1、*基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 8 0 4 0 7 9);福建省自然科学基金项目(2 0 1 9 J 0 5 0 3 9);国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治技术科技项目资助项目(h u n a n-0 0 1 0-2 0 1 4 A Q).基于G e o m a g i c-M i d a s-F L A C 3 D的采空区稳定性分析*陈绍民1,黄敏2,3,4,严鹏1,赵春山1,王强1,唐伟1(1.富蕴金山矿冶有限公司,新疆 阿勒泰市 8 3 6 1 0 0;2.江西理工大学 资源与环境工程学院,江西 赣州市 3 4 1 0 0 0;3.紫金(长沙)工程技术有限公司,湖南
2、 长沙 4 1 0 0 0 0;4.紫金矿业集团股份有限公司,福建 上杭县 3 6 4 2 0 0)摘 要:井下采空区稳定性分析是金属矿山常需面对的问题,采空区稳定性关系到空区周边开采的安全,对矿山安全生产、经济效益、社会效益等都起到至关重要的作用。从采空区现状调查出发,采用三维模型构建、理论计算及三维数值模拟对井下采空区稳定性进行了计算与分析,研究结果表明:在矿山开采现状条件下,对采空区进行了实地调查及三维激光扫描,切实掌握了各中段采空区的详细分布状况;采用G e o m a g i c软件对采空区模型进行了精确解译,并精简了模型三角面片,可快速统计采空区长、宽、高及体积等基本参数,同时为模
3、型构建提供了基础条件;采用理论计算及三维数值模拟两种方法对井下采空区稳定性问题进行了深入研究,并对井下采空区进行了稳定性安全分区分级。研究结果可为金属矿山采空区稳定性分析及采空区治理提供科学依据。关键词:采空区;稳定性;三维激光扫描;G e o m a g i c;M i d a sG T SN X;F L A C 3 D0 引言国内多数金属矿山在开采多年后,井下形成了大量的采空区,采空区分布范围广、稳定性情况不明,存在较大的安全隐患12。采空区的存在容易诱发井下采场或巷道等发生冒顶、片帮,甚至大范围垮塌,对井下工作人员及设备安全等造成严重威胁3。因此,需明确采空区的稳定性状况,进而针对性地制
4、定相关措施对采空区进行治理。在充分考虑工程实际的情况下,按轻重缓急的原则,综合采用“充”“撑”“封”“崩”等方式对采空区进行治理及灾害防治,有效遏制采空区产生的危害4。国内外学者对采空区稳定性做了大量研究工作,谢伟等5基于M a t h e w s稳定性图解法理论模型,结合矿山采空区现状,采用数值模拟法分析采空区各个区域的相关参数,做了主采空区的稳定状态评估,在某种程度上丰富了采空区稳定性分析方法。李杨等6采用层次分析法对影响岩体稳定性的各种因素进行权重计算,以影响较大的因素作为D-S证据理论的评判指标,进行治理后的岩体稳定性评价,取得了很好的应用效果。何荣兴等7基于正交设计和数值模拟方法,综
5、合分析单轴抗压强度、R Q D、节理面间距、地下水、泊松比、采空区高度、采空区面积、采空区埋深、采空区长宽比等9种因素对采空区稳定性的影响,对试验结果进行极差分析后确定采空区埋深、采空区面积、单轴抗压强度、长宽比是对采空区稳定性影响最为敏感的4个因素。何环莎等8通过模拟分析和对比研究,深入研究了矿柱形状和矿柱、采场两者稳定性之间的影响关系,结果表明:圆形矿柱稳定性好且回采率高,方形矿柱稳定性较好但回采率较低,其余形状矿柱稳定性均较差。王伟9综合利用多种评价分级方法及F L A C 3 D数值模拟方法,对某矿采空区形成过程及稳定性进行了分析,得出了采空区出现最大位移的具体位置。李强等1 0引入可
6、拓理论,采用改进AH P法对从多角度选取的1 2个指标进行权重确定、关联度计算,构建了基于改进AH P可拓理论的综合评价模型,并成功进行了工程实践。张驰等1 1通过数值模拟计算方法,对采场回采过程进行了模拟,重点分析了二步骤采场回采对一步骤采场采空区的稳定性影I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.003响。李文博等1 2研究了采空区
7、稳定性和临界扰动深度之间的影响关系,发现采空区稳定状态的临界条件为:竖直载荷影响深度刚好达到采空区裂隙带顶部界面。1 矿山工程概况国内某铁矿于2 0 0 8年投产,早期为露采,2 0 1 1年转入地下开采,开采范围为3#至1 0#勘探线,生产规模为2 0万t/a。2 0 1 4年,矿床1 0#勘探线以东有重大资源发现,之后开展技改工程,重新设计开采规模为1 5 0万t/a。2 0 1 5年1 2月,由于铁矿石价格低迷,矿山被迫停产停建,2 0 1 7年铁矿石市场行情好转,矿山开始复工复产。截止到2 0 2 1年底,矿山已开拓水平有8 5 0m、8 0 0m、7 5 0m、7 1 5m中段,其中
8、8 5 0m、8 0 0m、7 5 0m中段已回采结束,在8 5 0m、8 0 0m、7 5 0m、7 1 5m中段遗留有一定数量的采空区和巷道。采空区使得残留矿体以及采空区下部矿体安全回采工作存在较大的安全隐患。矿山下步回产的矿体位于采空区的下方,随着矿体开采工作的推进,井下采空区若不及时治理,可能会引发地表塌陷,导致大面积且突发性的垮塌事故,给地表及井下作业人员、机械设备等带来严重危害。因此,及时、安全、有效地进行采空区治理是矿山亟待解决的重要问题。2 井下采空区现状及三维激光扫描2.1 井下采空区现状为了切实掌握各中段采空区分布情况及现状,为后续空区稳定性分析及具体治理技术研究工作提供基
9、础资料,亟需对井下各中段采空区的体积大小、跨度、高度、数量进行现场勘查与实测。采用人工现场观测及三维激光扫描相结合的方式对采空区进行调查分析,目前该铁矿+7 1 5m+8 5 0m中段共有4 0个采空区,这些采空区曾因淹井泡水长达五年之久,2 0 2 0年矿山在+8 5 0m、+8 0 0m中段布置了阻波墙对采空区进行封闭隔离,其他中段采空区未做任何处理。调查过程中发现+8 5 0m及+8 0 0m中段采空区片帮冒顶现象较为严重,部分连接采空区的出矿进路两帮开裂、底板下沉。矿体上盘岩柱存在片帮、开裂现象,多数采空区的底板上存有一定数量的冒落矿岩。各中段采空区情况见表1。表1 各中段采空区情况调
10、查位置采空区数量/个采空区附近巷道情况+7 1 5m中段9围岩整体较完整,采空区受地下水影响较小。+7 5 0m中段9围岩整体较完整,部分采空区受地下水影响较大。+8 0 0m中段7围岩整体较完整,主运输巷道内存在冒顶片帮现象,采空区上盘间柱开裂,采区出矿进路两帮开裂,底板沉降。部分采空区受地下水影响较大。+8 5 0m中段1 5围岩整体较完整,主运输巷道内存在冒顶片帮现象,采空区间柱存在裂隙,采空区出矿进路存在沉降。部分采空区受地下水影响较大。2.2 井下采空区三维激光扫描受限于G P S信号传导和定位问题,国内矿山井下采空区探测工作多数以传统的全站仪测量为主,而对于蒙库铁矿床东矿段铁矿空区
11、实际情况而言,已有的技术手段都无法进行有效的测量,具体原因如下。(1)对于大采空区,如5 0m(高)1 0m(宽)1 0 0m(长)的采空区,全站仪和固定式扫描仪都面临有效架站问题,无法在具体中段或具体充填口位置进行架站测量,无法全面采集到空区整体轮廓。(2)固定式扫描仪采集的点云模型,将随着扫描距离的增大而产生衰减,长条型的空区模型,在架站的另一端点云就已经非常稀疏了,甚至出现点云模型丢失的情况。(3)通过频繁改变架站位置得到的点云数据,最后在数据处理时将会有较大额外工作量且数据成果不直观;而使用全站仪更无法得到三维数据。(4)频繁移动位置进行架站,将会延长现场作业时间,设备和人员在空区范围
12、内长时间停留,无疑会带来更大的安全隐患。鉴于以上情况,公司引进矿山三维数据采集新技术 G e o s l a m移动三维激光扫描技术,对井下采空区进行精细化扫描探测。G e o s l a m是国际上最早推出基于S L AM技术的三维激光扫描仪的厂家,与其他基于S L AM技术的激光扫描仪类似,其设备采用单线或多线激光探头,与其他S L AM激光扫描仪技术最大的不同是其拥有专利的旋转探头扫描技术,通过旋转扫描仪探头,避免了探头固有的3 0 测量场角的弊端,使得测量范围提升为3 6 0,从而实现了无死角扫描。此技术创新有效地解决了地下矿井巷道狭窄,转弯多的44采矿技术2 0 2 3,2 3(2)
13、测量弊端,解决了联络巷、天井等局部测量的需求,是目前市场上较好解决了上述测量问题的设备。G e o s l a m公司提供两种测距扫描仪:基于单线激光探头测距为3 0m的Z E B-R E V O扫描仪和基于多线激光探头测距为1 0 0m的Z E B-H o r i z o n扫描仪。因本次扫描的空区高度多数超过5 0m,因此,选用Z E B-H o r i z o n扫描仪。S L AM技术1 3能够实现待测空间、扫描仪位置和运动轨迹三者在移动过程中的同步定位。该技术的优点如下。(1)便于人工携带和转移。扫描仪不需要G P S和G N S S等硬件模块,体积小,重量轻。(2)复杂空间测量效率
14、高、碎部轮廓精度高。移动扫描技术避免了传统测量手段和技术中由于激光通视原因导致的远距离测量点云离散、空间遮挡等弊端。(3)操作简便、作业时间短。扫描仪省略了架站、对中、整平等繁琐的操作步骤,极大地减少现场作业时间,从而降低了安全风险。原始采空区及巷道点云如图1所示。图1 采空区及巷道点云G e o m a g i c是一款非常强悍的3 D扫描分析软件,也是最广泛的逆向处理软件之一,无缝支持所有主要扫描仪和便携式C RM,可对点云数据实现多边形模型、网格及曲面的快速构建。因此,将点云成果在G e o m a g i c里进行模型封装,并统计模型长、宽、高及模型体积。转换后的模型如图2所示。最终扫
15、描后的采空区总体积约为5 9万m3,空区整体倾向为2 1 0 2 4 0,倾角为8 1 8 5,调查的采空区空间分布如图3、图4所示。3 采空区稳定性分析国内某铁矿井下开采采矿方法主要为分段空场法、浅孔留矿法,开采过程中留设顶柱,由于采空区数量较多且体积普遍较大,其留下的采空区稳定性图2 采空区模型图3 整体采空区及巷道点云图4 采空区及巷道模型主要由顶板稳定性及侧帮稳定性控制,当采空区顶板及侧帮的暴露面积过大时,顶板及侧帮将会失稳,可能产生采场冒顶、片帮或整体筒状冒落。针对当前采空区现状,为保证矿山安全生产,防止采空区失稳诱发的灾害性地压活动,亟需对其采空区稳定性进行分析与安全分级研究,从而
16、指导矿山安全回采矿体及采空区治理工作。本次研究工作是在工程地质调查、岩体质量评价、三维模型构建等研究成果的基础上,结合矿山采空区现状,采用M a t h e w s对采空区顶板及侧帮进行稳定性计算分析,同时采用数值模拟方法对井下采空区整体稳定性状况进行三维模拟仿真计算。3.1 基于M a t h e w s的采空区稳定性理论计算M a t h e w s图解法在加拿大矿山设计中已经成为空场法采矿设计的工业标准,该方法在澳大利亚的矿山中也有较为广泛的应用。M a t h e w s图解法以稳定系数N和形状因子或水力半径HR为计算基础:54陈绍民,等:基于G e o m a g i c-M i d a s-F L A C 3 D的采空区稳定性分析=Q ABC式中,N 为M a t h e w s稳定性系数;Q 为修正的Q值;A为岩石应力系数;B为节理方位系数;C为重力调整系数。各采空区稳定性理论计算结果见表2。表2 各采空区稳定性理论计算结果(篇幅有限,仅列出部分结果)采空区名称顶板稳定性状况侧帮稳定性状况采空区稳定性综合评判7 1 5 1无支护过渡区无支护过渡区无支护过渡区7 1 5 2