緩傾斜薄礦體開采空區(qū)群精確數(shù)字化及穩(wěn)定性分析

代碧波 孫麗軍 趙興東

（1.東北大學采礦地壓與控制研究中心，遼寧沈陽，110004；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山，243000；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山，243000；4.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢，430081）

緩傾斜薄礦體的非充填法回采會形成大量的采空區(qū)，這些空區(qū)群的穩(wěn)定性直接關系到井下生產(chǎn)的安全［1-2］。故而對空區(qū)群實際三維形態(tài)的測定和穩(wěn)定性評價至關重要［3］。

采空區(qū)的實際三維形態(tài)和準確的空間位置是影響空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果準確性的關鍵因素。過去，在對空區(qū)穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬時，往往將采空區(qū)的形態(tài)視為空區(qū)形成之前（即開采前）進行采場設計時確定的規(guī)則形態(tài)，部分則是依據(jù)傳統(tǒng)的測量方法測定的簡化空區(qū)形態(tài)進行模擬計算［3-5］。然而，采空區(qū)的實際形態(tài)往往在實際開采過程中，因測量、爆破等因素的影響而呈不規(guī)則狀，加之采空區(qū)形成后受爆破震動的影響，以及空區(qū)圍巖的冒落、片幫，致使空區(qū)的實際形態(tài)和開采設計中確定的相差甚遠、這就勢必嚴重影響空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性［6-8］。因此，如何精確地確定空區(qū)的實際形態(tài)和空間位置，并以此為基礎建立空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬模型進行數(shù)值模擬計算分析，是空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究中應加以解決的一個重要問題［4］。

針對上述問題，本項目開展以精密探測獲得的空區(qū)實際三維形態(tài)和空間位置為基礎的空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究，形成一種新型的基于空區(qū)實際三維形態(tài)精密探測的空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬技術，以提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性，并結(jié)合礦山井下開采現(xiàn)狀進行采空區(qū)的精密三維數(shù)字化及數(shù)值模擬技術研究，將所形成的技術應用于采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析中，并在此基礎上對其進行穩(wěn)定性分析，為空區(qū)群的綜合治理提供技術支撐。

1 采空區(qū)探測技術

對于地下不明的采空區(qū)探測，我國目前以鉆探為主，物探為輔。常用的物探方法主要有以下幾類：①重力測量；②電法測量；③地震測量；④MT法、CSAMT法和EMAP法；⑤放射性測量。由于物探手段對采空區(qū)探測不能明確空區(qū)體積與形態(tài)，這些方法只能是大概探測地下有無空區(qū)以及空區(qū)的大致位置［9］。近年來發(fā)展起來的激光3D掃描法是利用激光測距原理對采空區(qū)進行精密探測的一種技術手段，只要能將激光探測設備伸入到空區(qū)內(nèi)部，便可對空區(qū)進行360°掃描，經(jīng)過后處理建立空區(qū)三維實體模型便可獲取空區(qū)的具體參數(shù)，包括空區(qū)邊界坐標，容積等［8，10］。

2 空區(qū)群三維數(shù)字化

2.1 工程概況

本研究依托的礦山為中鋼南非鉻業(yè)有限公司Dilokong鉻鐵礦，該礦山特點：①礦石品質(zhì)優(yōu)良、開發(fā)利用價值巨大；②礦體傾角緩、厚度薄，僅開采單一礦層，開采環(huán)境差、效率低；③礦山空區(qū)分布廣泛，僅采用木支護，井下開采安全條件差。Dilokong鉻鐵礦目前開采的資源為LG6鉻礦層。LG6礦層厚度約1.0～1.2 m，上覆有厚度約0.5 m厚的LG6a礦層，中間輝巖厚度大約0.5～0.6 m。區(qū)內(nèi)礦體變化不大，LG6與LG6a礦層連續(xù)性較好，成礦后斷裂影響不大，似層狀產(chǎn)出。礦體整體走向南北，傾向西，傾角14°左右，淺部礦體較陡，約18°，深部傾角較緩，約7～11°。礦體遍布礦權(quán)范圍，長約7 800 m，寬約500～3 700 m，埋深約在300～400 m，礦體規(guī)模巨大。礦石Cr2O3品位為41.07%～49.3%，平均品位44.62%，品位變化均勻。礦體密度為4.25 t/m3。

2.2 礦區(qū)地表三維數(shù)字化

根據(jù)礦區(qū)地形地質(zhì)圖，對礦區(qū)地形等高線進行三維坐標賦值，然后根據(jù)三維空間關系生成面域，并根據(jù)高程范圍進行著色渲染和水流方向的繪制。經(jīng)三維數(shù)字化的地表模型如圖1所示。

2.3 采空區(qū)群三維數(shù)字化

根據(jù)礦山開采實際，將已有采空區(qū)群進行精密三維數(shù)字化，實現(xiàn)空區(qū)群的數(shù)值三維體態(tài)查看和分析?？諈^(qū)群位于名稱為Hanekom的老礦山范圍內(nèi)。根據(jù)開采現(xiàn)狀，礦山共進行了4個中段的回采，形成了大量的采空區(qū)。根據(jù)采空區(qū)位置和開采現(xiàn)狀，利用激光3D掃描進行空區(qū)數(shù)字化，建立空區(qū)群的三維形態(tài)模型，見圖2。整個礦區(qū)空區(qū)群總體積為135.708萬m3。

3 空區(qū)群的數(shù)值模擬分析

應用三維拉格朗日差分分析程序模擬分析空區(qū)群的穩(wěn)定性、頂板覆巖的變化規(guī)律以及留設礦柱參數(shù)對采空區(qū)穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響［11，12］。

3.1 三維計算模型的建立

本次計算結(jié)合礦山工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及所用采礦法的特點，以三維化空區(qū)群為依據(jù)建立模型，從采空區(qū)頂板的應力變化和位移，礦柱承載能力變化、采空區(qū)頂板應力及位移狀態(tài)和地表變形等方面進行空區(qū)群穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。最終確定的模型如下：模型長度3 100 m、寬度3 000 m、高度1 100 m，模型共有287 928個單元，434 768個節(jié)點。生成主體計算模型之后，其中空區(qū)群模型的構(gòu)建采用實測三維數(shù)字化后的立體模型與本主體模型進行耦合，如圖3所示。

3.2 巖體力學參數(shù)

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)特征，礦體和圍巖特性，本次數(shù)值模擬過程中選取了對模型計算有影響的3種礦巖體，即輝巖、斜長巖和礦體。數(shù)值模擬過程中所用巖體力學參數(shù)見表1。原巖應力按常規(guī)進行假設計算，忽略構(gòu)造應力，按照自重應力計算。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

對建立的空區(qū)群模型進行計算，空區(qū)群內(nèi)留設10 m×6 m間柱，按照下行式和前進式的回采順序逐步形成空區(qū)群，并在每個回采步驟記錄礦巖體應力和位移變化特征，經(jīng)過模擬分析，得到了次生應力平衡之后的最大主應力云圖、最小主應力云圖、位移云圖。以采空區(qū)中央為中心，創(chuàng)建剖面，得到剖面位置的最大主應力云圖、最小主應力云圖、位移云圖。其數(shù)值分析模型計算第1步驟回采和第12步驟回采結(jié)果如圖4和圖5所示。

3.4 模擬結(jié)果分析

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，原始地應力呈現(xiàn)層狀分布，在進行回采過程中，明顯擾動了原巖應力場，采空區(qū)部分的上覆巖層中最大主應力和最小主應力均存有共性，呈現(xiàn)似層狀分布，在臨近空區(qū)的礦巖交界處應力變化明顯，應力變化沿礦體傾向逐漸過渡。

進行第1步驟回采時，最大主應力為8.44 MPa，出現(xiàn)在上盤與底板的交界處，并在角隅處伴隨有應力集中現(xiàn)象，最大位移出現(xiàn)在下盤中央部位，為12.81 mm，表現(xiàn)為底鼓現(xiàn)象。進行第2步驟回采時，次生應力場的分布規(guī)律與第1步驟的相似，最大主應力為15.44 MPa，出現(xiàn)在下盤與頂柱的交界處，最大位移為16.99 mm，出現(xiàn)在本步驟內(nèi)的上盤中央位置。

后續(xù)回采過程中，最大主應力值和最大位移值隨著回采步驟逐漸增大。在回采包括第10步驟在內(nèi)的礦體時，最大主應力均出現(xiàn)在本步驟上盤和底板的交界處，表現(xiàn)為應力集中現(xiàn)象，但進行第11和第12步驟回采時，最大主應力始終在第10步驟中的上盤和底板交界處，至第12步驟回采結(jié)束并達到次生應力平衡時，最大主應力為66.14 MPa。最大主應力值隨回采步驟的變化如圖6所示。

在第5回采步驟之前，最大位移出現(xiàn)在上個步驟內(nèi)的上盤中央位置，最大值為33.14 mm，第6至第8回采步驟中，最大位置始終在第4步驟的上盤中央位置，最大值為40.85 mm，第9回采步驟至第12回采步驟中，最大位移始終在第9步驟上盤中央位置，至回采結(jié)束時，最大位移為116.06 mm。最大位移隨回采步驟的變化如圖7所示。

從圖7可以看出，最大位移在第10回采步驟后趨于穩(wěn)定。

另一方面，從塑性區(qū)計算可以看出，回采至第9步驟時，在上盤中央位置出現(xiàn)拉伸屈服區(qū)域，在計算結(jié)束后，大部分退出屈服狀態(tài)。至回采結(jié)束，未見有塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象。表明現(xiàn)有空區(qū)群表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

由上述模擬結(jié)果可知，在形成空區(qū)群過程中明顯擾動原巖應力場，在相同條件下，采空區(qū)最大壓應力和最大拉應力隨礦柱寬度增大而減小，隨采空區(qū)頂板暴露面積的增大而增大。在數(shù)值模擬過程中，應力分布狀態(tài)以及塑性區(qū)發(fā)生了比較明顯的變化。當?shù)V柱達不到與采空區(qū)頂板暴露面積最佳耦合的尺寸時，模型在計算過程中出現(xiàn)了屈服區(qū)域，計算結(jié)束后仍有較大范圍的屈服區(qū)域，此時采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有發(fā)生頂板冒落的危險，當?shù)V柱達到與采空區(qū)暴露面積最佳耦合狀態(tài)的尺寸時，有部分采空區(qū)圍巖在開采過程中曾經(jīng)進入到拉伸和剪切屈服狀態(tài)，但在次生應力平衡之后又退出了屈服狀態(tài)。

另外，當增大采空區(qū)頂板暴露面積時，采空區(qū)上覆巖層的壓力傳遞到礦柱上，使得頂板中的壓力拱跨度增大，在采空區(qū)頂板產(chǎn)生拉應力區(qū)域，當此壓力拱跨度大于合理拱軸線對應拱形跨度，拉應力超過巖體抗拉強度時，便會在頂板位置產(chǎn)生拉伸屈服區(qū)域，造成采空區(qū)的破壞。在礦柱尺寸一定的情況下增大頂板暴露面積時，采空區(qū)頂板中央的下沉量也隨之增大，礦柱中的位移也明顯增大，與理論分析結(jié)果相符。

4 結(jié)論

（1）按照現(xiàn)有空區(qū)群內(nèi)留設10 m×6 m間柱的情況下，經(jīng)過數(shù)值模擬分析，空區(qū)群表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）數(shù)值計算模型中，礦柱靠近頂板的位置為應力集中部位，并且由于礦體緩傾斜，使得應力集中部位偏向于礦柱靠近上部空區(qū)一側(cè)。

（3）給空區(qū)群模型留設合理尺寸的礦柱時，采空區(qū)頂板和礦柱在模型計算結(jié)束后均沒有拉伸屈服和剪切屈服區(qū)域的貫通，并且采空區(qū)頂板中央的拉應力均沒有超過礦體抗拉強度，頂板和礦柱內(nèi)的位移趨于定值，并處于工程可控范圍，因此處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）采空區(qū)頂板中央的下沉量及礦柱內(nèi)的最大主應力和位移對礦柱尺寸表現(xiàn)敏感，并且頂板暴露面積越大，此敏感度越高，表明在空場條件下，礦柱尺寸對采空區(qū)群的穩(wěn)定性影響很大。