基于評(píng)價(jià)理論及多軟件聯(lián)合建模的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與應(yīng)用*

王路遙，蔣騰龍，潘承武，段志偉，賢梁明，陳慶發(fā)

基于評(píng)價(jià)理論及多軟件聯(lián)合建模的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與應(yīng)用*

王路遙1，蔣騰龍1，潘承武2，段志偉2，賢梁明2，陳慶發(fā)1

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 崇左市 532200)

為更好地規(guī)避事故，需對(duì)采空區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。以大新錳礦工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立三維數(shù)字模型，結(jié)合模糊綜合分析評(píng)價(jià)理論與數(shù)值模擬研究手段，對(duì)采空區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行了系統(tǒng)地分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：+280，+340，+380與420 m中段的兩端采空區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)域，可能發(fā)生塌陷、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。

采空區(qū);模糊綜合評(píng)價(jià);數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

伴隨著我國科技水平和生活水平的提高，安全意識(shí)在各個(gè)領(lǐng)域受到越來越大的重視，尤其采礦是相對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，減少礦山事故的發(fā)生意味著更高的收益和更大的潛在價(jià)值。礦山的采空區(qū)相對(duì)其它區(qū)域安全性較低，其不確定性和隱蔽性值得學(xué)者深入探究其危險(xiǎn)性，以便排查隱患規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，有助于礦山開采的持續(xù)推動(dòng)。

本文從模糊綜合評(píng)價(jià)、數(shù)值模擬兩個(gè)角度解決大新錳礦的采空區(qū)危險(xiǎn)性問題，將其不確定性和隱蔽性考慮在內(nèi)并進(jìn)行分析，進(jìn)而得出采空區(qū)穩(wěn)定性結(jié)論。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算理論

模糊綜合評(píng)價(jià)模型的理論基礎(chǔ)建立在模糊數(shù)學(xué)這一新興學(xué)科之上，它是解決許多界限不清楚問題的一種常用工具[1-4]。由于采空區(qū)的危險(xiǎn)性由多個(gè)因素所決定，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法在權(quán)重的分配上大都采用經(jīng)驗(yàn)值或?qū)＜以u(píng)分法，這樣使評(píng)價(jià)結(jié)果具有較大的主觀性。在對(duì)采空區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)之前，應(yīng)先理清采空區(qū)的各個(gè)特點(diǎn)。采空區(qū)的危險(xiǎn)性與空區(qū)的各個(gè)方面都存在聯(lián)系，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在采空區(qū)穩(wěn)定性分析中尤為明顯。

1.1 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

（1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。確立個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即={1，2，3，…，O}。其中，指代影響采空區(qū)安全性的因素如水紋地質(zhì)因素、礦山地質(zhì)因素等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）確立評(píng)價(jià)等級(jí)集合。設(shè)={1，2，3，…，A}評(píng)價(jià)等級(jí)集合與模糊子集對(duì)應(yīng)。一般來說，評(píng)價(jià)等級(jí)取[3，7]之中的整數(shù)，其中指代對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度評(píng)價(jià)。

1.2 單因素模糊評(píng)價(jià)權(quán)重確定

對(duì)于上述建立的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，指標(biāo)權(quán)重可采用改進(jìn)的層次分析法來確定。具體步驟為：先將二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行相對(duì)重要度排序，排序方法為若干位專家分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分；其次由排序結(jié)果構(gòu)造出判斷矩陣，步驟為：

如果兩個(gè)指標(biāo)順序>，則有比較值1/（+1）；如果兩個(gè)指標(biāo)順序，則兩者的比較值為（+1）。所得矩陣為：

1.3 進(jìn)行單因素模糊評(píng)價(jià)

1.4 確定模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量及得出評(píng)價(jià)結(jié)果

式中，b表示隸屬度。

每一個(gè)事物被評(píng)價(jià)后都得到一個(gè)模糊向量，對(duì)結(jié)果向量進(jìn)行分析，最終得出被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 工程應(yīng)用

復(fù)雜空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是基于礦山現(xiàn)場調(diào)查進(jìn)行的，具體評(píng)價(jià)對(duì)象為大新錳礦采空區(qū)中的一例空區(qū)進(jìn)行的，因此選取大新錳礦西北地采中東部采區(qū)280-32#采空區(qū)為研究對(duì)象，即復(fù)雜空區(qū)危險(xiǎn)程 度。

在大新錳礦采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)確立隸屬度的基本要求以及對(duì)于上述建立的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，由三位專家分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)造出判斷矩陣，各因素隸屬度如表1所示。由式（2）得對(duì)應(yīng)的判斷矩陣為：

因此，水文地質(zhì)因素、礦山地質(zhì)因素、巖石性能參數(shù)以及其他特征因素的權(quán)重分別為0.0954，0.1991，0.4039，0.3015。

同理可得：

因此可以看出，該空區(qū)的危險(xiǎn)度較低程度為0.3954，危險(xiǎn)度一般程度為0.2889，危險(xiǎn)度較高程度為0.3154。所以最終評(píng)價(jià)結(jié)果為大新錳礦西北地采中東部采區(qū)280-32#采空區(qū)危險(xiǎn)性較低。

大新錳礦中部采區(qū)采空區(qū)的部分危險(xiǎn)性結(jié)果見表2，最后得出大新錳礦中部采區(qū)的滯留采空區(qū)，其危險(xiǎn)性較高，很可能會(huì)發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害，其中在+280，+340，+380，+420 m中段的兩端空區(qū)規(guī)模龐大，為不穩(wěn)定區(qū)域，很可能發(fā)生塌陷、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害；在這4個(gè)中段的中部，空區(qū)規(guī)模較小，個(gè)別空區(qū)體積小，相互獨(dú)立，影響區(qū)域范圍較小，為相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。因此對(duì)于后期空區(qū)治理而言，+280，+340，+380，+420 m中段兩端采空區(qū)應(yīng)作為重點(diǎn)治理對(duì)象。

表1 復(fù)雜空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度取值

表2 中部采區(qū)采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)部分結(jié)果

3 數(shù)值模擬

3.1 基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D模型的構(gòu)建方法

基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D構(gòu)建大新錳礦采空區(qū)模型，該建模方法[5-7]是以專業(yè)地質(zhì)建模軟件3DMine為基礎(chǔ)，以surfer軟件和美國Robert McNeel & Assoc開發(fā)的Rhino造型軟件為依托，將所構(gòu)建的組合出ANSYS-workbench中可識(shí)別的犀牛表、礦體、空區(qū)和礦柱經(jīng)過這些若干軟件不同功能的聯(lián)合以及各種不同格式的最終模型，借助ANSYS的強(qiáng)大建模能力，經(jīng)過ANSYS-workbench中Extrude、Slice和Boolean等功能完成模型構(gòu)建，最終利用Mesh功能進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，之后將劃分好的模型經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換導(dǎo)入FLAC3D之中，完成建模[8-10]。

3.2 中部采區(qū)數(shù)值模擬及結(jié)果分析

通過3DMine實(shí)體模型輸出點(diǎn)信息，并用excel處理導(dǎo)入surfer軟件進(jìn)行差值，再通過犀牛軟件讀取生成三維立體模型，將生成數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS- workbench中構(gòu)建實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示；最后利用haitang轉(zhuǎn)換工具ANSYS TO FLAC3D導(dǎo)入FLAC3D，如圖2所示。

圖1 Workbench劃分后網(wǎng)格模型

圖2 導(dǎo)入FLAC3D的網(wǎng)格模型

以自重應(yīng)力場作為模擬的初始應(yīng)力場，執(zhí)行開挖命令后形成+280，+340，+380，+420 m 4個(gè)中段采空區(qū)，其中27線采空區(qū)主應(yīng)力云圖、位移云圖、塑性區(qū)剖面見圖3~圖8。

圖3 27線采空區(qū)最大主應(yīng)力

圖4 27線采空區(qū)最小主應(yīng)力

由圖3~圖8可以得出，礦房回采結(jié)束后，27線采空區(qū)應(yīng)力、位移、塑性具有以下特點(diǎn)。

（1）由圖3和圖4可知: 27線礦塊回采結(jié)束后，采空區(qū)頂?shù)装鍘r層附近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力重分布。采空區(qū)上部覆巖局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.1 MPa；上下盤圍巖應(yīng)力向空區(qū)自由面轉(zhuǎn)移，礦柱內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中分布區(qū)，最大壓應(yīng)力為8.68 MPa。雖然應(yīng)力未達(dá)到極限強(qiáng)度，但受露天開采爆破擾動(dòng)及F27、F28等斷層的影響，使得空區(qū)穩(wěn)定性大大降低，存在塌陷的可能。

圖5 27線采空區(qū)Z方向位移云圖

圖6 27線采空區(qū)Y方向位移云圖

圖7 中部塑性區(qū)XY剖面

圖8 中部塑性區(qū)XZ剖面

（2）由圖5和圖6可知，27線礦體開采結(jié)束后，采場圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)受到了擾動(dòng)，礦體上、下盤區(qū)域由于彈性恢復(fù)以及自重作用，使其向暴露面方向移動(dòng)，造成頂板下沉和底鼓變形。發(fā)生下沉區(qū)域主要集中在空區(qū)上部覆巖，下沉量最大值為6.25 mm，空區(qū)底鼓變形最大值為12.2 mm。空區(qū)上下盤圍巖水平位移最大值為6.87 mm。

（3）由圖7和圖8可知，回采結(jié)束后，中部采區(qū)采場頂板和礦柱區(qū)域因受較大的剪應(yīng)力進(jìn)入塑性狀態(tài)，且下部中段個(gè)別礦柱內(nèi)塑性區(qū)已貫通，礦柱將最終喪失承載能力，不能滿足安全要求。

4 結(jié) 論

（1）利用模糊綜合評(píng)價(jià)確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要程度，針對(duì)某一空區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)等級(jí)劃分，在一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，最終判定+280，+340，+380與+420 m中段采空區(qū)危險(xiǎn)等級(jí)較高，應(yīng)為重點(diǎn)治理對(duì)象。但有些問題還需進(jìn)一步研究，如采空區(qū)的影響因素和影響因子需要如何選取，以及人工評(píng)分與實(shí)際存在差異尚未解決。

（2）以大新錳礦中部采區(qū)、西北采區(qū)和西北地采為研究對(duì)象，在構(gòu)建三維數(shù)值模型基礎(chǔ)上，利用聯(lián)合建模方法模擬計(jì)算得出該三部分采空區(qū)應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)分布示意圖；結(jié)果顯示中部采區(qū)+280，+340，+380與+420 m中段空區(qū)穩(wěn)定性較差，該區(qū)域域危險(xiǎn)性較高，需進(jìn)一步采用空區(qū)治理方案。

（3）對(duì)比分析了現(xiàn)有評(píng)價(jià)模型的特點(diǎn)及優(yōu)勢，從建模的復(fù)雜程度、建模的精確度以及建模結(jié)果的準(zhǔn)確度構(gòu)建了復(fù)雜空區(qū)模糊綜合評(píng)價(jià)模型；將評(píng)價(jià)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，兩者相互佐證，最終得出礦山采空區(qū)穩(wěn)定性概況，說明該方法可成為采空區(qū)危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)的一種途徑。

[1] Varnes D J. Landslide hazard zonation: a review of principles and practice[M]. France: IAEG Monograph, UNESCO, 1984.

[2] Shi Genhua&Goodman R E. Two Dimensional Discontinuous Deformation Analysis[J]. Int. J. Numer. Anal. Methord Geomech, 1985, 9(5): 541-556.

[3] 張長敏,董賢哲,祁麗華.采空區(qū)地面塌陷危險(xiǎn)性兩級(jí)模糊綜合評(píng)判[J].地球與環(huán)境,2005(33):99-103.

[4] 宋高峰,潘衛(wèi)東,楊敬虎,等.基于模糊層次分析法的厚煤層采煤方法選擇研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(1):35-41.

[5] 李曉紅,勒曉光,盧義玉,等.西山坪隧道穿煤及采空區(qū)圍巖變形特性與數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(5):667?670.

[6] 張紹國,王新民,姚 建,田冬梅.采空區(qū)穩(wěn)定性的非線性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(6):908?911.

[7] 白云飛,鄧 建.費(fèi)歇判別分析方法在采空區(qū)塌陷預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(5):74-76.

[8] 劉科偉,李夕兵,宮鳳強(qiáng),等.基于CALS 及Surpac-FLAC3D耦合技術(shù)的復(fù)雜空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(9):924?1931.

[9] Lee, S, Park, I Choi, J.K, 2012. Spatial prediction of ground subsidence susceptibility using an artificial neural network[J]. Environ. Manage. 49, 347-358.

[10] 吳啟紅,唐 佳.某礦山多層采空區(qū)群穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值分析[J].礦冶工程,2011,31(6):13-17.

(2019-04-17)

王路遙（1994—），男，廣西南寧人，碩士，從事非傳統(tǒng)采礦工藝及安全等方面的研究，Email：534466260@qq.com。

陳慶發(fā)（1979—），男，河南鄲城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事非傳統(tǒng)采礦工藝與礦山巖石力學(xué)等方面的研究，Email：chqf98121@163.com。

廣西自然科學(xué)基金聯(lián)合資助培育項(xiàng)目(2018GXNSFAA13805).