張 馳，冀 虎，陳 凱，張 達，李 建

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102628；3.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 231500)

0 引 言

隨著我國采礦工藝技術(shù)的進步以及礦山經(jīng)濟效益的提高，先進的大型機械設(shè)備逐漸應(yīng)用于地下金屬礦山的開采過程中，一些礦巖質(zhì)量相對較好的礦山為了進一步提高產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，試驗性地采用大直徑深孔采礦法[1-3]，將礦房高度提高至幾十米甚至上百米，礦房寬度也進一步增加。但該方法在提高產(chǎn)能的同時也造成了更大的地下空間暴露，易導(dǎo)致空區(qū)大面積失穩(wěn)破壞形成較大的安全風(fēng)險[4-7]。同時，采空區(qū)跨度、高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)增大，疊加機械活動及爆破振動等擾動因素，進一步增大了頂板和邊幫垮塌的風(fēng)險，也造成局部應(yīng)力集中程度增高，安全風(fēng)險進一步增大。因此，開展開采過程中的采空區(qū)穩(wěn)定性分析、加強采空區(qū)管理十分重要[8-10]。

目前，常用的采空區(qū)穩(wěn)定性分析和評價方法有四種：工程類比法、預(yù)計法、解析法和數(shù)值模擬法。工程類比法是對比已開采的、具有相似地質(zhì)條件和采礦條件的礦山及采場采空區(qū)穩(wěn)定性實際觀測結(jié)果，得到本礦采空區(qū)穩(wěn)定性相近結(jié)論的方法；預(yù)計法是通過建立數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)模型，代入現(xiàn)場關(guān)鍵參數(shù)后得到采空區(qū)穩(wěn)定性評測結(jié)論的方法，具有代表性的有Budryk-Knothe法、灰色預(yù)測方法、模糊理論法、分層統(tǒng)計法等[11]；解析法是建立采場和圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，得到圍巖應(yīng)力和變形的解析計算公式，計算采場圍巖任一點的應(yīng)力和位移，從而分析采空區(qū)穩(wěn)定性的一種方法；這三種方法針對特定采場具有較好的應(yīng)用效果，也得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可。但由于預(yù)計法和解析法適用性不強，無法對礦井采礦地質(zhì)條件變化做出準(zhǔn)確預(yù)測，工程類比法往往找不到相似的條件，無法類比，而數(shù)值計算方法的出現(xiàn)在很大程度上彌補了上述方法的不足，目前成為研究采空區(qū)穩(wěn)定問題的主要方法。通過輸入礦井巖體物理力學(xué)參數(shù)、埋深、開采條件、約束條件，數(shù)值模擬軟件能夠生成直觀的三維空間模型并進而進行應(yīng)力場、位移場分析，得到符合實際采礦地質(zhì)條件的圍巖變形破壞的分析結(jié)果[12]。

本文采用FLAC3D軟件建立了某礦山開采的數(shù)值模型，對受回采礦房影響的一步采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)進行計算和分析，并運用三維激光掃描技術(shù)采集采空區(qū)三維信息，構(gòu)建了采空區(qū)真實邊界，分析了二步采場回采對一步采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度，為礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工程背景分析

某大型鐵礦礦體埋深-382～-846 m，礦體平均厚度76.87 m，采用垂直深孔階段空場采礦法，沿礦體走向方向每18 m劃分一個采場，采場南北長72 m、東西寬18 m、高32 m，礦房回采按照“隔一采一”形式布置。 目前該礦山主要開采中段為-508 m中段和-540 m中段，其中-540 m中段45-3#采場和47-3#采場位于20南切割巷以南，如圖1所示。目前，兩采場均已回采完畢，二步47-3#采場回采過程中，一步45-3#采空區(qū)頂板及邊幫常有大塊礦石垮落發(fā)生，因此推測，二步47-3#采場回采對一步45-3#采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力分布狀況產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致其局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖1 -508 m中段地質(zhì)平面圖

2 基于激光掃描技術(shù)的采空區(qū)三維實體建模

建立數(shù)值模型通常將實際采礦條件簡化，導(dǎo)致數(shù)值計算結(jié)果與實際狀態(tài)間存在較大偏差，特別是在礦房的尖角位置由于設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)特點發(fā)生明顯應(yīng)力集中，與實際結(jié)果不符。為了得到與礦山現(xiàn)場盡可能一致的采空區(qū)位置及三維形態(tài)邊界，本文采用BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)對-540 m中段45-3#采空區(qū)和47-3#采空區(qū)進行掃描，為建立數(shù)值模型提供依據(jù)。

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)原理

BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)是一套專門面向地下礦山采空區(qū)空間形態(tài)獲取的測量設(shè)備，設(shè)備主要由掃描探頭、延伸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電模塊等四部分組成，如圖2所示。其中，掃描探頭主要用來獲取空區(qū)邊界信息，延伸系統(tǒng)能夠?qū)呙杼筋^伸到空區(qū)內(nèi)合適位置，控制系統(tǒng)可以設(shè)置掃描控制參數(shù)并實時顯示掃描數(shù)據(jù)，供電模塊一方面提供掃描探頭轉(zhuǎn)動所需的直流電，另一方面將掃描探頭獲取的空區(qū)邊界信息通過無線的方式傳輸至控制系統(tǒng)中。

圖2 BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)

2.2 現(xiàn)場掃描過程

按照掃描系統(tǒng)工作要求，連接各個部分并將掃描探頭伸入采空區(qū)內(nèi)部一定深度，如圖3(a)所示，延長桿尾部掛載固定配重，打開供電電源與控制終端，建立控制終端與掃描主機間的無線連接，設(shè)置掃描參數(shù)完成空區(qū)掃描，打開掃描主機尾部準(zhǔn)直激光并用全站儀測量定位坐標(biāo)，如圖3(b)所示，保存對應(yīng)數(shù)據(jù)即完成采空區(qū)形態(tài)采集。

2.3 三維實體建模

根據(jù)現(xiàn)場掃描獲得的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)，執(zhí)行坐標(biāo)映射，得到與礦山實際位置完全一致的采空區(qū)三維點云模型，按照一定規(guī)則依次連接所有數(shù)據(jù)點構(gòu)建空區(qū)三角網(wǎng)模型。為了更加真實地還原現(xiàn)場工程結(jié)構(gòu)，在得到采空區(qū)模型后，按照設(shè)計巷道斷面尺寸，建立采空區(qū)周圍的巷道三維模型，各部分三維模型如圖4所示。

圖3 采空區(qū)現(xiàn)場掃描

圖4 采空區(qū)及巷道三維模型

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.1 模型范圍及邊界條件

為了提高二步采場回采對一步采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)影響效果數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本文根據(jù)上述建立的采空區(qū)及巷道等比例三維模型建立了采空區(qū)穩(wěn)定性分析數(shù)值模型。數(shù)值模型按照開挖的先后順序由礦體、巷道、一步45-3#采空區(qū)、二步47-3#采空區(qū)三部分組成。模型的范圍根據(jù)開挖范圍的尺寸合理進行確定，本文根據(jù)空區(qū)尺寸以及礦體開采導(dǎo)致巖體移動的范圍確定數(shù)值計算模型范圍為：X方向：530 970～531 220；Y方向：3 433 095～3 433 345；Z方向：-420～-620 m。 礦體模型的網(wǎng)格尺寸為10 m，離散后模型的節(jié)點數(shù)為151 863個，單元數(shù)為472 589個。

模型幾何邊界采用位移約束，X方向約束X軸邊界移動，Y方向約束Y軸邊界移動，Z方向約束Z軸下部邊界移動，上部邊界設(shè)置為自由邊界。在模擬計算中，本文假設(shè)計算區(qū)域處的巖體為均質(zhì)、連續(xù)的，X方向和Y方向自重應(yīng)力按照Z方向自重應(yīng)力的1.6倍選取。

3.2 礦體物理力學(xué)計算參數(shù)選取

巖石的物理力學(xué)參數(shù)對于計算結(jié)果影響很大，為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取該礦山針對該區(qū)段巖石所做的力學(xué)報告值作為采空區(qū)穩(wěn)定性分析的巖體力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力推薦值，見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)推薦表

3.3 數(shù)值模擬計算過程

為了能夠相對真實地反映巷道及采場開挖過程中的應(yīng)力重分布情況，便于分析二步采場回采對一步采空區(qū)穩(wěn)定性的影響大小，本文在數(shù)值模擬軟件中首先將巷道模型，一步45-3#采場，二步47-3#采場分別進行分組，按照初次開挖巷道，最大不平衡力接近1e-5時停止，第二次開挖一步45-3#采場，計算2 000步停止，第三次開挖二步47-3#采場，計算2 000步停止的順序模擬各個過程，以dip=90°，dd=0°，穿過點(531 077.305，3 433 212.449，-520.344)定義剖面，如圖5所示為每一次開挖計算停止后的應(yīng)力云圖。

圖5 分次開挖后應(yīng)力云圖

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

鑒于二步采場回采對一步采空區(qū)造成的影響，本文基于初次開挖巷道后形成的應(yīng)力場，首先開挖一步采場，分析開挖后應(yīng)力分布及位移變化，進一步開挖二步采場，分析其對一步采空區(qū)周圍應(yīng)力分布的影響作用，評價采空區(qū)的穩(wěn)定性，具體如下所述。

3.4.1 應(yīng)力分析

1) 一步采場開挖。由圖6可知，一步采場開挖后形成采空區(qū)，在不考慮由回采爆破造成的巖石松動條件下，空區(qū)的頂板、底板和四周圍巖均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中在空區(qū)的頂板、底板以及右側(cè)邊幫位置應(yīng)力集中程度較大，其余區(qū)域集中程度相對較小，在遠離空區(qū)的地方逐漸恢復(fù)原始應(yīng)力分布狀態(tài)。將巖體的抗壓強度作為礦柱的極限抗壓強度，其中極限抗壓強度參照巖體測試報告[13]空區(qū)周圍穩(wěn)定性見表2。

表2 一步采場開挖后空區(qū)周圍巖體穩(wěn)定性對照表

圖6 一步采場開挖主應(yīng)力分布

圖7 二步采場開挖主應(yīng)力分布

2) 二步采場開挖。由圖7可知，二步采場開挖后，在不考慮由回采爆破所造成的巖石松動的條件下，一步采空區(qū)周圍的應(yīng)力集中范圍進一步擴大，并與二步采空區(qū)形成了應(yīng)力疊加，在礦柱位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中。另外，二步采場回采未改變一步采空區(qū)周圍應(yīng)力集中區(qū)域的分布情況，二步采空區(qū)形成與一步采空區(qū)相似的應(yīng)力分布特征，由于二步采場回采后形成了空區(qū)，使得一步采空區(qū)周圍的最大應(yīng)力值有所減小，空區(qū)周邊穩(wěn)定性見表3。

表3 二步采場開挖后空區(qū)周圍巖體穩(wěn)定性對照表

3.4.2 位移分析

1) 一步采場開挖。地下礦山礦房回采將會打破原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使開采區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布，進而使巖體集聚的彈性勢能得到釋放，引起采空區(qū)頂板和底板巖體的變形破壞，相鄰采場的礦房回采將會使已有采空區(qū)應(yīng)力分布狀態(tài)再次改變，使得應(yīng)力集中區(qū)域進一步擴大或者轉(zhuǎn)移，圖8為一步采場開挖后的位移云圖。由圖8可知，一步采場開挖后，垂直方向上的最大位移量為-4 mm，表現(xiàn)為頂板下沉，底板在垂直方向上的位移量為3 mm，表現(xiàn)為底板上鼓；從水平位移來看，空區(qū)左側(cè)位移為正，位移值為2～2.25 mm，說明左側(cè)邊幫存在拉應(yīng)力作用，但拉應(yīng)力較小。

2) 二步采場開挖。由圖9可知，二步采場開挖后，垂直方向上的最大位移量為-5 mm，相比一步采場開挖后位移有所增大，依然表現(xiàn)為頂板下沉，底板在垂直方向上的位移量為4～5 mm，底鼓現(xiàn)象更加明顯；從水平位移來看，變形范圍增大明顯，一步采空區(qū)左側(cè)拉應(yīng)力有所減弱，二步采空區(qū)左側(cè)存在拉應(yīng)力作用，受一步采空區(qū)影響，其影響范圍相較一步采時更大，位移值為2.25～2.56 mm。

圖8 一步采場開挖后位移云圖

圖9 二步采場開挖后位移云圖

3.5 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證

一步采場回采完畢后，采用瑞士Leica-TS 60高精度全站儀在礦房頂板、底板以及左右邊幫四個區(qū)域測定空區(qū)變形參考基點，其中，頂板和底板各3個，沿礦房中線自北向南依次排列，間距約為15 m；左右邊幫各3個，沿礦房1/2高度線自北向南依次排列，間距與頂?shù)装鍦y點間距保持一致，記錄各參考基點坐標(biāo)并設(shè)為初值。此后，每隔1 d利用全站儀的放樣功能反向測量變形參考基點，得到各期測量參考基點坐標(biāo)真實值，直至二步采場回采完畢，共開展測量25次。本文以初值為基準(zhǔn)，分別計算頂?shù)装逯虚g監(jiān)測點在垂直方向的位移變化值以及左右邊幫沿X方向的位移變化值，繪制變形曲線如圖10所示。

由圖10可知，距監(jiān)測工作開始約10 d左右，一步采空區(qū)頂板、底板及左側(cè)邊幫位移開始趨于穩(wěn)定，與礦山在此階段無生產(chǎn)活動有關(guān)，待二步采場回采開始后，發(fā)現(xiàn)一步采空區(qū)頂?shù)装寮白髠?cè)邊幫位移再一次開始發(fā)生變化，對比頂板監(jiān)測結(jié)果可知距離首次測量10 d時位移為2.8 mm，30 d時位移為3.8 mm，實際位移增加約1 mm，方向向下，表現(xiàn)為頂板下沉；底板監(jiān)測結(jié)果10 d時位移為2.2 mm，30 d時位移為4.3 mm，實際位移增加2.1 mm，方向向上，表現(xiàn)為底板上鼓；左側(cè)邊幫10 d時位移為2.1 mm，29 d時位移為2.6 mm，位移增大約0.5 mm；右側(cè)邊幫位移基本沒有變化。

圖10 各中間監(jiān)測點位移隨時間變化曲線

由此可知，受二步采場回采的影響，實際監(jiān)測頂板向下移動約1 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果一致；底板位移向上增加2.1 mm，與數(shù)值模擬預(yù)測的最大2 mm基本吻合；左側(cè)邊幫位移約0.5 mm，與數(shù)值模擬預(yù)測的0.25～0.56 mm最大值接近；右側(cè)邊幫由于距離二步采空區(qū)較遠，相對影響較小，位移基本無變化，這與數(shù)值模擬結(jié)果也基本吻合。

4 結(jié) 論

1) 從應(yīng)力分析結(jié)果可知，二步采場回采使得一步采空區(qū)周圍的應(yīng)力集中范圍進一步擴大并與一步采空區(qū)形成了應(yīng)力疊加，在礦柱位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大集中應(yīng)力約為26 MPa，其中頂板集中應(yīng)力接近極限破壞強度，存在較大垮塌風(fēng)險。

2) 從位移分析結(jié)果及現(xiàn)場實測驗證結(jié)果可知，二步采場回采使一步采空區(qū)頂板位移量增大，底鼓現(xiàn)象凸顯，垂直方向上的最大位移量接近5 mm，垮塌風(fēng)險增高。

3) 通過BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)及FLAC3D數(shù)值計算軟件的綜合運用，實現(xiàn)了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的精確化建模和高效分析，為數(shù)值計算方法解決該類工程問題提供了可靠保障。