基于FLAC3D的四儿沟门金矿2#矿区采空区稳定性分析

卢 亮，张 宝，刘禄来

(1.西和县中宝矿业有限公司， 甘肃 陇南市 742100；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

基于FLAC3D的四儿沟门金矿2#矿区采空区稳定性分析

卢 亮1，张 宝2，刘禄来1

(1.西和县中宝矿业有限公司， 甘肃 陇南市 742100；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

根据四儿沟门金矿2#矿区采空区分布情况，运用AutoCAD和3DMine软件建立起了采空区三维可视化数字模型，共获得21个采空区，采空区体积共计19万m3。选择三维有限差分程序FLAC3D进行采空区稳定性仿真模拟计算，计算结果表明，采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生局部小范围脱落，采空区周围的矿柱稳定性都较好，发生采空区顶板大面积跨落的安全隐患很低，只需进行砖石封闭即可。

采空区； FLAC3D；稳定性；数值模拟

0 引 言

四儿沟门金矿为地下开采矿山，共有5个生产水平。矿山采用平硐+斜井+竖井联合开拓，现阶段采用无底柱浅孔留矿法回采矿体。1 m3铲运机在进路铲运矿石至溜矿井，再由矿车装矿，电机车牵引矿车至井底车场，最后提升至地表。

矿区内矿体、围岩均比较软弱，稳固性较差，后期断裂发育，坑道掘进时，一般需支护。矿体顶板f系数为7，矿体均值为7，底板为8。矿岩体重2.60 t/m3，矿岩松散系数1.5。该块段水文地质条件简单，地表允许陷落。

四儿沟门金矿2#矿区无底柱浅孔留矿法设计的采矿贫化率为10%、损失率为15%。在实际生产中，井下预留了大量的安全矿柱以保障安全开采，采矿贫化控制得比较好，但由此造成的矿柱损失却非常大，初步统计损失在20%～30%。

随着开采时间的增加，井下积累了大量的采空区，采空区稳定性整体在降低，给安全生产管理带来不小的影响。目前，急需了解井下采空区的分布情况，计算采空区的稳定性状况，以判断采空区是否存在安全隐患，对井下生产有影响程度，指导生产组织和安全管理工作。

1 采空区调查

1.1 采空区调查及三维建模

总体来说，四儿沟门金矿2#矿区井下管理严格，采场在回采过程中预留的安全矿柱均保存比较完整。顶底柱厚度平均为6 m，个别区域约为5 m。除1040 m中段108892采场与1080 m中段的顶柱已塌落外，其他采空区上下、左右、前后贯通现象不明显。因此，采空区形态总体比较规整，采场塌方、冒落现象不多。

通过查看每月采场验收图、采空区剖面投影图、矿体赋存状态、技术人员描述，按资料准确度和完整性，采用3DMine软件的相关实体建模功能生成三维模型，建模步骤如下：

(1) 采空区资料分类：首先，按照准确度与完整性对采空区调研资料进行分类。简单可划分为四类：每月采场验收图、采空区剖面投影图、矿体赋存状态、技术人员描述。

(2) 直接生成三维模型：当采空区原始资料准确、齐全，如每月采场验收图都保存齐全时，可直接采用3DMine软件的相关实体建模功能生成三维模型。

(3) 综合生成三维模型：当采空区原始资料并不是齐全，如只有一两月采场验收图时，参照采空区剖面图、矿体赋存状况，生成三维模型。

(4) 综合生产技术人员对采空区采高、顶底柱和间柱保存情况的描述，对采空区三维模型进行修正处理。

综合利用四儿沟门金矿2#矿区采空区资料，运用AutoCAD和3DMine软件建立起了采空区三维可视化数字模型，准确地获得了各中段采空区的实际边界和采空区形态等相关信息。采空区与地表模型复合三维模型如图1和图2所示。

图1 四儿沟门金矿2#矿区采空区三维空间模型

图2 四儿沟门金矿2#矿区采空区+地表三维空间模型

1.2 采空区分布情况统计分析

根据采空区三维数字模型，四儿沟门金矿2#矿区共建立有21个采空区，采空区体积共计19万m3。

通过统计分析，发现矿山采空区走向上分布比较集中(如图3、图4所示)，主要集中在88～92勘探线范围，其约占总采空区体积的63%；各生产水平采空区分布也相对集中，主要在1040，1080 m中段分布比较多，约占总采空区体积的58%。

一般来说，采空区集中的地段，其稳定性相对较差。因此，采空区相对集中的区域是判断采空区稳定性状况的关键位置，应作为重点分析对象。

2 采空区稳定性分析

2.1 采空区稳定性分析方法

地下采空区稳定性分析与评价是一个非常复杂的动态灾害系统工程问题研究过程。比较常用的分析方法有：概率危险性分析法、模糊安全分析法、神经网络分析法、事故树分析法、灰色层次分析法、Mathews稳定图分析法、数值模拟分析法以及工程经验类比法等。

三维有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是目前应用最广泛的岩土模拟分析软件。该软件采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。该法是将研究对象划分成网格，物理网格映射在数学网格上。对于网格中的结点，假设某一时刻各个结点的速度为己知，根据高斯定理可以求得单元的应变增量，然后由材料的本构关系求得单元的应力增量以及全应力。采用该方法求解时，要求介质在变形过程中连续。由单元应力可以求得各结点上的不平衡力，进而求得结点在不平衡力作用下产生的加速度和速度，由速度再求得下一时步的单元应变和应力。如此循环直至问题收敛，最终获得模拟计算结果。

2.2 采空区稳定性状况

根据FLAC3D软件计算结果，选取了90线和97线两个采空区集中的关键剖面进行采空区稳定性分析。

2.2.1 90线剖面采空区稳定性

90线剖面的最小主应力、最大主应力、竖向位移和塑性区分别如图5～图8所示。

从图中可以发现，下部几个中段采空区间顶柱出现拉应力区，最大拉应力为1.57 MPa；采空区上下盘出现压应力集中，最大压应力在15.1 MPa范围内；采空区上下盘围岩位移量较小，最大位移值小于2 cm。该剖面线位置采空区附近主要以剪破坏为主，剪破坏比较零散。

因此，90线剖面附近采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生脱落，但影响范围较小，采空区塑性破坏范围较少，对采空区整体稳定性影响不大，总体稳定性较好。

图3 四儿沟门金矿2#矿区采空区沿走向分布

图4 四儿沟门金矿2#矿区各生产水平分布

图5 四儿沟门金矿2#矿区90线最小主应力分布

图6 四儿沟门金矿2#矿区90线最大主应力分布

图7 四儿沟门金矿2#矿区90线竖向位移分布

图8 四儿沟门金矿2#矿区90线塑性区分布

2.2.2 97线剖面采空区稳定性分析

97线剖面的最小主应力、最大主应力、竖向位移和塑性区分别如图9～图12所示。

从图中可以发现，下部几个中段采空区间顶柱出现拉应力区，最大拉应力为0.71 MPa；采空区上下盘出现压应力集中，最大压应力在8.24 MPa范围内；采空区上下盘围岩位移量较小，最大位移值小于2 cm。该剖面线位置采空区附近以剪破坏为主，剪破坏比较零散。

因此，97线剖面附近采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生脱落，但影响范围较小，采空区塑性破坏范围较少，对采空区整体稳定性影响不大，总体稳定性较好。

图9 四儿沟门金矿2#矿区97线最小主应力

图11 四儿沟门金矿2#矿区97线竖向位移分布

图12 四儿沟门金矿2#矿区97线塑性区分布

2.3 采空区安全隐患辨识

根据上述采空区比较集中地段的关键剖面进行稳定性数值模拟计算结果分析，可知采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生脱落，但影响范围较小，采空区周围的矿柱稳定性都较好，基本未发生塑性破坏。总体来说，四儿沟门金矿2#矿区采空区稳定性较好。

因此，由于采空区周围矿柱稳定性好，该矿区采空区不存在发生大规模冒落的危害。即使在井下爆破震动等因素的强烈扰动下，发生采空区大面积顶板跨落的可能性总的来说较低。局部的采空区顶部小范围冒落，不会造成冲击波危害。

据此，只需对这些采空区进行砖石封闭即可，以防人员误入，造成伤害事故。

3 结 论

(1) 根据四儿沟门金矿2#矿区采空区资料，运用AutoCAD和3DMine软件建立起了采空区三维可视化数字模型，共建立有21个采空区，采空区体积共计19万m3，准确地获得了各中段采空区的实际边界和采空区形态。通过统计分析，发现区内采空区走向上分布比较集中，主要集中在88～92勘探线范围，其约占总采空区体积的63%；各生产水平采空区分布也相对集中，主要在1040，1080 m中段分布比较多，占约总采空区体积的58%。

(2) 选择三维有限差分程序FLAC3D进行采空区稳定性仿真模拟计算，并选取了90线和97线两个采空区集中的关键剖面进行采空区稳定性分析。根据模拟计算结果分析，可知区内采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生脱落，但影响范围较小，采空区周围的矿柱稳定性都较好，基本未发生较大范围的塑性破坏。

总体来说，由于采空区周围矿柱稳定性好，该矿区采空区不存在发生大规模冒落的危害，四儿沟门金矿2#矿区采空区稳定性较好。井下爆破震动等因素的强烈扰动下，发生采空区顶板大面积跨落的可能性还是很低，不会引发冲击波危害等安全隐患。因此，对于区内采空区只需进行砖石封闭即可，以防人员误入，造成伤害事故。

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卢 亮(1980-)，男，山东莱州人，助理工程师，主要从事采矿工艺和安全管理方面研究，Email:luliang20110831@163.com。