铝土矿山采空塌陷影响因素分析及颗粒流数值模拟研究

简永军

（中铝贵州分公司矿业公司，贵州 贵阳 550014）

地下矿产资源的大量开采，特别是一些无规划而混乱的乱采滥挖在地表以下形成了大量的采空区，这些空区的存在给地表塌陷提供了潜在可能性，从而使矿山开采条件的一度恶化，并对井上建筑物和生态环境形成重大威胁，给矿山安全生产造成了重大影响。对矿山采空区顶板稳定性进行评测分析研究十分重要。

1 概述

随着我国经济的快速发展，在铝土矿需求不断增加的同时，浅部铝土矿资源逐渐枯竭，铝土矿已由露天开采逐渐转入地下开采。我国的铝土矿大多以缓倾斜、倾斜，薄至中厚矿体为主。普遍存在矿体埋藏深度相对较浅、完整性和连续性较差、直接顶底板稳固性差、矿床水文地质条件复杂、多变等问题。上述问题导致铝土矿地下开采过程中，地表沉陷严重、频繁发生顶板冒落，严重威胁作业人员生命安全,安全保障程度低，为此如何对采空区顶板进行管理，控制地表沉陷、是目前我国铝土矿山一项重要的研究项目。

矿房矿柱的留设是为了支撑采场顶板，防止顶板下沉导致地表塌陷，而在大面积采空区中矿柱群的失稳是一个相当复杂的动力学过程，国内外相关专家及学者开展了大量的研究工作。采空区顶板稳定性评测方法有结构力学梁板理论、鲁佩涅伊特理论、核区强度不等理论、普氏拱理论等等，这些评测理论及方法都有各自的适用条件。之前的矿柱稳定性评判理论只能解决均匀分布的矿柱稳定性问题，但是在实际矿山中，矿柱的留设是根据矿山采场的地质条件布置的，大部分是不规整、不均匀和无序的。数值模拟方法对解决不均匀矿柱分布问题十分有效。离散元法可以描述非连续介质的运动过程，可以很好地解决矿山地表岩层整体坍塌和采空区失稳等困难问题，使地表坍塌全过程清晰再现。

2 PFC3D颗粒流模拟原理

PFC3D（particle flow code 3 dimensions）即三维颗粒流模拟程序。该软件是基于离散单元法对圆盘（PFC2D）和球形颗粒（PFC3D）介质的运动及颗粒间的相互作用进行模拟的软件。随着计算机技术的不断发展和相关矿柱稳定性理论的深入研究，数值模拟的准确性和可靠性得到很大提升甚至质的飞越，凭借其省钱、省力、省时及快速的特点，可在较短时间内对不同实验方案进行模拟，因此受到许多研究者的喜爱。颗粒流模型不限制球体大小数量，可用来模拟大位移、大变形、散体间的相互运动及碰撞问题及岩石裂隙繁育发展等问题。该模型主要解决的问题可以归结为以下几个问题。①岩石、土体及边坡中松散介质的流动问题。②地震及建筑倒塌问题。③散体的混合、运输问题。④蠕动、屈服、大变形等问题。⑤流-固耦合问题。⑥单轴、三轴抗压强度问题。

PFC3D数值模拟过程中作了如下的基本假设。①颗粒为圆形盘（二维）或球体（三维）。②颗粒单元为刚性体。③接触为点接触。④接触特性为柔性接触，颗粒之间的重叠量远远小于球体的半径。⑤在接触处有粘结强度。

3 铝土矿山采空区矿柱失稳的影响因素分析

采空区矿柱失稳将导致地表整体塌陷。井下矿体被采出形成采空区，上覆岩层初始平衡应力被打破，当上覆岩层应力超过所留矿柱所能承受的最大应力值时，矿柱发生破坏致使地表下沉，根据采空塌陷的形成机理，可以从以下几个方面评测采空区稳定性情况。

（1）矿块的长宽高。所设计的矿块尺寸直接影响到空区暴露面积，当空区暴露面积较大时，在上覆岩层荷载的作用下产生拉应力集中，当拉应力超过岩层自身强度后，顶板将发生大面积坍塌并发生到地表，致使形成采空塌陷。

（2）顶底柱及矿柱的留设尺寸及间距。由于铝土矿开采时直接顶板一般为粘土岩或铝土岩，该岩层稳定性较差，需留设矿柱和80cm～120cm矿体护顶。矿柱宽高比一般作为矿柱设计指标，宽高比越大，矿柱稳定性越好；矿柱间距设计应视采场顶板稳定情况而定，当顶板岩层稳定性好，间距可留设大些，否则矿柱破坏载荷将会传递给相邻矿柱，造成大面积垮塌。

（3）开采深度。不同开采深度岩层性质及厚度不一样，所受地应力环境也不同。采场顶板上覆岩层的厚度及重量是否满足岩层发生变形的要求，是衡量采空区是否稳定和、是否会发生局部坍塌和是否会波及到地表的重要条件。

（4）采场所处地质条件及围岩性质。节理裂隙、断层等地质构造对采空区的稳定性影响较大，若采空区处于节理裂隙发育的地段或被断层贯穿，就容易发生局部冒顶或大面积坍塌，致使发生地表塌陷。

4 数值模拟模型建立及分析

PFC3D数值模型是球形（圆盘）颗粒的集合体，其切向和法向刚度、摩擦系数、密度和半径等物理力学参数可以通过内嵌的fish语言设定。颗粒之间的连接方式有接触连接、平行连接和非接触连接三种，接触连接主要传递接触点的力；平行连接主要传递颗粒之间的力和力矩。颗粒物理力学参数主要根据矿山初步设计给出，如密度、坚硬系数和松散系数等，而其他参数通过模型的反复试验和计算得出，如抗拉强度、抗压强度、泊松比和粘结力等。本次模拟针对猫场铝矿，为了测出模拟所需的其他物理力学参数，从矿山选取具有代表性的岩石试件进行单轴实验。试验岩石试件选取的尺寸为10cm×25cm,与实际实验一致。经过参数的反复调试,通过不断地调整,最终使得单轴压缩强度与实验室实际测定值一致。由此,得到计算使用的细观力学参数。选取具有代表性也是危险性比较大的10#采场作为本次数值模拟的建模对象，模型长80m、宽40m、高120m，颗粒半径为0.3m～0.5m，共生产球体颗粒19617个，通过初始应力场让模型内球体颗粒自动平衡。计算结果表明，10#采场采空以后，矿柱能支撑一段时间，经过3000时步后，矿柱及顶板破坏并最终发展至地表。

5 结论

采空塌陷是采场回采结束后对采空区未进行充填遗留的隐患，也是铝土矿山时常发生的典型灾害之一，对矿山井下人员、设备设施、地表植被等皆会造成一定的危害，严重威胁到矿山安全生产工作。①对采空区进行稳定性评价应综合考虑矿块长宽高，矿房和矿柱尺寸及间距大小，开采深度，爆破震动、围岩性质及构造等因素得影响；②对于没有充填处理的采空区，顶板岩层经过一定时间的风化、爆破震动及潮解后，最终顶板及矿柱都会在某个时间发生破坏，最终发展至地表。③通过PFC3D颗粒流软件模拟方法对铝土矿山工程进行了模拟计算且评价采空区稳定性，结果表明与矿山采场实际情况较符，说明离散元法可以解决非连续介质、复杂的力学过程，对类似矿山的安全生产提供了一定的指导意义。