深部复杂采空区垮塌预判及三维探查

深部复杂采空区垮塌预判及三维探查
畅立峰
【摘要】某矿山进入深部开采，采空区周围的地质条件和地压条件更趋复杂，运
用空区精密监测系统（CMS）建立某采空区三维实体模型，结合其地质地压条件，运用数值分析软件对其进行数值分析。

分析结果表明，该采空区北帮地压显现特别突出，明显超出了围岩的自承能力，由此预判该采空区北帮将发生垮塌破坏。

对采空区进行二次探测，三维探查与垮塌预判结果完全吻合，验证了预判结果，为矿山安全隐患的提前预防提供了可靠方法。

%The geological conditions and pressure conditions of a deep mining mine were complex. The three-dimensional cavity model of the mined-out area was set up by using CMS,the numerical analysis software was used then based on the geological pressure conditions. The analysis results show that the pressure of the north slope of the cavity was obvious,and the surrounding force exceeded the bearing force of the surround-ing rocks,thus collapse damage of the north slope of the cavity might be happened at any time. The secondary detection and the three dimensional detection of the mined-out cavity proved this result. Therefore,this simu-lation method can provide a reliable prediction for the mine safety in advance.
【期刊名称】《辽宁科技大学学报》
【年(卷),期】2016(039)006
【总页数】5页(P476-480)
【关键词】采空区监测;数值分析;垮塌预判;三维探查
【作者】畅立峰
【作者单位】中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100161
【正文语种】中文
【中图分类】TD853
矿产资源的开采是促进我国经济发展的重要手段，而我国的矿产资源开发多为地下开采，地下矿山安全事故的产生很大程度上是由开挖形成采空区的垮塌造成的［1］，采空区的失稳破坏不仅成为地下矿山的安全隐患，同时也制约矿产资源的开采，因此，对地下矿山采空区的研究得到广泛重视。

采空区的探测技术较为传统的方法有高密度电法、重力勘探法、地震波法以及物探法等［2-4］。

张雪飞等人利用地震法和高密度电法实现对烟台福山铜矿地下采空区的勘测［5］；刘敦文等人在应对矿山复杂关联群采空区的问题上，将探地雷达和瑞雷波法相结合，成功应用于甘肃厂坝铅锌矿地下群采空区的探测中［6］。

但是这些方法只能大致判断采空区的范围，对于一些危险的或者无法进入的地下矿山，由于无法得到准确的探测信息，难以建立反应采空区真实情况的模型和三维形态，从而影响了对地下采空区的判断。

针对该问题，本文以采空区精密探测技术（Cavity monitoring system，CMS）为基础，运用矿业建模软件Surpac构建采空区模型，以数值分析软件FLAC3D为手段，实现对某深度开采矿山采空区的坍塌预判，为矿山的安全生产
提供依据。

某大型地下金属矿山已进入深部开采阶段，地质地压条件日趋复杂。

Sh-
650mmN1#S采场内的sh209a矿体主要赋存于D2tb和D3ta地层中，矿体形
态特征是上部规模较大，下部规模较小，分支复合，形态复杂。

上盘倾角约87°，
下盘倾角小于矿石自然安息角55°，矿体内多处有较大的D2tb废石夹层。

Sh-
650mN1#S采场设计范围有F3和F102等断层，其中F3是一条主要控矿的右平行逆断层，走向NE15°～25°，倾向105°～115°，倾角65°～85°，破碎带宽
0.1～2.5 m。

在该采场的北帮，存在明显的小断层f，断层中含有0.5 m的细沙粒状物质。

上下盘常见有牵引褶曲。

另外在地层中两种不同岩性的界面处，层间构造较发育，在围岩及矿体中发育了多组规模较小的构造，多数小构造破碎带较松散，个别小构造还有渗水现象。

2.1 CMS探测法工作原理
CMS工作的核心在于将能够实现激光测距的扫描头探入采空区，按照事先设定的
角度（1°～3°），通过扫描头360°旋转进行采空区第一周扫描，之后扫描头抬高
角度进行第二周扫描，如此反复直至扫描结束，CMS的基本工作原理如图1所示。

2.2 计算模型建立
利用CMS对Sh-650mmN1#S采场空区进行三维探查，得到的原始数据文件通
过预处理软件CMS PosProcess转换后导入Surpac软件，实现三维可视化建模。

建模流程如图2所示，三维采空区模型如图3所示。

在对采空区进行模拟时通常选取FLAC3D软件，或者将Surpac与FLAC3D相结
合进行数值模拟，但是Surpac块体叠加会造成采空区的形态失真，难以进行准确分析。

本文对采空区模型在横向每两米进行切剖面，然后将这些剖面重新连成实体模型，将节点和单元数据导入MIDAS软件中对其进行网格划分及分组等前处理，再导入FLAC3D中［7-8］建立的模型能够避免以往三维建模逼真度不高的问题。

网格模型如图4所示。

运用摩尔库伦模型［9-11］，采空区岩体力学参数见表1所示。

长沙矿山研究院
于2000年12月提供的采空区岩应力参数如表2，最大主应力方向与矿体走向基
本一致，垂直应力值接近于单位面积上覆岩的自重。

其中α为方位角，β为倾角。

根据测量的各主应力结果，将地应力的大小和方向进行坐标转换［12-16］
在模型的前后、左右和底边边界均以位移边界为零来约束，上边界施以岩层自重应力，同时考虑周边爆破震动等因素造成的非线性动力影响。

2.3 分析结果与垮塌预判
在图5的各个剖切图中，左边有结构面，是空区的北帮，结构面在北帮的下方，
右边为空区的南帮。

Sh-650mN1#S采场开挖形成空区以后，空区周围的地应力
发生了重新分布。

从图5a中可看出，空区的顶底板与两帮相交的区域受到很大的压应力，最高值达到3.22 MPa，超过了围岩的最大抗压强度3.2 MPa。

图5b中
显示拉应力最大值为1.0 MPa，出现在空区的两帮，在北帮附近表现的更明显，
受拉的区域比较大，而南帮受拉范围很小。

从图5c看，空区的位移变化不明显，但是从塑性区分析结果图5d可以看出，北帮围岩靠近结构面处的塑性区域比较大。

综合以上分析表明：采空区在开始形成到充填之前的这段时间内，周边的应力发生二次分布。

应力场进一步的释放，导致空区两帮的最大主应力过大，并且剪切破坏塑性区的分布明显出现在有结构面的一侧，即采空区的北帮，由此可以判定该采空区将发生垮塌破坏，并且垮塌区域会出现在采空区的北帮。

为了验证采空区垮塌预判的正确性，对Sh-650mN1#S采空区进行第二次三维探查。

探测结果表明，该采空区北帮发生了明显的垮塌，将垮塌后的模型垂直于采场长度方向进行剖切，得到垮塌后空区和初始空区的复合图，如图6所示。

将第二次三维探查得到的空区模型与首次三维探查得到的空区模型进行复合，并对垮塌体积进行布尔运算，得到北帮垮塌体积为1 706.90 m3。

而初始空区模型体
积为7 618 m3，北帮的垮塌量达初始空区的22.4%，垮塌十分明显。

三维探查结果表明，本文对采空区的垮塌发生及发生位置的预判都是完全正确的。

该分析方法能够提前预判采空区垮塌情况以及垮塌发生位置，从而为矿山的安全生产提供可靠地理论依据。

（1）对Sh-650mN1#S采空区进行三维探查，确定了初始空区模型，利用MIDAS软件对其进行网格的划分和分组，解决了FLAC3D软件在建模及网格划分等前处理方面的不足。

再用FLAC3D软件针对其复杂的地质地压条件建立数值分
析模型。

（2）数值计算表明，空区受到的最大压应力为3.22 MPa，受到的最大拉应力为1.0 MPa，其位移变化不明显，但剪切破坏塑性区的分布明显出现在有结构面的一侧，预判该采空区必将发生垮塌破坏，其最严重之处将是该采空区北帮。

（3）对采空区进行二次探查并进行经布尔运算，北帮垮塌量达初始空区22.4%，验证了该空区将会发生垮塌的预判。

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