某矿采空区稳定性数值模拟研究

刘浩+吴倩茹+徐力勇

摘 要：某多金属矿经过多年的开采，已形成大量采空区，地压显现明显。拟采用三维建模、数值模拟等研究手段，构建矿山三维空间立体模型，并对采空区的稳定性进行数值模拟研究，对矿山进行技术指导。

关键词：采空区；三维建模；数值模拟；地表模型

中图分类号：TD327 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.015

某多金属矿经过多年的开采，已形成大量采空区，地压显现明显，新采空区大量增加，部分老采空区也有扩帮，并且部分新增空区与老空区相互贯通，在开采过程中未及时对采空区进行处理，严重威胁着井下的生产作业安全。

针对矿山开采遗留大量采空区，地压显现明显的问题，本文拟采用三维建模、数值模拟等研究手段，利用SURPAC软件构建矿山三维空间立体模型，包括地表部分模型和地下部分模型，并采用FLAC3D数值计算软件对某矿采空区的稳定性进行了数值模拟研究，对矿山进行技术指导。本研究对保障矿山采矿作业安全，提高矿山经济效益都具有重要的意义。

1 采空区立体模型的建立

1.1 建模说明

构建矿山三维空间立体模型主要包括2部分的模型，即地表部分模型和地下部分模型。地表部分构建出地表地形、各种建筑物、盘山道路等模型，地下部分构建出斜坡道、巷道、空区等模型。本次建模均采用矿山提供的CAD图纸资料。

1.1.1 采空区建模

本次采空区建模以-100 m中段77～79线之间的77-6#空区为例，实测采场最高高度为13 m。在CAD中对15#采场范围进行圈定，圈定为一条封闭的多段线，另存为77-6#.dxf格式。

在工具菜单栏中的“文件”选项下，选择“打开”下的“线/DTM文件”，弹出对话框，在文件名一栏中，选中77-6#.dxf所在位置，点击执行。点击保存，保存为77-6#.str线文件。

重新打开77-6#.str线文件，在工具菜单栏的“编辑”选项下，选择“线段”下的“清理”，点中重复点选项卡，在“操作”中选择删除，在最大捕捉距离中填写0.05.点击执行，在窗口中选择线段，点击左键执行，然后按ESC键退出此功能。

在“编辑”选项下，选择“线段”下的“运算”，分别对采空区顶底截面进行赋高程运算。

选择菜单栏中“实体模型”下的“创建三角网”的“在一个段内”，弹出对话框，选择体号1，三角网号1执行，点击空区顶底板截面线；在“创建三角网”的“两段之间”，同样选择体1网1执行，执行后的效果图见图1.

1.1.2 巷道建模

本次建模以-130 m巷道为例。CAD图中表示巷道的单线保存为-130 m巷道.dxf格式。在工具栏中的“设计”下的“地

下采矿工具”中的“由中线与断面行程巷道实体”，在输入断面线文件中输入巷道断面文件位置。本次断面采用三心拱巷道断面，在垂直约束打钩，点击执行，在工作窗口中，點击巷道中心线，便生成了该中段的巷道实体模型。-130 m中段巷道实体模型见图2.

1.1.3 地表建模

地表建模先要对地表地形图的等高线进行处理，在CAD中对等高线图层进行统一赋高程为0，已确保同样高程的等高线在统一高度，然后对标注相同等高线的线进行合并，完成合并后保存为等高线.dxf文件，导入Mapgis软件中；对等高线进行赋高程，在Mapgis中对等高线线条进行光滑处理，再进行抽稀，规定2点之间的间隔为5 m，执行完后再次保存为等高线.dxf文件。

在SURPAC的工具栏“DTM工具”中的“当前层创建DTM”，弹出对话框，点击执行，执行后的DTM模型见图3.

1.2 三维立体模型

逐步建立的某矿三维立体模型见图4.

2 采空区稳定性数值模拟研究

本次数值模拟采用ANSYS三维有限元数值模拟软件建立某矿各中段采空区、围岩的三维模型，然后导入到FLAC3D有限差分数值模拟软件中进行运算。

2.1 计算模型的建立

2.1.1 计算域与模型的离散化

采用ANSYS三维有限元数值模拟软件建立某矿各中段采空区、围岩的三维模型，建立计算模型。该模型共46 874个节点，280 376个单元，水平宽度、竖直高度、纵向深度分别为3 355 m、730 m和1 465 m，每个中段空区高度均统一设置为10 m，从上而下一共建立了8个中段。为了尽可能地观察更多的变形区域，除了已经形成空区的区域，同时还要观看空区附近围岩的变形情况，因此需对其附近一定范围内的围岩进行数值模拟。

本次数值模拟分2个工况：①把所有空区开挖掉，研究分析在空区全部形成的情况下某矿应力、应变分布情况；②根据现场的实际充填数据信息对数值模型中对应的空区进行充填，得到充填后某矿的应力、应变特征。

2.1.2 原岩应力场与模型边界约束条件

由于矿山缺乏地应力相关方面的试验和资料，所以无法直接获取地应力的信息。通过分析现场地压监测的数据，发现矿山最大主应力的方向几乎接近垂直方向，因此选取上覆岩层的质量近似的模拟原岩应力场。

数值模拟计算需要对建立好的计算模型设定边界条件。根据地下工程的实际特点，本次数值模拟的边界条件设定为混合边界条件。具体是在数值模拟计算时，固定模型的左右2面所有点X方向速度，固定模型的前后2面所有点Y方向速度，固定模型底部边界的X，Y，Z方向速度。

2.2 采空区稳定性数值模拟

2.2.1 相关简化及假设

本次数值模拟根据数值计算软件的特点并结合矿山实际，对计算模型的建立与计算过程进行了以下简化和假设：①矿岩类型均采用单一岩性。矿体模型不考虑不同成分及含量等对矿体力学参数的影响，围岩模型选取具有代表性的花岗质碎裂岩。围岩网格模型如图6所示。②将矿体和围岩视为均质且各向同性的理想弹塑性体，塑性流动并不改变材料强度及各向同性，体积保持不变。③岩层内部为连续介质。根据现场调查结果，区域内矿岩体完整性较好，无大的断层或破碎带，此处不考虑岩体中结构面、裂隙等影响。④不考虑地下水的影响。

2.2.2 各中段应力特征

在FLAC3D软件中定义好计算模型材料的参数，包括材料的密度、体积模量、剪切模量、黏聚力、内摩擦角等，然后进行开挖求解计算得到某矿的应力分布特征。图7、图8分别为-60 m中段俯视最大主应力云图和最小主应力云图。

通过对各中段的最大、最小主应力云图进行分析可得出以下主要结果和结论：①采空区的形态对应力的分布影响较大，应力集中部位大部分出现在采空区的边缘突出地带；②对比各个中段的最大、最小主应力的大小，可以看出各中段最大主应力随着深度的增加逐渐增大，最小主应力随深度的增加逐渐减小；③各中段采空区围岩的受力状态与中段采空区的分布、体积大小有很大关系——采空区分布越集中、体积越大，采空区的围岩受到拉应力作用的范围就会越大，发生受拉破坏的可能性越大。

2.2.3 各中段应变特征

采空区围岩的应变分布特征也是分析采空区稳定性的重要方式，采用FLAC3D软件可以对各中段的剪应变增量情况进行计算，从而得到各个中段中变形较大的区域。各中段的应变分布特征详见图9.

通过对各中段的剪切应变增量云图进行分析可得出以下主要结果和结论：①部分中段的应变相比模型围岩的区域还是较大并且连通性较好。这说明矿山局部中段的稳定性偏低。②应变大的区域与空区的大小和连通性关系密切——连通性越大，空区的体积越大，应变大小就相对越大；连通性越小，空区体积越小，应变就相对越小。

3 结论

利用SURPAC软件构建矿山三维空间立体模型，主要包括2部分的模型（即地表部分模型和地下部分模型）。地表部分构建出地表地形、各种建筑物、盘山道路等模型，地下部分构建出斜坡道、巷道、空区等模型。

采用FLAC3D数值计算软件对某矿采空区的稳定性进行了数值模拟研究。研究结果表明，整体上某矿采空区的稳定性级别不高，特别是矿山部分中段已具备发生一定规模地压活动的条件。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕