測量，共獲取21個采空區點云模型數據，并構建出了Ⅱ-1頭部采空區及其相鄰巷道的精細模型，如圖4所示。其中，Ⅱ-1頭部大礦體采空區體積最大，初步估計可達40萬m3。

2 Ⅱ-1頭部采空區穩定性數值分析

2.1 數值模型構建

基于三維激光掃描所得到的Ⅱ-1頭部采空區精細模型，采用FLAC3D軟件對大礦體和第五盤區開采后形成的采空區進行穩定性分析。FLAC3D是由Itasca國際集團公司開發的巖土工程專業分析軟件，目前在邊坡、基坑、隧道、地下洞室、采礦、能源及核廢料存儲等領域得到了廣泛應用［10］。

為了實現數值計算模型的準確性、網格劃分精確性以及計算過程高效性，采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模方式［11］進行穩定性分析數值模型的構建。首先將采空區模型導入Surpac軟件中，與礦體模型進行耦合優化，形成一個同時包含采空區和礦體的開采現狀模型，然后將現狀模型整體導入Midas/GTS中進行網格劃分，最后采用FLAC3D進行計算邊界條件的設定和計算參數的輸入，最終完成穩定性計算，數值計算模型如圖5所示。

2.2 巖體力學參數確定

對II-1頭部礦體區域的礦石和圍巖取樣，開展了室內巖石力學實驗，獲得礦巖的基本巖石力學參數。同時，結合現場工程地質調查結果，利用Hoek-Brown準則對大紅山鐵礦的礦巖物理力學參數進行折減，獲得了數值模擬所需的巖體力學參數，見表1。將巖體力學參數輸入至計算模型中，模型只考慮自重應力的影響。

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2.3 Ⅱ-1頭部大礦體采空區穩定性數值分析

根據構建的采空區模型，Ⅱ-1頭部大礦體采空區體積最大，安全隱患大，因此論文著重分析Ⅱ-1頭部大礦體采空區的穩定性。大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部大礦體采空區穩定性模擬結果如圖6所示，為了更好反應空區頂板應力位移規律的變化，選取縱向長度最大的空區剖面進行分析。

由圖6（a）和圖6（b）可知，大礦體采空區圍巖的最大主應力主要分布在采空區頂板，其中頂板東南方向拉應力的最大值為3.21 MPa，已接近礦體的抗拉強度3.5 MPa，采空區失穩風險較高。由圖6（c）和圖6（d）可知，大礦體采空區圍巖的最大豎向位移也主要分布在采空區頂板，其中頂板東南方向的最大豎向位移值為20.77 mm，已超過頂板的最大允許下沉位移（20 mm），塑性變形也主要集中于空區頂板的東南方向，即大礦體采空區東南方向頂板易發生拉伸破壞。

根據大礦體采空區的應力與位移分析結果可知，大礦體采空區東南方向的頂板發生進一步垮塌的概率較大，與西北方向貫通，且采空區暴露面積過大，導致礦體上下盤圍巖與礦體交界處的壓應力和拉應力均超過其強度范圍，塑性區很多，且相互連接出現貫通現象，說明該采空區的頂板極易發生冒落。

3 結論

（1）簡述了采空區多手段三維激光掃描方法，對比分析了移動式與無人機三維激光掃描儀的適用區域與應用優勢，相比傳統單一手段的空區探測方法，多手段三維激光掃描方法可獲取更精細的采空區及其相鄰工程的三維空間模型。

（2）對大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部采空區進行了精細探測，共得到21個采空區點云模型數據，并構建了Ⅱ-1頭部采空區群的三維精細模型。

（3）基于采空區三維精細模型，采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模及數值分析方式對Ⅱ-1頭部大礦體采空區進行穩定性分析，得到采空區的應力、位移分布云圖及其塑性破壞區。通過穩定性數值分析結果，大紅山鐵礦Ⅱ-1頭部大礦體采空區極易發生垮塌，必須采取相關的處理措施，研究結果為大紅山鐵礦采空區安全隱患治理提供相關數據支撐。