大冶铁矿实测空区Surpac-FLAC-sup-3D-_sup-耦合稳定性评价_白欣.pdf

大冶铁矿实测空区Surpac-FLAC3D耦合稳定性评价 白欣 1 朱鹏瑞 2 万飞 2 姬智 2 （1. 邯郸学院机电学院， 河北 邯郸 056005； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要阶段空场嗣后充填法一步矿房采空区稳定性对于保障矿山安全生产至关重要。通过采空区精细探 测可得到采空区的准确形态， 在FLAC3D软件中将实测空区Surpac模型导入， 以大幅度提高空区稳定性分析的准确 度， 实现数字矿山的可视化。以大冶铁矿为例， 利用VS150仪器测得嗣后充填采矿法一步矿房回采的空区探测模 型， 通过相应的耦合程序， 将空区探测模型在FLAC3D软件中真实地展现， 将设计的矿体模型与实测空区模型复合， 精确得到了矿石回收率与贫化率指标， 矿体超采量为1 423.4 m3， 欠采量为1 413.3 m3， 矿房回采质量较高， 达到预期 效果。结合实际工程岩体力学参数， 分析了矿房开挖形成空区后的稳定性。经过现场工程验证， 证明了分析的正确 性， 空区Surpac-FLAC3D耦合分析方法具有较大的应用价值。 关键词空区扫描地质模型Surpac-FLAC3D耦合稳定性 中图分类号TU803文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-158-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901027 Stability Assessment of the Actual Measured Goaf Based on Surpac-FLAC3D Coupling in Daye Iron Mine Bai Xin1Zhu Pengrui2Wan Fei2Ji Zhi2 （1. School of Electrical and Mechanical Engineering， Handan University， Handan 056005， China； 2. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractIt is very important to ensure the safe production of the mine by keeping the stability of the goaf at one-step ore chamber with the stage open stope and subsequent filling . The exact shape of goaf can be obtained by accurately detecting of goaf. The Surpac model of goaf is imported into FLAC3Dsoftware， which is different from the simple regular shape of ore body model. This can greatly realize the accuracy of stability analysis and the visualization of digital mine. Tak⁃ ing a Daye Iron Mine as a case， the goaf detection model of one-step chamber stoping with subsequent filling was mea⁃ sured by VS150 instrument. The goaf detection model can be truly displayed in FLAC3Dsoftware through corresponding cou⁃ pling program. Also，the ore recovery rate and the ore dilution rate can be accurately obtained by combining the designed orebody model with the measured goaf model. The index shows that the overdraft of orebody is 1 423.4 m3， the undermining is 1 413.3 m3. A high-level recovery rate and an expected result have been achieved. At the same time， combining with mechan⁃ ics parameters of the actual engineering rock mass， the stability of the goaf after excavation of ore chamber was calculated. Ac⁃ cording to the field engineering practice， it is proved that this is correct， and the Surpac-FLAC3Dcoupled stability sys⁃ tem for the goaf is of great value in application. KeywordsMined-out area scanning， Geological model， Surpac-FLAC3Dcoupling， Stability 收稿日期2018-11-05 作者简介白欣 （1990） ， 女， 助教， 硕士。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 大面积采空区精细探测与稳定性控制技术是个 世界性难题， 探地雷达、 地震波法等虽然可以确定采 空区位置， 但是对于空区内部形态等信息无法获得， 不能有效指导采空区安全处理 ［1-4］。对于嗣后充填 法， 准确掌握矿房开采后的采空区形态， 不但可以准 确确定充填量， 指导充填工作， 还可以为矿柱安全回 采参数设计提供参考。因此， 对采空区实现精准扫 描和稳定性分析十分必要 ［5-9］。 大冶铁矿采用VS150仪器精准扫描310空区， 生 成实测三维Surpac模型， 并与设计模型进行复合， 得 到了精确的矿石回采贫损指标， 为下一步开采技术 方案改进提供了依据。同时通过Surpac-FLAC3D耦 158 ChaoXing 合并导入 FLAC3D软件， 赋参后进行计算以分析空区 稳定性， 通过分析， 大冶铁矿嗣后充填采矿法一步矿 房顶板与两帮控制较规整， 采空区稳定性较好， 能够 保障后续充填准备工作安全进行。 1工程概况 大冶铁矿狮子山矿区-180 m阶段共划分为19个 矿房和矿柱， 矿房与矿柱宽度均为15 m， 采用分段空 场嗣后胶结充填法开采， 阶段高度为60 m， 分段高度 为 13 m， 分为-120 m、 -133 m、 -146 m、 -159 m 及- 171 m 水平回采， 其中-171 m水平为出矿底部结构。 首采矿块为310矿房， 矿房长度为35～45 m。在310 矿房开采结束、 采空区充填之前需要进行修筑挡墙、 滤水管铺设等工程， 其充填系统需要进一步完善。 在此过程中， 采空区需要依靠自身强度稳定至少3～ 6个月， 要保证采空区不出现大面积垮冒， 开展矿房 采空区探测与稳定性评价工作十分必要。 310矿房开采完毕形成空区后， 经过现场调查， 空区探测点选在-133 m水平出矿进路口， 如图1所 示， 其视野空间较好， 有利于仪器架设测量， 探测点 坐标为 （4 739.2 m， 6 917.8 m， 133.0 m） 。其它水平进 路被残存矿石及废石封堵， 仪器无法架设， 无法进行 探测。 2空区精密探测与建模耦合分析 2. 1VS150设备简介 VS150全称为Void Scanner 150， 译为空区扫描系 统， 是英国MDL研制的一款空腔自动激光扫描系统， 其功能是采集空间数据信息 （X、 Y、 Z坐标） ， 对于人们 无法进入的岩溶洞穴和采空区， 该设备可用于扫描 空域内部数据， 为矿山采矿规划和生产安全决策提 供数据， 可极大规避探测风险， 并保障探测精度， VS150现场空区监测情况如图2所示。 2. 2生成地质模型及后处理 采用VS150对矿房采空区扫描后， 此时扫描数 据为点云格式， 利用Surpac中点云生成实体命令将 探测数据进行三维实体化， 首先对采空区实体形成 直观形象， 以便于后续稳定性计算分析。同时计算 出空区较精确的体积， 为采用充填方式处理空区提 供依据。经过实体编辑与验证， 空区主视图、 俯视 图分别如图3、 图4所示， 并得到空区坐标范围如表 1所示。 图5和图6分别为设计矿体与空区体积复合的 前视图和采空区超采图。由图5与图6可知 开采结 束后， 采空区两帮及顶板较规整， 与设计边界复合情 况较好， 直观上超采与欠采现象并不突出， 这说明爆 破参数设计合理， 爆破技术较高。但在距-120 m水 平端部出矿口3.36 m处采空区顶板有 28.91 m 长存 在 少 许 超 采 ， 平 均 超 采 高 度 为 2.14 m， 体 积 约 928.01 m3。空区超采总量为 1 423.4 m3。 2019年第1期白欣等 大冶铁矿实测空区Surpac-FLAC3D耦合稳定性评价 159 ChaoXing 2. 3基于Surpac-FLAC3D耦合的空区稳定性分析 空区Surpac模型生成后， 若要转化成FLAC3D能 够运算的文件， 必须进行相应的后续处理， 本研究采 用多重转化法进行处理 ［10］。 进行嗣后充填法采矿时， 底部结构必定留有存 窿矿量， 此部分不能计算为欠采矿量， 因此只计算底 部结构水平以上的欠采矿量， 即取-159 m水平以上 进行计算。 计算欠采矿量的公式为 WN-Z-TF， 式中， W为欠采体积， m3； N为设计单元体积， m3； Z为 周边超采体积， m3； F为出矿进路， m3； T为探测空区体 积， m3。计算结果如表2所示。 先将Suprac模型文件转化为ANSYS文件， 通过 对ANSYS文件进行重新建模与划分网格， 再将其转 化为FLAC3D文件。 由于实测空区数据量巨大， 尤其是空区边界存 在大量微小的重复数据点。为了计算方便， 在Surpac 软件中对原矿体模型进行了边界固定距离点微小调 整， 如图7所示， 将实测矿体模型进行简化， 并对空区 边界实现光滑处理。对转化后的空区ANSYS文件建 立采空区 （即矿体） 、 上盘、 下盘分组， 根据工程实际 对不同分组的岩体参数进行了赋值。 大冶铁矿狮子山矿区围岩条件简单， 石英闪长 岩主要赋存于上盘， 大理岩则为下盘的主要岩体。 根据空区扫描坐标数据， 确定上下盘围岩的坐标范 围 ［10］。具体的物理力学参数见表3。 模型中的地应力基于大冶铁矿的实际地应力， 分别为 方向 SZZ 取自重应力，ggrav9.8 m/s 2； 方向 SXX取-180 m为3.5 MPa， 自北向南， 随深度按一定应 力梯度变化； 方向SYY取-180 m为4.8 MPa， 自西向 东， 随深度按一定应力梯度变化。模型中的边界条 件分为应力边界条件与位移边界条件， 均采用位移 约束 模型对称的Y-Z外侧面约束X方向位移； 2个 X-Z外侧面约束Y方向位移； 底部的所有节点都限制 了X、 Y、 Z方向上的位移。图8为生成的竖直方向初 始地应力场， 图9为开挖实测空区后的计算模型。 由于岩石的抗压强度比抗拉强度大很多， 故其 产生破坏的区域一般为拉伸破坏或剪切破坏。 FLAC3D软件中应力值为负值代表压应力， 正值代表 拉应力， 通过最大主应力云图可分析围岩中最有可能 发生破坏的区域； 塑性区是围岩可能发生破坏的一个 指标； 通过Z向应力云图可以了解开挖造成的竖向应 力重分布情况， 此外， 顶板与两帮位移变化也是围岩 稳定性评价的重要指标。在对模拟结果进行分析时， 2019年第1期总第511期金属矿山 160 ChaoXing ［1］ 可主要从3个方面进行， 即开挖后的应力场、 位移场 和塑性区分布。在分析计算结果时， 对计算模型可进 行二维截面切割， 并使截面尽可能穿过空区中心。 如图10所示， 矿体回采引起采空区上部顶板区 域围岩发生垂直位移， 底板处围岩移动方向与顶板 相反， 空区的最大位移均出现在顶板和底板中部， 并 向两侧以及远离采空区方向减小， 顶板位移大小为 2.02 cm， 指向空区， 底板位移为2.0 cm， 指向空区， 但 变形量均不大。采空区两侧围岩位移并不明显， 说 明矿柱变形很小。塑性区显示在采空区周围产生一 些塑性区， 整体面积不大， 主要集中在顶板和底部， 其中， 底部有较多的剪切破坏区， 顶板多处于拉伸状 态； 空区两侧塑性区很小， 结合位移充分说明两侧矿 柱保持在稳定状态。 矿房开挖引起顶板以及下侧区域围岩应力增 加， 并在顶底板的边角处有应力集中现象。顶板应 力呈现压力拱形分布， 拱脚分别出现在两端处。最 大主应力为9.74 MPa。最小压应力出现在顶板和底 板位置， 大小为1 MPa。 综合以上分析可知， 采空区顶板位移较小， 围岩 塑性区较小， 采空区整体处于非常稳定状态， 但应实 时关注空区顶板的动态。 3结 论 （1） 采空区三维激光扫描能够最大程度还原其 空间展布与形态， 通过与设计模型进行复合比对， 得 到超采矿量与欠采矿量等数据， 能够准确评价爆破 与开采的合理性， 对优化开采参数以及提高开采效 率大有裨益。 （2）Surpac建模软件与FLAC3D数值分析软件的 耦合能够充分发挥各自优势， 生成的计算模型能够 对空区边界真实再现， 此种不规则边界条件下的稳 定性计算结果较可靠。 （3） 大冶铁矿围岩较稳固， 经过数值分析计算， 空区处于较稳定状态。但由于岩体变形的非线性与 开采的持续性， 在充填准备的时间段内， 采空区顶板 很有可能会有零星甚至局部冒落， 空区体积与形态 均会发生较大改变， 并且影响到采空区顶板及矿柱 的应力状态， 应该实时关注。 参 考 文 献 Itasca Consulting Group Inc.FLAC3DVersion 3.1 Users Guide ［M］ . Itasca Consulting Group Inc.， 2006. 2019年第1期白欣等 大冶铁矿实测空区Surpac-FLAC3D耦合稳定性评价 161 ChaoXing ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 王清来， 许振华， 朱利平， 等. 复杂采空区条件下残矿回收与采 区稳定性的有限元数值模拟研究 ［J］ .金属矿山， 2010 （7） 37- 40. Wang Qinglai， Xu Zhenhua， Zhu Liping， et al.Finite element simu⁃ lation study on stoping of remnant ores and stability for complicated mine area ［J］ .Metal Mine， 2010 （7） 37-40． 张耀平， 曹平， 袁海平， 等. 复杂采空区稳定性数值模拟分析 ［J］ . 采矿与安全工程学报， 2010， 27 （2） 233-238． Zhang Yaoping， Cao Ping， Yuan Haiping， et al.Numerical simula⁃ tion on stability of complicated goaf ［J］ . Journal of Mining Safety Engineering， 2010， 27 （2） 233-238． 吴启红， 万世明， 彭文祥. 一种多层采空区群稳定性的综合评价 法 ［J］ .中南大学学报 自然科学版， 2012， 43 （6） 2324-2330. Wu Qihong， Wan Shiming， Peng Wenxiang.A comprehensive u⁃ ation about stability of polylaminate goafs［J］ .Journal of Central South UniversityNatural Science， 2012， 43 （6） 2324-2330． 寇向宇， 贾明涛， 王李管， 等.基于 CMS及 Dimine-Flac3D耦合技术 的采空区稳定性分析与评价 ［J］ .矿业工程研究， 2010， 25 （1） 31- 35. 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