基于FLAC3D的大型采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

何標慶

(龍巖學院，福建 龍巖 364000)

福建某礦區(qū)礦體呈北東東向延伸，屬于急傾斜厚礦體。礦巖抗壓、抗拉、抗剪強度大，巖石穩(wěn)固。礦床水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件屬于簡單-中等，采礦對環(huán)境影響輕微，地表允許塌陷。

礦山主要采礦方法為淺孔留礦法和分段空場法。經(jīng)過近10年的開采，采空區(qū)規(guī)模大、范圍廣、空間關系復雜，已對礦山的正常生產(chǎn)造成了嚴重影響。目前，礦區(qū)內(nèi)有部分進入采空區(qū)的通道已經(jīng)被破壞，或因上下盤、頂?shù)字伴g柱塌方堵塞而無法進入，采空區(qū)之間貫通嚴重，成群分布，靠近采空區(qū)的巷道出現(xiàn)開裂和塌陷，給井下生產(chǎn)帶來嚴重影響，區(qū)內(nèi)采空區(qū)群分布急需調(diào)查，其穩(wěn)定性狀況也急需分析判斷。

1　采空區(qū)群分布現(xiàn)狀調(diào)查

1.1　采空區(qū)群調(diào)查方案

目前，采空區(qū)探測國內(nèi)外主要應用采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探，有微重力法、瞬變電磁法、高密度電法、探地雷達技術、地震層析成像法等[1]。結合該礦區(qū)采礦方法，選用安全、高效、精度高、技術先進的BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)對礦區(qū)采空區(qū)進行精密探測。該系統(tǒng)憑借小型化掃描主機、無線傳輸系統(tǒng)、高防護系統(tǒng)、自適應空間分辨率優(yōu)化技術、多站拼接技術、專業(yè)化三維設計軟件以及與采礦工藝關聯(lián)的軟件模塊，可為礦山提供快速、高精度的非接觸式三維空間快速高精度測量解決方案。其性能指標見表1。

1.2　采空區(qū)群三維數(shù)字建模

采用精密探測以及三維數(shù)字建模技術，查明開采范圍大部分的采空區(qū)空間位置、埋深、規(guī)模、范圍等空間信息。無法進入的采空區(qū)，結合地質(zhì)資料和采場驗收資料進行了三維建模。

根據(jù)3Dmine軟件建模數(shù)據(jù)可知，由于區(qū)內(nèi)開采多年，采場頂?shù)字?、采場間柱的塌方，采空區(qū)上下、左右相互貫通，連成一體，形成較大的地表塌陷坑和地下空間，總體積達105萬m3，主要分布在550m中段、600m中段、650m中段，700m中段，達75萬m3，占總采空區(qū)體積的70%，如圖1所示。

表1　BLSS-PE礦用三維激光掃描儀性能指標

圖1　采空區(qū)三維空間分布

2　采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

2.1　采空區(qū)群穩(wěn)定性分析方案

地下礦體的開挖會使周邊一定范圍的巖體應力重新分布， 導致巖石變形、破壞和移動， 成為井下生產(chǎn)的安全隱患。其巖體穩(wěn)定狀態(tài)、破壞形式和移動程度受眾多因素影響，主要包括地質(zhì)水文因素和采空區(qū)賦存屬性。

1) 地質(zhì)水文因素。主要包括巖層組合結構、地質(zhì)構造弱面、巖石物理力學性能、原巖應力、地表地形、水文因素。

2) 采空區(qū)賦存屬性。主要包括采空區(qū)形態(tài)、礦體傾角、采空區(qū)高跨比、采空區(qū)體積、埋藏深度、最大暴露面積、相鄰采空區(qū)等賦存屬性。

根據(jù)空場法開采特點和井下生產(chǎn)組織管理特點，確定采用巖土工程計算分析應用最廣的三維有限差分程序FLAC3D進行該礦區(qū)礦體持續(xù)開挖造成的采空區(qū)周圍巖體穩(wěn)定性[2]。為盡可能模擬采空區(qū)形成過程中應力、應變的疊加演變，了解采空區(qū)范圍應力、應變情況，設計了8個回采中段的開采模擬計算，模擬步驟詳見表2。

表2　采空區(qū)群穩(wěn)定性模擬步驟

根據(jù)礦山地質(zhì)資料，結合上述采空區(qū)探測及三維建模數(shù)據(jù)，建立采空區(qū)群一定范圍礦巖三維本構模型。該模型尺寸為2 016 m×1 120 m×1 120 m，由793 037個節(jié)點和822 594個四面體單元組成，選用拋物面摩爾-庫倫(Parabolic Mohr-Coulomb)塑性破壞準則[3]，由于礦山未做巖石物理力學性能試驗，典型巖體巖體力學參數(shù)參照臨近礦山選取，見表3。

表3　巖體巖體力學參數(shù)

2.2　采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)群穩(wěn)定性計算分析主要從礦體逐漸開挖到采空區(qū)形成后的應力、位移、塑性區(qū)三個方面來判斷[4]。

2.2.1應力分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，得到不同標高應力集中程度、范圍、大小，見圖2、圖3和表4。從表4知，采空區(qū)間的礦柱(采場間柱)壓應力集中明顯，大部分在10～20 MPa范圍，采場間柱已發(fā)生破壞；采空區(qū)上下盤拉應力集中明顯，大部分在0.3～1.0 MPa范圍，出現(xiàn)拉應力可認為發(fā)生破壞，礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)上下盤絕大部分出現(xiàn)了拉應力，即發(fā)生拉破壞。

圖2　沿礦體走向方向最大主應力分布圖

圖3　沿礦體走向方向最小主應力分布圖

表4　采空區(qū)附近應力值

標高/m最大壓應力最大拉應力數(shù)值/MPa位置數(shù)值/MPa位置55022.83間柱0.00上下盤60024.88間柱0.89上下盤65018.30間柱2.21上下盤70016.94間柱0.50上下盤75013.77間柱0.19上下盤80010.49間柱0.31上下盤85010.51間柱0.62上下盤9005.88間柱0.23上下盤9502.20間柱0.12上下盤1 0001.22間柱0.13上下盤

2.2.2位移分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，得到不同標高水平“Y”位移(垂直礦體走向)大小，如表5和圖4所示。可知，不同標高水平(垂直礦體走向)采空區(qū)上下盤“Y”位移大部分在5～10 cm位移量范圍，巖體存在潛在穩(wěn)定性問題；局部采空區(qū)上下盤“Y”位移大于10 cm位移量，屬于大變形問題，上下盤巖體存在破壞現(xiàn)象，大規(guī)模破壞也可能發(fā)生。另外，從圖3計算結果來看，“Z”位移8.7～12.8 cm，采空區(qū)頂板巖體存在破壞現(xiàn)象，大規(guī)模破壞也可能發(fā)生[5]。

2.2.3塑性區(qū)分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，得到不同標高水平塑性破壞區(qū)分布情況，如表6和圖5所示。可知，由于采空區(qū)之間貫通較多，采空區(qū)暴露面積大，大部分采場間柱及采空區(qū)上下盤巖體發(fā)生了塑性破壞，主要為剪破壞[6]。

表5　采空區(qū)上下盤“Y”位移

圖4　沿礦體走向方向“Z”位移分布圖

表6　采空區(qū)附近破壞區(qū)域

標高/m破壞位置破壞區(qū)域/m355018～23線間柱,11～16線采空區(qū)下盤92160012～20線間柱,12～20線采空區(qū)上下盤1 46865014～20線間柱,14～20線采空區(qū)上下盤79270016～22線間柱,16～22線采空區(qū)上下盤66775016～18線間柱,16～18線采空區(qū)上下盤48580012～16線間柱,12～16線采空區(qū)上下盤27685015～17線采空區(qū)上盤10790015～17線采空區(qū)上盤83950無1 000無

目前，該礦區(qū)550m中段及以上中段基本回采結束，采空區(qū)附近巷道破壞嚴重。500m中段至750m中段靠近采空區(qū)的井巷發(fā)生不同程度的開裂、變形和沉陷，縫隙寬度在20～50 mm。部分巷道發(fā)生了塌方堵塞采空區(qū)?？傮w上，在關鍵區(qū)域破壞情況與模擬結果較為吻合。

圖5　沿礦體走向方向塑性區(qū)分布圖

另外，從可以進去的巷道里可以發(fā)現(xiàn)有600m中段12～20線采空區(qū)之間間柱多已發(fā)生破壞，采空區(qū)相互貫通，形成大型采空區(qū)群。其上下盤極易發(fā)生大規(guī)模冒落危險，人員靠近采空區(qū)可能面臨采空區(qū)頂板、上下盤冒落造成的沖擊波和地震危害，采空區(qū)范圍殘余礦產(chǎn)資源回采難度大[7]。

3　結　論

1) 采用BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)對某礦區(qū)采空區(qū)群進行精密探測：探測得采空區(qū)體積達105萬m3，主要分布在550m中段、600m中段、650m中段、700m中段，約75萬m3。

2) 根據(jù)采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算結果，從礦體逐漸開挖到采空區(qū)形成后的應力、位移、塑性區(qū)三個方面來判斷采空區(qū)群穩(wěn)定性狀況。計算結果顯示：①采空區(qū)之間的礦柱壓應力集中明顯，采場間柱已經(jīng)發(fā)生剪破壞，采空區(qū)上下盤拉應力集中明顯，礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)上下盤絕大部分出現(xiàn)了拉破壞；②垂直礦體走向方向采空區(qū)上下盤位移大部分在較大，存在潛在穩(wěn)定性問題，局部地段易發(fā)生大規(guī)模破壞；③由于采空區(qū)之間貫通較多，采空區(qū)暴露面積大，大部分采場間柱及采空區(qū)上下盤巖體發(fā)生了塑性破壞，主要為剪破壞。

3) 建議采取如下采空區(qū)群處理措施：考慮到該礦區(qū)550m中段以上基本回采結束，且大部分采場礦石已經(jīng)出完，對該礦區(qū)與采空區(qū)連通通道進行封閉處理；550m中段以下出于采礦安全考慮，采礦方法應改為崩落法開采，或者采用空場法開采時留存15 m厚的采場頂柱和8 m厚采場間柱，阻止采空區(qū)群范圍向深部繼續(xù)發(fā)展，危及附近重要井巷安全給生產(chǎn)帶來危害[8]。

4) 結合BLSS-PE精密探測的復雜采空區(qū)空間形態(tài)三維數(shù)據(jù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件盡可能準確分析復雜采空區(qū)群穩(wěn)定性對類似礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析和安全隱患辨識有借鑒意義。