基于评价理论及多软件联合建模的采空区稳定性分析与应用*

王路遥，蒋腾龙，潘承武，段志伟，贤梁明，陈庆发

基于评价理论及多软件联合建模的采空区稳定性分析与应用*

王路遥1，蒋腾龙1，潘承武2，段志伟2，贤梁明2，陈庆发1

(1.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004；2.中信大锰矿业有限责任公司大新锰矿分公司，广西 崇左市 532200)

为更好地规避事故，需对采空区危险性进行分析评价。以大新锰矿工程地质条件为基础，建立三维数字模型，结合模糊综合分析评价理论与数值模拟研究手段，对采空区危险性进行了系统地分析与评价。结果表明：+280，+340，+380与420 m中段的两端采空区为不稳定区域，可能发生塌陷、冒顶等地质灾害。

采空区;模糊综合评价;数值模拟;稳定性分析

伴随着我国科技水平和生活水平的提高，安全意识在各个领域受到越来越大的重视，尤其采矿是相对高风险的行业，减少矿山事故的发生意味着更高的收益和更大的潜在价值。矿山的采空区相对其它区域安全性较低，其不确定性和隐蔽性值得学者深入探究其危险性，以便排查隐患规避风险，有助于矿山开采的持续推动。

本文从模糊综合评价、数值模拟两个角度解决大新锰矿的采空区危险性问题，将其不确定性和隐蔽性考虑在内并进行分析，进而得出采空区稳定性结论。

1 模糊综合评价模型计算理论

模糊综合评价模型的理论基础建立在模糊数学这一新兴学科之上，它是解决许多界限不清楚问题的一种常用工具[1-4]。由于采空区的危险性由多个因素所决定，现有的评价方法在权重的分配上大都采用经验值或专家评分法，这样使评价结果具有较大的主观性。在对采空区危险性进行系统评价之前，应先理清采空区的各个特点。采空区的危险性与空区的各个方面都存在联系，是一个复杂系统，在采空区稳定性分析中尤为明显。

1.1 危险性评价指标的确定

（1）确定评价指标体系。确立个评价指标，即={1，2，3，…，O}。其中，指代影响采空区安全性的因素如水纹地质因素、矿山地质因素等评价指标。

（2）确立评价等级集合。设={1，2，3，…，A}评价等级集合与模糊子集对应。一般来说，评价等级取[3，7]之中的整数，其中指代对评价指标的隶属度评价。

1.2 单因素模糊评价权重确定

对于上述建立的评价系统，指标权重可采用改进的层次分析法来确定。具体步骤为：先将二级指标和三级指标进行相对重要度排序，排序方法为若干位专家分级指标进行评分；其次由排序结果构造出判断矩阵，步骤为：

如果两个指标顺序>，则有比较值1/（+1）；如果两个指标顺序，则两者的比较值为（+1）。所得矩阵为：

1.3 进行单因素模糊评价

1.4 确定模糊综合评价结果向量及得出评价结果

式中，b表示隶属度。

每一个事物被评价后都得到一个模糊向量，对结果向量进行分析，最终得出被评价系统的评价结果。

2 工程应用

复杂空区危险性评价是基于矿山现场调查进行的，具体评价对象为大新锰矿采空区中的一例空区进行的，因此选取大新锰矿西北地采中东部采区280-32#采空区为研究对象，即复杂空区危险程 度。

在大新锰矿采空区危险性评价中，依据模糊综合评价确立隶属度的基本要求以及对于上述建立的评价系统，由三位专家分级指标进行评分，构造出判断矩阵，各因素隶属度如表1所示。由式（2）得对应的判断矩阵为：

因此，水文地质因素、矿山地质因素、岩石性能参数以及其他特征因素的权重分别为0.0954，0.1991，0.4039，0.3015。

同理可得：

因此可以看出，该空区的危险度较低程度为0.3954，危险度一般程度为0.2889，危险度较高程度为0.3154。所以最终评价结果为大新锰矿西北地采中东部采区280-32#采空区危险性较低。

大新锰矿中部采区采空区的部分危险性结果见表2，最后得出大新锰矿中部采区的滞留采空区，其危险性较高，很可能会发生各种地质灾害，其中在+280，+340，+380，+420 m中段的两端空区规模庞大，为不稳定区域，很可能发生塌陷、冒顶等地质灾害；在这4个中段的中部，空区规模较小，个别空区体积小，相互独立，影响区域范围较小，为相对稳定区域。因此对于后期空区治理而言，+280，+340，+380，+420 m中段两端采空区应作为重点治理对象。

表1 复杂空区危险性评价指标隶属度取值

表2 中部采区采空区危险性评价部分结果

3 数值模拟

3.1 基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D模型的构建方法

基于3DMine-Rhino-ANSYS-FLAC3D构建大新锰矿采空区模型，该建模方法[5-7]是以专业地质建模软件3DMine为基础，以surfer软件和美国Robert McNeel & Assoc开发的Rhino造型软件为依托，将所构建的组合出ANSYS-workbench中可识别的犀牛表、矿体、空区和矿柱经过这些若干软件不同功能的联合以及各种不同格式的最终模型，借助ANSYS的强大建模能力，经过ANSYS-workbench中Extrude、Slice和Boolean等功能完成模型构建，最终利用Mesh功能进行模型网格划分，之后将划分好的模型经过一系列的转换导入FLAC3D之中，完成建模[8-10]。

3.2 中部采区数值模拟及结果分析

通过3DMine实体模型输出点信息，并用excel处理导入surfer软件进行差值，再通过犀牛软件读取生成三维立体模型，将生成数据导入ANSYS- workbench中构建实体模型并进行网格划分，如图1所示；最后利用haitang转换工具ANSYS TO FLAC3D导入FLAC3D，如图2所示。

图1 Workbench划分后网格模型

图2 导入FLAC3D的网格模型

以自重应力场作为模拟的初始应力场，执行开挖命令后形成+280，+340，+380，+420 m 4个中段采空区，其中27线采空区主应力云图、位移云图、塑性区剖面见图3~图8。

图3 27线采空区最大主应力

图4 27线采空区最小主应力

由图3~图8可以得出，矿房回采结束后，27线采空区应力、位移、塑性具有以下特点。

（1）由图3和图4可知: 27线矿块回采结束后，采空区顶底板岩层附近区域内的应力重分布。采空区上部覆岩局部出现拉应力，最大值为0.1 MPa；上下盘围岩应力向空区自由面转移，矿柱内出现了不同程度的应力集中分布区，最大压应力为8.68 MPa。虽然应力未达到极限强度，但受露天开采爆破扰动及F27、F28等断层的影响，使得空区稳定性大大降低，存在塌陷的可能。

图5 27线采空区Z方向位移云图

图6 27线采空区Y方向位移云图

图7 中部塑性区XY剖面

图8 中部塑性区XZ剖面

（2）由图5和图6可知，27线矿体开采结束后，采场围岩应力分布状态受到了扰动，矿体上、下盘区域由于弹性恢复以及自重作用，使其向暴露面方向移动，造成顶板下沉和底鼓变形。发生下沉区域主要集中在空区上部覆岩，下沉量最大值为6.25 mm，空区底鼓变形最大值为12.2 mm。空区上下盘围岩水平位移最大值为6.87 mm。

（3）由图7和图8可知，回采结束后，中部采区采场顶板和矿柱区域因受较大的剪应力进入塑性状态，且下部中段个别矿柱内塑性区已贯通，矿柱将最终丧失承载能力，不能满足安全要求。

4 结 论

（1）利用模糊综合评价确定了各评价指标在评价系统的重要程度，针对某一空区进行了危险等级划分，在一级模糊综合评价基础之上，进行二级模糊综合评价，最终判定+280，+340，+380与+420 m中段采空区危险等级较高，应为重点治理对象。但有些问题还需进一步研究，如采空区的影响因素和影响因子需要如何选取，以及人工评分与实际存在差异尚未解决。

（2）以大新锰矿中部采区、西北采区和西北地采为研究对象，在构建三维数值模型基础上，利用联合建模方法模拟计算得出该三部分采空区应力云图、位移云图和塑性区分布示意图；结果显示中部采区+280，+340，+380与+420 m中段空区稳定性较差，该区域域危险性较高，需进一步采用空区治理方案。

（3）对比分析了现有评价模型的特点及优势，从建模的复杂程度、建模的精确度以及建模结果的准确度构建了复杂空区模糊综合评价模型；将评价结果与数值模拟结果对比分析，两者相互佐证，最终得出矿山采空区稳定性概况，说明该方法可成为采空区危险性认识的一种途径。

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(2019-04-17)

王路遥（1994—），男，广西南宁人，硕士，从事非传统采矿工艺及安全等方面的研究，Email：534466260@qq.com。

陈庆发（1979—），男，河南郸城人，博士，教授，博士生导师，从事非传统采矿工艺与矿山岩石力学等方面的研究，Email：chqf98121@163.com。

广西自然科学基金联合资助培育项目(2018GXNSFAA13805).