地下金属矿山回采过程中的稳定性优化分析

欧阳治华 刘夏临 王纪鹏 李 苗

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

我国矿产资源丰富，开采历史悠久，地下矿山点多面广，特别是鄂东地区的中小型矿山，开采技术落后，大多采用空场法开采，加上安全保障措施不健全，导致地下形成大量的采空区。这将必然涉及到在已有大型的采空区作业面上进行采矿作业，由此带来的问题是:随着后期采矿作业诸如爆破作业等，势必会扰动已经应力平衡的岩体，造成应力的重新分配，在应力重分布的过程中，应力集中区域的高应力在释放应力的过程中很有可能发生坍塌、片帮冒落等危险，威胁矿山的安全生产。岩石力学问题通常无法用解析方法简单求解，相比之下，数值法具有较广泛的适用性，它不仅能模拟岩体的复杂力学与结构特性，也可方便地分析各种边值问题和施工问题，并对工程进行预测和预报［1］。

基于上述认识，本研究通过利用ANSYS三维有限元数值模拟软件，对湖北省大冶市正兴铁矿残矿回收过程中的危险采空区的稳定性进行数值模拟优化预测研究，将采矿作业对采空区的影响定量化研究，研究不同工况下对采空区稳定性的影响，旨在为矿山安全生产过程中采空区的稳定性给予科学的预测，同时结合声发射监测预警技术，为声发射监测布点提供科学依据，对矿山的残矿安全生产起到指导作用，并在实践中予以推广应用。

1 工程概况

大冶市华灵集团正兴铁矿位于湖北省大冶市灵乡镇宫台村，是该公司的主要矿山之一。该矿山进行了10余a的开采，目前已经采至－302 m水平。

由于矿山资源枯竭，最近几年对采空区边帮上的残矿回收使采空区进一步扩大，再加上没有科学规划，导致采场受到不同程度的破坏，应留的矿柱未留，形成了大小不等错综复杂的采空区。通过对该矿长期的声发射监测，显示正兴铁矿2号矿房－185 m水平采区的监测数据较活跃，存在着较大的安全隐患:其采空区规模已达到长约100 m，宽约30 m和高约30 m的巨大空区，只有1个半径为3.2 m左右的矿柱支撑;而且该水平的采空区向上有一部分与－169 m水平采空区采通，向下有一部分与－205 m水平采空区采通。这使得应力分布情况比较复杂，严重威胁着矿山的安全生产［2］。鉴于此，有必要专门对该水平(－185 m)的应力分布进行三维数值模拟，探究采空区的应力分布情况，结合声发射监测技术，在应力较大区域布置声发射监测点，为安全预警提供一定的参考依据，进而更好地指导矿山的安全生产。

2 有限元数值模拟分析

矿岩物理力学参数选取的合理性在一定程度上决定了数值模拟计算结果的可靠程度。通过现场踏勘取样，进行相关点荷载等试验分析，同时综合考虑矿岩的结构类型、完整程度、节理条件(粗糙度、间距)、岩样裂隙情况、地下水等条件的综合影响，经过换算(分别去掉最高值和最低值)，最后结合RMR分类和Q分类提供的参考值，其单轴抗压、抗拉强度取值应比试验所得岩石的单轴抗压强度适当减小等原则，确定矿岩的物理力学参数表1［3］所示。

表1 矿岩主要物理力学参数［4-5］

利用三维有限元计算软件ANSYS Workbench模块，基于对正兴铁矿的现场踏勘及矿方提供的各水平现状图，本预警研究建立了一个3D模型。本研究项目中，3D模型中定义X坐标轴指向正东方向，Y坐标轴指向正北方向，Z坐标轴为垂直方向，有限元模型范围的确定是基于圣维南原理，为了使应力的分布只影响附近的应力分布，计算模型的几何尺寸大致取为矿区开挖体最大尺寸的3倍到5倍，这样可以保证模型的周边应力状态为初始应力状态，最后确定的模型尺寸为1 800 m×1 200 m×600 m。模型的边界约束条件设置为在侧面为水平约束，模型的底部设置垂直约束。通过网格划分统计，模型单元网格划分后共计单元324 514个，节点总数593 307个，满足一般数值分析的基本要求。

3 计算结果及分析

图1、图2是正兴铁矿－185 m水平采空区的应力分布云图，图3安全系数分布云图。

图1 －185 m水平最小主应力

图2 －185 m水平最大主应力

图3 矿－185 m水平安全系数

计算结果表明，－185 m水平采空区顶板上下重叠部分有较大的拉应力存在，尤其是二井采区和三井采区之间的围岩和顶板部分，即位于三井－185 m采空区的西南角和二井－185 m采空区的东北角之间，这主要是因为该水平采空区上下空间位置有重叠，导致应力在重分布过程中出现局部应力集中现象，由安全系数分布云图也可以看出，这一区域的安全系数偏低。

4 设计优化模拟

设计探索是功能强大、方便易用的多目标优化及稳健性设计模块，实际工程中通常需要多个优化目标，以使得产品的总体性能较好，而不仅是某一项指标最好［4-6］。

对正兴铁矿－185 m水平二井采区单独建立三维有限元模型，利用Design Exploration中的实验设计DOE和响应面技术来描述设计变量和采空区稳定性之间的关系。考虑到二井采区预留有1根矿柱，回采主要是在满足安全的前提下对矿柱进行回采，而且随着采矿作业的进行，围岩的岩石力学参数必然会受到扰动影响而有所降低，所以该优化的设计变量选取为矿柱的半径R，围岩的抗压强度和抗拉强度，输出的优化参数为围岩顶底板的最大主应力，最小主应力和安全系数。

在目标驱动优化中，考虑到围岩的弱化折减及矿山实际的回采程度，在设计参数属性的表格里设置矿柱半径的接受范围是1.5～3.2 m，围岩抗压强度的接受范围是48～57 MPa，围岩的抗拉强度的接受范围是3.5～4.3 MPa，最后软件列出16种组合优化设计方案，研究重点探讨不同设计方案对采空区稳定性的影响，所以问题主要集中于采空区安全系数对设计变量的响应，至于对围岩体重的应力，也可以由安全系数反映到采空区的稳定性上，最终优化计算给出的结果如表2所示。

表2 矿优化设计最优响应结果

从该响应结果可以看出，随着后续的采矿作业，围岩应力的适当弱化是允许的，这也符合实际情况，但在回采过程中，为防止出现过度弱化造成的灾难性后果，必须采取响应的监测预防措施来保证工作区的安全。分析响应结果可知，该采空区矿柱直径最多只能回采1.9 m左右，尽管如此，考虑到安全系数只有1.57，仍处于比较危险的状态。

5 声发射监测应用

大量研究资料表明，材料在受力作用而发生变形或断裂时，产生的应变能以弹性波形式释放出的现象称为声发射(AE)，岩石承受的外载荷发生变化时，以能量形式释放出来［7-9］。岩石结构在破坏之前的能量释放的强度是随着结构的临近失稳而变化的，每一次声发射现象及微震的产生都包含着丰富的岩体内部状态变化的信息，通过对接收到的信号进行处理和分析，可将声发射参数作为评价岩体稳定性的依据，因此，可以利用岩体声发射现象的这一特点对围岩的稳定性进行监测，进而预测地下金属矿山围岩的塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地压现象。因此在回采过程中必须结合声发射监测，实时收集声发射信号，预防事故的发生。

监测设备为YSSC型岩体声发射监测仪。该声发射监测仪利用岩体声发射的特点，监测声发射的频度、强度、能量，为评价和预测岩体的稳定性提供依据。同时相对其他变形监测方法而言，声发射监测可提前获取信息，对预报岩体冒落等灾害性事故而言，提供了更多的宝贵防灾时间［2］。

基于上述有限元计算结果及Design Exploration的优化设计结果，在危险区域，即位于三井－185 m采空区的西南角和二井－185 m采空区的东北角之间布置声发射监测点，利用声发射检测仪对该区域进行监测，具体监测点布置如图4所示。

图4 －185 m声发射监测布孔

6 结论

(1)为了避免正兴铁矿－185 m水平采空区顶板和围岩的应力状态进一步恶化，严禁进一步扩大－185 m水平采空区，对矿柱的回踩最多只能在原来的基础上回采1.9 m左右，并且在矿柱回采过程中，必须同时对危险区域进行声发射监测，密切关注危险区域的声发射信号。

(2)正兴铁矿－185 m水平采空区的宽度方向及三井西南部与二井东北部之间的围岩状况还要加强现场踏勘和人工巡视。在三井采区的西南角和二井采区的东北角各增设1个监测点，监测该区域岩体中的声发射信号，预防发生安全事故。该方法已在实际中应用，实践表明该方法是有效的。

(3)通过对金属矿山复杂采空区条件下的有限元稳定性分析，结合有限元稳定性分析结果，利用Design Exploration的优化设计，可以较准确地显示采空区的危险区域以及影响采空区稳定性的定量判据，进而可采取有针对性的措施，以此更好地指导安全生产。这种分析方法，对于受地方经济驱动的中小型矿山的回采可以起到一定的借鉴作用。

［1］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京:科学出版社，2002.

［2］ 武汉科技大学.华灵矿业集团公司正兴铁矿采空区稳定性监测分析报告［R］.武汉:武汉科技大学，2012.

［3］ 肖 术，欧阳治华，汪青松，等.正兴铁矿采空区声发射监测应用研究［J］.有色金属，2012，64(2):84-88.

［4］ 欧阳治华，姚高辉.基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究［J］.金属矿山，2008(3):65-68.

［5］ 云 峰，袁宏成.岩体力学参数的估算［J］.西部探矿工程，2003，15(11):39-40.

［6］ 许京荆.ANSYS13.0 Workbench数值模拟技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［7］ 秦四清，李造顶，张倬元，等.岩石声发射技术概论［M］.成都:西南交通大学出版社，1993.

［8］ 王组荫.声发射技术基础［M］.济南:山东科学技术出版社，1989.

［9］ Rudajev V，Ibelm JV，Loka jecek T.Laboratory studies of acoustic emission prior to uniaxial compression cock failure［J］.Int JRock Mech Min Sci＆Geomech.Abstr，2000，37(4):699-704.