王少林，毛建華，黃 敏

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

近年來，隨著大型有色金屬礦山的持續(xù)生產(chǎn)，礦山深部已形成的采空區(qū)對(duì)礦山地表、圍巖的穩(wěn)定性、礦柱和礦房的穩(wěn)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(qū)上下分布范圍較廣，錯(cuò)綜復(fù)雜，采空區(qū)得不到處理，累計(jì)到一定程度后有可能誘發(fā)大面積的地壓和不利于控制頂板的穩(wěn)定性等問題。

本文依據(jù)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(hào)礦體的采空區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 地表及數(shù)值計(jì)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(qū)以北300 m、S1采場(chǎng)以南300 m為研究對(duì)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(duì)整體模型的影響，在X方向上的兩個(gè)邊界面，平面上所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置X方向的面約束；在Z方向，南北邊界平面上所有節(jié)點(diǎn)固定，設(shè)置好面約束參數(shù)；y=0 m平面模型底部，設(shè)置面約束 X、Y、Z 3個(gè)方向的約束。

計(jì)算模擬分析選擇Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，以最大拉應(yīng)力作為判據(jù)確定深部礦體采后各中段采空區(qū)的應(yīng)力、位移、巖體塑性區(qū)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?shù)装?、留存礦柱的穩(wěn)定性、地表移動(dòng)范圍、開采后形成的塑性區(qū)域等，并通過計(jì)算結(jié)果對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警級(jí)別分類。

建模的基礎(chǔ)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(chǎng)布置圖、地表地形圖等為輔。通過分析深部礦區(qū)的勘探線剖面地層狀況，并結(jié)合分段的工程地質(zhì)巖性、裂隙狀況、已充填處理的采場(chǎng)分布、采場(chǎng)布置等情況，依次拉伸平面形成三維空間結(jié)構(gòu)體，準(zhǔn)確真實(shí)地反映礦山現(xiàn)狀的情況，最終建立好完整的有限元模擬分析模型。

依據(jù)銅坑礦區(qū)提供的各中段采空區(qū)布置平面圖和剖面采準(zhǔn)圖，在AUTOCAD中依據(jù)各采空區(qū)頂?shù)装宓臉?biāo)高不同賦予相應(yīng)的高程，使點(diǎn)、線、面相互結(jié)合形成采空區(qū)的三維線框模型。接著，檢查線串的封閉性、重復(fù)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(wǎng)的方式，生成空區(qū)及頂?shù)字鶎?shí)體模型，以上操作的原因在于多數(shù)數(shù)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(shí)體的真實(shí)性，同時(shí)充分發(fā)揮SURPAC建模軟件強(qiáng)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(dǎo)入MIDAS軟件做好準(zhǔn)備，其后，將上述已完成的CAD三維模型線文件導(dǎo)入MIDAS軟件，并對(duì)線段進(jìn)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(qū)頂?shù)装寮翱諈^(qū)曲面的基本面，進(jìn)而生成空區(qū)及頂?shù)装鍖?shí)體模型（見圖1、圖2）。

圖1 地表模型

圖2 銅坑礦區(qū)地表三維模型

2 采空區(qū)三維可視化模型的建立

依據(jù)有限元三維空間條件下的多種幾何形態(tài)，可以劃分成三維空間的點(diǎn)、線、面或體4種不同的幾何形態(tài)類型。若干個(gè)點(diǎn)、線、面幾何元素構(gòu)成不同類型的幾何形態(tài)，面由若干的線和點(diǎn)構(gòu)成，每條線至少包含兩個(gè)以上的點(diǎn)，在線與線、線與點(diǎn)之間聯(lián)結(jié)三角網(wǎng)就形成了面。每個(gè)子體對(duì)象由若干個(gè)面圈定范圍，所有子體組合成空區(qū)三維實(shí)體模型。

根據(jù)礦區(qū)提供的最新資料，綜合分析現(xiàn)有較完整資料建立起以礦區(qū)真實(shí)開采情況為基礎(chǔ)的三維有限元模型。在GTS軟件的坐標(biāo)網(wǎng)中，通過可視化的空區(qū)實(shí)體，充分了解到深部所有采空區(qū)的空間形態(tài)以及采空區(qū)整體的分布情況；此外，還可結(jié)合已保存為 DXF格式的礦區(qū)地表模型，利用空間投影的操作過程并設(shè)置采空區(qū)模型的透明度，直觀地了解各水平段采空區(qū)在大范圍三維模型空間上的位置關(guān)系，空間位置和空間形態(tài)的具體標(biāo)準(zhǔn)化的定位為有限元數(shù)值計(jì)算提供了有效且可靠的保障，為礦山開采設(shè)計(jì)以及防范措施工程提供了寶貴的依據(jù)（見圖3）。

3 深部礦體采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算與分析

依照原始地層分類的地質(zhì)資料，在三維空間的實(shí)體中進(jìn)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(duì)于斷層和破碎區(qū)域必須更有效的準(zhǔn)確處理，不同類型的圍巖力學(xué)參數(shù)是影響空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的主要因素；在完成好巖性分區(qū)界定的工作后，對(duì)有限元模型設(shè)置準(zhǔn)確可靠的巖石力學(xué)參數(shù)，主要包括粘聚力、膨脹角、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、容重、飽和容重、初始應(yīng)力參數(shù)等；下一步依據(jù)礦區(qū)實(shí)際的采充現(xiàn)狀對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，對(duì)主要的研究區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)有效的邊界處理。完成所有步驟之后，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，銅坑礦區(qū)的模擬范圍較大，特別是針對(duì)采空區(qū)周邊圍巖分析其穩(wěn)定性時(shí)，有限元模擬計(jì)算分析的數(shù)據(jù)量較大。最終，計(jì)算分析結(jié)束后，便可以利用三維可視化的功能，查詢分析結(jié)果，包括采空區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移，從而分析各采空區(qū)局部的穩(wěn)定性狀態(tài)和礦區(qū)整體的穩(wěn)定性狀態(tài)。

在GTS軟件數(shù)值計(jì)算完成之后，可以對(duì)整個(gè)模擬范圍內(nèi)礦區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移進(jìn)行結(jié)果查詢。設(shè)置參數(shù)選取二維剖面，準(zhǔn)確了解內(nèi)部空區(qū)部分及頂?shù)字姆€(wěn)定情況，通過設(shè)置截面的方法，準(zhǔn)確了解到空區(qū)所在位置的平面應(yīng)力、應(yīng)變模擬結(jié)果。

由圖4、圖5、圖6所示，采用礦柱穩(wěn)定性的極限分析方法，對(duì)礦區(qū)455～355 m開采后的礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在四、六盤區(qū)地表206#～208#線，水塘（西）位置將出現(xiàn)累計(jì)沉降30～34 mm的位移，水塘（東）累計(jì)下沉值約8～10 mm。而近202#線區(qū)域的塌陷坑將略有擴(kuò)大，204#～206#線區(qū)域地表裂隙將略有擴(kuò)大。

圖4 模型開挖后豎向位移

圖5 模型開挖后最大主應(yīng)力

圖6 模型開挖后最小主應(yīng)力

采用有限元介質(zhì)連續(xù)分析方法對(duì)待采采場(chǎng)高度與寬度進(jìn)行了初步預(yù)計(jì)，如圖7、圖8所示，要確保20 m的隔離礦柱不產(chǎn)生破壞，則采場(chǎng)寬度應(yīng)控制在25 m內(nèi)，并采用廢石膠結(jié)充填后的有效高度控制好礦柱穩(wěn)定性。如圖9所示，若不充填則較難以維持隔離礦柱的穩(wěn)定性，且頂板拉應(yīng)力明顯增加，最大拉應(yīng)力值局部可達(dá)到1.7 MPa，頂板處向上4～6 m范圍將發(fā)展成為塑性區(qū)。

建議加強(qiáng)四、六盤區(qū)的監(jiān)測(cè)和控制好采空區(qū)頂板和隔離礦柱的穩(wěn)定性，以保證該區(qū)域上部的地表位移變化量較小。四盤區(qū)由北向南推進(jìn)回采時(shí)，應(yīng)該注意監(jiān)控采空區(qū)頂部偏北方向角的位移變化，及時(shí)做好充填采空區(qū)的工作。

圖7 模型開挖后x=600 m剖面最大主應(yīng)力

圖8 模型開挖后x=700 m剖面最大主應(yīng)力

圖9 模型開挖后x=700 m剖面最小主應(yīng)力

4 結(jié) 論

本文通過建立GTS三維可視化有限元模型，進(jìn)行了深部圍巖連續(xù)性介質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變和采空區(qū)穩(wěn)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(qū)模擬與分析創(chuàng)造了科學(xué)、可靠的研究條件，使得階段性開采的數(shù)值模擬更具有可行性與準(zhǔn)確性，能夠清楚地描述出整個(gè)礦區(qū)的采空區(qū)分布，通過模擬計(jì)算分析確定采空區(qū)破壞的影響范圍。為確定災(zāi)害治理范圍、采空區(qū)監(jiān)測(cè)分級(jí)、巖土的塑性區(qū)域界定提供了準(zhǔn)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(fù)雜的基礎(chǔ)前期工作，原始資料與軟件應(yīng)用相結(jié)合。對(duì)大量基礎(chǔ)工作所得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理，再由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行反驗(yàn)算，得到準(zhǔn)確的有效數(shù)據(jù)資料，控制著礦體的空間基本采充狀況。銅坑礦 92號(hào)礦體三維模型，依據(jù)礦山提供的勘探線剖面圖、中段平面圖和剖面地層圖，準(zhǔn)確表達(dá)出采后礦體的相關(guān)基本狀況，包括采場(chǎng)方位、采空區(qū)以及礦體的邊界、復(fù)雜多樣的空間形態(tài)及其采空區(qū)與圍巖相互關(guān)系。

（3）從應(yīng)力和位移的角度，同時(shí)考慮被分析空區(qū)與鄰近空區(qū)之間的相互影響作用，并在已有的三維實(shí)體模型中準(zhǔn)確定位空區(qū)的高危險(xiǎn)性部位，切取空區(qū)及圍巖剖面，充分細(xì)致地分析了空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài)。隨著持續(xù)開采，在四、六盤區(qū)近地表300 m范圍內(nèi)，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(yīng)力主要分布在各盤區(qū)礦柱和礦房間柱以及采空區(qū)頂板偏北的角點(diǎn)處。隨著殘留礦體回采的進(jìn)行，最大壓應(yīng)力小于巖體的抗壓強(qiáng)度，沒有發(fā)生壓應(yīng)力破壞的可能，而持續(xù)開采礦房，導(dǎo)致采空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力逐漸增大，在頂板中間位置上方，形成了塑性破壞區(qū)。這也說明了，采空區(qū)穩(wěn)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(yīng)力破壞所致。

（4）利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、修正巖石力學(xué)參數(shù)、理論分析、數(shù)值模擬等手段，對(duì) 92號(hào)礦體地下采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了專項(xiàng)研究。先深入細(xì)致地調(diào)查采空區(qū)現(xiàn)狀和測(cè)定主要礦巖力學(xué)參數(shù)，全面提出了采空區(qū)災(zāi)害的主要影響因素，建立了采空區(qū)三維可視化模型，計(jì)算了采空區(qū)頂板塑性區(qū)高度，利用 GTS軟件數(shù)值模擬手段得出了深部礦體采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變值及位移值。根據(jù)不同安全等級(jí)的采空區(qū)，為治理方法和相應(yīng)的安全技術(shù)措施提供了指導(dǎo)性依據(jù)。