歐陽(yáng)治華 劉夏臨 王紀(jì)鵬 李 苗

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，開采歷史悠久，地下礦山點(diǎn)多面廣，特別是鄂東地區(qū)的中小型礦山，開采技術(shù)落后，大多采用空?qǐng)龇ㄩ_采，加上安全保障措施不健全，導(dǎo)致地下形成大量的采空區(qū)。這將必然涉及到在已有大型的采空區(qū)作業(yè)面上進(jìn)行采礦作業(yè)，由此帶來的問題是:隨著后期采礦作業(yè)諸如爆破作業(yè)等，勢(shì)必會(huì)擾動(dòng)已經(jīng)應(yīng)力平衡的巖體，造成應(yīng)力的重新分配，在應(yīng)力重分布的過程中，應(yīng)力集中區(qū)域的高應(yīng)力在釋放應(yīng)力的過程中很有可能發(fā)生坍塌、片幫冒落等危險(xiǎn)，威脅礦山的安全生產(chǎn)。巖石力學(xué)問題通常無法用解析方法簡(jiǎn)單求解，相比之下，數(shù)值法具有較廣泛的適用性，它不僅能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性，也可方便地分析各種邊值問題和施工問題，并對(duì)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)［1］。

基于上述認(rèn)識(shí)，本研究通過利用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)湖北省大冶市正興鐵礦殘礦回收過程中的危險(xiǎn)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化預(yù)測(cè)研究，將采礦作業(yè)對(duì)采空區(qū)的影響定量化研究，研究不同工況下對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，旨在為礦山安全生產(chǎn)過程中采空區(qū)的穩(wěn)定性給予科學(xué)的預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)布點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)礦山的殘礦安全生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用，并在實(shí)踐中予以推廣應(yīng)用。

1 工程概況

大冶市華靈集團(tuán)正興鐵礦位于湖北省大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)宮臺(tái)村，是該公司的主要礦山之一。該礦山進(jìn)行了10余a的開采，目前已經(jīng)采至－302 m水平。

由于礦山資源枯竭，最近幾年對(duì)采空區(qū)邊幫上的殘礦回收使采空區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，再加上沒有科學(xué)規(guī)劃，導(dǎo)致采場(chǎng)受到不同程度的破壞，應(yīng)留的礦柱未留，形成了大小不等錯(cuò)綜復(fù)雜的采空區(qū)。通過對(duì)該礦長(zhǎng)期的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，顯示正興鐵礦2號(hào)礦房－185 m水平采區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較活躍，存在著較大的安全隱患:其采空區(qū)規(guī)模已達(dá)到長(zhǎng)約100 m，寬約30 m和高約30 m的巨大空區(qū)，只有1個(gè)半徑為3.2 m左右的礦柱支撐;而且該水平的采空區(qū)向上有一部分與－169 m水平采空區(qū)采通，向下有一部分與－205 m水平采空區(qū)采通。這使得應(yīng)力分布情況比較復(fù)雜，嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)［2］。鑒于此，有必要專門對(duì)該水平(－185 m)的應(yīng)力分布進(jìn)行三維數(shù)值模擬，探究采空區(qū)的應(yīng)力分布情況，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，在應(yīng)力較大區(qū)域布置聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為安全預(yù)警提供一定的參考依據(jù)，進(jìn)而更好地指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)。

2 有限元數(shù)值模擬分析

礦巖物理力學(xué)參數(shù)選取的合理性在一定程度上決定了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠程度。通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘取樣，進(jìn)行相關(guān)點(diǎn)荷載等試驗(yàn)分析，同時(shí)綜合考慮礦巖的結(jié)構(gòu)類型、完整程度、節(jié)理?xiàng)l件(粗糙度、間距)、巖樣裂隙情況、地下水等條件的綜合影響，經(jīng)過換算(分別去掉最高值和最低值)，最后結(jié)合RMR分類和Q分類提供的參考值，其單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度取值應(yīng)比試驗(yàn)所得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度適當(dāng)減小等原則，確定礦巖的物理力學(xué)參數(shù)表1［3］所示。

表1 礦巖主要物理力學(xué)參數(shù)［4-5］

利用三維有限元計(jì)算軟件ANSYS Workbench模塊，基于對(duì)正興鐵礦的現(xiàn)場(chǎng)踏勘及礦方提供的各水平現(xiàn)狀圖，本預(yù)警研究建立了一個(gè)3D模型。本研究項(xiàng)目中，3D模型中定義X坐標(biāo)軸指向正東方向，Y坐標(biāo)軸指向正北方向，Z坐標(biāo)軸為垂直方向，有限元模型范圍的確定是基于圣維南原理，為了使應(yīng)力的分布只影響附近的應(yīng)力分布，計(jì)算模型的幾何尺寸大致取為礦區(qū)開挖體最大尺寸的3倍到5倍，這樣可以保證模型的周邊應(yīng)力狀態(tài)為初始應(yīng)力狀態(tài)，最后確定的模型尺寸為1 800 m×1 200 m×600 m。模型的邊界約束條件設(shè)置為在側(cè)面為水平約束，模型的底部設(shè)置垂直約束。通過網(wǎng)格劃分統(tǒng)計(jì)，模型單元網(wǎng)格劃分后共計(jì)單元324 514個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)593 307個(gè)，滿足一般數(shù)值分析的基本要求。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖1、圖2是正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)的應(yīng)力分布云圖，圖3安全系數(shù)分布云圖。

圖1 －185 m水平最小主應(yīng)力

圖2 －185 m水平最大主應(yīng)力

圖3 礦－185 m水平安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明，－185 m水平采空區(qū)頂板上下重疊部分有較大的拉應(yīng)力存在，尤其是二井采區(qū)和三井采區(qū)之間的圍巖和頂板部分，即位于三井－185 m采空區(qū)的西南角和二井－185 m采空區(qū)的東北角之間，這主要是因?yàn)樵撍讲煽諈^(qū)上下空間位置有重疊，導(dǎo)致應(yīng)力在重分布過程中出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，由安全系數(shù)分布云圖也可以看出，這一區(qū)域的安全系數(shù)偏低。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化模擬

設(shè)計(jì)探索是功能強(qiáng)大、方便易用的多目標(biāo)優(yōu)化及穩(wěn)健性設(shè)計(jì)模塊，實(shí)際工程中通常需要多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，以使得產(chǎn)品的總體性能較好，而不僅是某一項(xiàng)指標(biāo)最好［4-6］。

對(duì)正興鐵礦－185 m水平二井采區(qū)單獨(dú)建立三維有限元模型，利用Design Exploration中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE和響應(yīng)面技術(shù)來描述設(shè)計(jì)變量和采空區(qū)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。考慮到二井采區(qū)預(yù)留有1根礦柱，回采主要是在滿足安全的前提下對(duì)礦柱進(jìn)行回采，而且隨著采礦作業(yè)的進(jìn)行，圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)必然會(huì)受到擾動(dòng)影響而有所降低，所以該優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量選取為礦柱的半徑R，圍巖的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，輸出的優(yōu)化參數(shù)為圍巖頂?shù)装宓淖畲笾鲬?yīng)力，最小主應(yīng)力和安全系數(shù)。

在目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化中，考慮到圍巖的弱化折減及礦山實(shí)際的回采程度，在設(shè)計(jì)參數(shù)屬性的表格里設(shè)置礦柱半徑的接受范圍是1.5～3.2 m，圍巖抗壓強(qiáng)度的接受范圍是48～57 MPa，圍巖的抗拉強(qiáng)度的接受范圍是3.5～4.3 MPa，最后軟件列出16種組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，研究重點(diǎn)探討不同設(shè)計(jì)方案對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，所以問題主要集中于采空區(qū)安全系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)，至于對(duì)圍巖體重的應(yīng)力，也可以由安全系數(shù)反映到采空區(qū)的穩(wěn)定性上，最終優(yōu)化計(jì)算給出的結(jié)果如表2所示。

表2 礦優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)響應(yīng)結(jié)果

從該響應(yīng)結(jié)果可以看出，隨著后續(xù)的采礦作業(yè)，圍巖應(yīng)力的適當(dāng)弱化是允許的，這也符合實(shí)際情況，但在回采過程中，為防止出現(xiàn)過度弱化造成的災(zāi)難性后果，必須采取響應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)防措施來保證工作區(qū)的安全。分析響應(yīng)結(jié)果可知，該采空區(qū)礦柱直徑最多只能回采1.9 m左右，盡管如此，考慮到安全系數(shù)只有1.57，仍處于比較危險(xiǎn)的狀態(tài)。

5 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)應(yīng)用

大量研究資料表明，材料在受力作用而發(fā)生變形或斷裂時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變能以彈性波形式釋放出的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)，巖石承受的外載荷發(fā)生變化時(shí)，以能量形式釋放出來［7-9］。巖石結(jié)構(gòu)在破壞之前的能量釋放的強(qiáng)度是隨著結(jié)構(gòu)的臨近失穩(wěn)而變化的，每一次聲發(fā)射現(xiàn)象及微震的產(chǎn)生都包含著豐富的巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的信息，通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，可將聲發(fā)射參數(shù)作為評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的依據(jù)，因此，可以利用巖體聲發(fā)射現(xiàn)象的這一特點(diǎn)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而預(yù)測(cè)地下金屬礦山圍巖的塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地壓現(xiàn)象。因此在回采過程中必須結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)收集聲發(fā)射信號(hào)，預(yù)防事故的發(fā)生。

監(jiān)測(cè)設(shè)備為YSSC型巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀。該聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀利用巖體聲發(fā)射的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)聲發(fā)射的頻度、強(qiáng)度、能量，為評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)巖體的穩(wěn)定性提供依據(jù)。同時(shí)相對(duì)其他變形監(jiān)測(cè)方法而言，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)可提前獲取信息，對(duì)預(yù)報(bào)巖體冒落等災(zāi)害性事故而言，提供了更多的寶貴防災(zāi)時(shí)間［2］。

基于上述有限元計(jì)算結(jié)果及Design Exploration的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，在危險(xiǎn)區(qū)域，即位于三井－185 m采空區(qū)的西南角和二井－185 m采空區(qū)的東北角之間布置聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用聲發(fā)射檢測(cè)儀對(duì)該區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 －185 m聲發(fā)射監(jiān)測(cè)布孔

6 結(jié)論

(1)為了避免正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)頂板和圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步惡化，嚴(yán)禁進(jìn)一步擴(kuò)大－185 m水平采空區(qū)，對(duì)礦柱的回踩最多只能在原來的基礎(chǔ)上回采1.9 m左右，并且在礦柱回采過程中，必須同時(shí)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注危險(xiǎn)區(qū)域的聲發(fā)射信號(hào)。

(2)正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)的寬度方向及三井西南部與二井東北部之間的圍巖狀況還要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和人工巡視。在三井采區(qū)的西南角和二井采區(qū)的東北角各增設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)該區(qū)域巖體中的聲發(fā)射信號(hào)，預(yù)防發(fā)生安全事故。該方法已在實(shí)際中應(yīng)用，實(shí)踐表明該方法是有效的。

(3)通過對(duì)金屬礦山復(fù)雜采空區(qū)條件下的有限元穩(wěn)定性分析，結(jié)合有限元穩(wěn)定性分析結(jié)果，利用Design Exploration的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以較準(zhǔn)確地顯示采空區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域以及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的定量判據(jù)，進(jìn)而可采取有針對(duì)性的措施，以此更好地指導(dǎo)安全生產(chǎn)。這種分析方法，對(duì)于受地方經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的中小型礦山的回采可以起到一定的借鑒作用。

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