大新锰矿复杂空区群三维数值模型构建方法及胶结充填治理研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.851

大新锰矿复杂空区群三维数值模型构建方法及胶结充填治理研究

高远^,, 陈庆发^,, 蒋腾龙

广西大学资源环境与材料学院，广西南宁 530004

Research on Three-Dimensional Numerical Model Construction Method and Cemented Filling Treatment of Complex Cavities in Daxin Manganese Mine

GAO Yuan^,, CHEN Qingfa^,, JIANG Tenglong

College of Resources，Environment and Materials，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China

通讯作者: 陈庆发（1979-），男，河南郸城人，教授，从事矿山岩石力学和非传统采矿理论的研究与教学工作。chqf98121@163.com

收稿日期: 2019-04-19 修回日期: 2019-08-11 网络出版日期: 2019-12-20

基金资助:

广西自然科学基金联合资助培育项目“金属矿床协同采矿方法”. 2018GXNSFAA138105

Received: 2019-04-19 Revised: 2019-08-11 Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

高远（1983-），男，山东淄博人，硕士研究生，从事三维数字矿山研究工作gygxgjy2018@163.com , E-mail：gygxgjy2018@163.com

摘要

矿山岩土工程数值分析中研究复杂空区群三维数值模型构建方法对空区治理具有现实意义。为精确分析矿山地下工程围岩移动和应力变化规律，特别是不同采矿方法形成的复杂空区的稳定性和矿柱应力变化，提出了3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D多软件联合建模方法，解决了复杂空区群三维数值模型构建和大数量小尺寸矿房矿柱网格剖分问题。以广西大新锰矿矿体开采为案例，构建了留矿法与房柱法形成的采空区的三维数值模型，模拟分析空区的稳定性和决策胶结充填治理方案。研究结果表明：（1）大新锰矿留矿法开采的空区部分顶柱有垮落风险；（2）房柱法开采的空区部分矿柱变形大，有塑性破坏；（3）对于胶结充填留矿法的空区，隔一充一充填方案治理效果更好，在治理初期地表沉降更小。

关键词： 空区群建模 ; 数值模拟 ; 空区胶结充填治理 ; 3DMine ; FLAC3D ; 留矿法采空区 ; 房柱法采空区

Abstract

In the numerical analysis of mine geotechnical engineering，it is of practical significance to study the construction method of 3D numerical model of complex cavities for the treatment of cavities.The pre-processing ability of geotechnical engineering simulation software is poor，and the current modeling method can’t well build complex geological body numerical model，and cannot fine divide the grid，resulting in the difficulty and work intensity of geotechnical engineering researchers in the early stage of modeling.In order to accurately analyze the law of surrounding rock movement and stress change of underground engineering, especially the stability of complex goaf formed by different mining methods and the stress change of ore pillar，the paper proposed and improved the 3DMine-surfer-rhino-ANSYS-FLAC3D multi-software joint modeling method.The method can solve the problems of 3D numerical model construction of complex goaf group and mesh generation of large number and small size ore pillars.The paper also described the specific modeling steps.The complex cavity group model constructed is closer to the reality，including the undulating form of surface DEM and more refined mesh of cavity and pillar model. At the same time，the total number of model grid elements is reduced，and the grid size of local key research areas can be adjusted according to the needs，so as to improve the accuracy of the calculation of key areas and accurately describe the stress change of ore pillars.This modeling method can be used to flexibly control the sequence excavation of different layers，stages and chambers of the layered ore bodies，and can be used to simulate the production sequence according to the engineering design at the early stage or the actual engineering production sequence at the later stage，so as to find a safe and reasonable mining production plan.A three-dimensional numerical model of goaf formed by shrinkage stoping method and chamber and pillar method was established by taking the mining of manganese ore body in Daxin mine of Guangxi as an example. Research results show that：（1） The Daxin manganese ore of shrinkage stoping method in mining area，empty part of the needle deformation is large，there are risks caving，the surface subsidence deformation is high;（2） The method of room and pillar mining zone，part of the pillar plastic failure，the surface subsidence deformation amount is larger;（3） Method of shrinkage stoping with cemented filling empty area：Fill in the blanks by stage filling area，after filling in the fourth stage，the surface settlement decreased significantly.In the vertical and vertical consolidation filling scheme，after filling one ore chamber with two ore chambers，the surface subsidence is smaller than that before filling，and the area with large subsidence becomes discontinuous. In the scheme of filling one ore chamber with another ore chamber，the surface subsidence deformation is one order of magnitude lower than the former two schemes，and the area of deformation area decreases and the continuity decreases.Among the three filling schemes，the one-filling and one-filling schemes have better governance effect，and the surface is more stable at the initial stage of governance.

Keywords： cavities modeling ; numerical simulation ; cavities consolidation and filling treatment ; 3DMine ; FLAC3D ; goafs of shrinkage stoping method ; goafs of room and pillar mining

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本文引用格式

高远, 陈庆发, 蒋腾龙. 大新锰矿复杂空区群三维数值模型构建方法及胶结充填治理研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 851-861 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.851

GAO Yuan, CHEN Qingfa, JIANG Tenglong. Research on Three-Dimensional Numerical Model Construction Method and Cemented Filling Treatment of Complex Cavities in Daxin Manganese Mine[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(6): 851-861 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.851

随着高性能计算机的普及和三维建模技术在各学科的交叉化发展，数值模拟技术不仅仅局限在航空航天、机械和材料等学科领域，也广泛应用于矿业领域。矿业领域诸多工程难题都可以借助三维数值模拟技术辅助解决，例如矿床地下水治理、边坡稳定性分析、爆破方案选择和物探找矿等。矿山空区群具有隐伏性强、空间分布规律不明显等特点^[1]，因此采空区治理可以借助数值模拟软件进行辅助分析。

矿山三维数字模型是三维数值模拟必要的数据基础，可以快速实现三维CAD向三维CAE的数据流通。过去我国学者进行三维地质建模时采用的软件主要是国外企业研发的Micromine、Surpac和Datamine等软件。我国科技企业在21世纪初成功开发出能够集数据库管理、信息可视化、交互操作、地质分析和工程设计于一体的三维矿业软件，如3DMine和Dimine；目前岩土工程和矿业工程领域运用最多的数值模拟软件有FLAC3D、Abaqus、ANSYS、MIDAS、ADINA和3DEC等，其中FLAC3D在岩土工程模拟中的应用较为广泛，但其前期建模能力较弱，较难构建符合工程实际的大型复杂地质体或复杂空区群三维数值模型。

学者们针对上述问题开展了相关研究，目前实现建模的方法主要有3类：第一类是以矿业软件的块体模型实现建模。一些学者通过Surpac、Dimine、3DMine软件将块体模型引入到空区建模当中^[2,3,4]。此类建模方法的缺点是地表、岩层和空区分界面不光滑连续。第二类是利用Fish语言命令建模。崔芳鹏等^[5]通过FLAC3D内嵌Fish语言，编制了可用FLAC3D直接读取Surfer软件数据的程序；闫长斌等^[6]、刘德峰^[7]直接用Fish命令流建模进行空区稳定性模拟分析。此类建模方法的缺点是Fish语言建立复杂模型时工作量巨大。第三类是以三维CAD和CAE软件为中转工具实现建模。郑文棠等^[8]结合AutoCAD和FLAC3D构建了复杂边坡三维地质可视化和数值模型；廖秋林等^[9]通过分析FLAC3D与ANSYS单元数据关系，运用VB语言编写了FLAC3D-ANSYS接口程序；马新根等^[10]通过Kubrix插件实现了Rhino3D模型与FLAC3D的对接；李翔等^[11]利用Surpac、AutoCAD和ArcGIS等软件生成地质体网格点坐标，并经ANSYS软件网格化后构建了FLAC3D数值模型；王树仁等^[12]利用MATLAB编写MIDAS/GTS-FLAC3D的接口程序，实现了模型从MIDAS/GTS到FLAC3D的转化；罗周全等^[13]、王敏等^[14]在此接口程序的基础上建立了较复杂的地表和空区模型。此类建模方法应用最广泛，优点是建模难度小，模型精度较高。

类似上述多软件联合构建三维数值模型的方法较多^{[15,16,17,18,19,20,21,22]}，但仍然存在构建的数值模型与真实地质体赋存产状偏差大，网格质量不高无法剖分小尺寸矿房矿柱，以及工程设计实施过程与数值模拟过程差异大的问题；局部关键研究区域只能用少数甚至一个网格单元简单描述，因此影响了数值模拟的准确性。为精确分析矿山地下工程围岩移动和应力变化规律，基于3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D多软件联合建模方法，构建了大新锰矿复杂空区群模型，解决了复杂空区群三维数值模型构建和大数量小尺寸矿房矿柱网格剖分问题。实现了数值模拟与工程设计实施过程的精确对应，达到对留矿法和房柱法开采空区围岩移动规律、应力变化规律及胶结充填治理等的仿真模拟。

1 大新锰矿工程概况

中信大新锰矿是我国已探明锰矿储量较大的矿山之一，截至目前所开采的矿石总量达4×10⁶ t。与此同时，该地区形成了体积约为1.419 $×$ 10⁶ m³的空区群，大量空区群的持续累积，成为阻碍大新锰矿可持续发展的主要难题，影响着矿山的安全和经济效益。面对潜在空区隐患，亟需对大新锰矿中部采区、西北地采采区和西北采区3个区域空区群进行治理研究。空区群的稳定性分析以及胶结充填模拟对于大新锰矿空区治理研究具有指导意义。

大新锰矿为超大型锰矿床，由原生沉积碳酸锰矿和次生氧化锰矿组成，共有3个锰矿层（编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），整个矿床为近EW走向，向西隆起的向斜构造，锰矿层围绕隆起端及南北两翼分布，东西长9 km，南北宽2.0~2.5 km，矿体埋深为0~435 m。Ⅰ矿层厚0.50~3.23 m，Ⅱ矿层厚0.60~5.05 m，Ⅲ矿层厚0.50~3.13 m。3层矿体间有2层厚度约为1 m的夹层。矿体顶板为硅质岩，呈层状产出，节理裂隙十分发育；底板为泥质灰岩夹少量泥灰岩或钙质泥岩、硅质岩。

中部采区为地下主要生产矿体，矿体较厚，陡立或呈急倾斜状，采用留矿法进行开采；西北采区和西北地采采区为急倾斜、缓倾斜薄矿体，矿体产状变化大，轴向偏转，褶皱复杂且断裂较多。西北采区采用房柱法进行开采，西北地采采区急倾斜矿体采用留矿法进行开采，缓倾斜部分采用房柱法进行开采。一般将Ⅰ、Ⅱ矿层合并开采，Ⅲ矿层单独开采。

目前，中部采区已形成4个阶段水平60余个矿房空区，其中单个矿房空区长约60 m，间柱距离为8 m，顶底柱厚4 m。中部采区的上部空区已有危险征兆，地表出现局部沉陷，若继续向深度开采，将直接危害作业人员和井巷工程安全；西北地采采区采用房柱法开采形成了两层空区，走向长350 m，宽160 m，中间留有不规则点柱数百个，地表也形成了塌陷区；西北采区则兼有2种采矿方法遗留的空区。模拟分析3个采区的空区群，必须建立与矿体产状、实际工程开采现状准确对应的模型，特别是大量不规则点柱破坏需要更复杂的网格描述，这是空区群治理分析的前提，也是难点。

大新锰矿3DMine三维矿体与采空区模型赋存状况如图1所示。

图1

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图1 大新锰矿矿体与采空区分布图

1-西北地采采区矿体；2-西北采区矿体；3-中部采区矿体；4-西北地采房柱法开采空区；5-西北地采留矿法开采空区；6-西北采区房柱法开采空区；7-中部采区留矿法开采空区

Fig.1 Orebody and goaf distribution map of Daxin manganese mine

2 基于3DMine-FLAC3D的模型构建方法

本文基于3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D多软件联合建模方法构建大新锰矿空区群模型，具体流程如图2所示。该建模方法是以3DMine数据为基础，以Surfer和Rhino3D建模软件为工具，将地表、岩层、矿体、空区和矿柱经过这些软件不同功能的联合以及各种不同格式的转换，导入ANSYS-workbench中并利用Extrude、Slice和Boolean等功能构建模型，再借助ANSYS进行模型网格划分，最后将划分好的模型经过一系列的转换导入FLAC3D之中。

图2

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图2 大新锰矿采空区稳定性分析建模流程图

Fig.2 Modeling flow chart for goaf stability analysis in Daxin manganese mine

（1）利用3DMine软件构建地表模型。通过软件中生成顶底板面功能，将地表模型以一定的X、Y步距（X、Y均设为10 m步距）创建网格点，生成面模型层面点集。将生成的层面点集，以线坐标的形式复制至Excel表格中，因Rhino软件只能识别小坐标，所以利用Excel加减功能将层面点集坐标进行坐标平移，然后再导入Surfer软件进行后续处理。

（2）利用Surfer软件对面模型进行插值处理。将Excel处理后的点数据经过Grid>Date功能导入Surfer软件中，如图3（a）所示，记录插值中X、Y行的Node数，生成等高线文件。将生成的等高线文件保存为“*.Grd”格式文件，重新打开该等高线文件，另存为“XYZ.dat”格式文件。之后打开该文件另存为“XYZ.csv”格式的文件，其目的是为了用逗号隔开插值数据。再用记事本打开“XYZ.csv”格式的文件，在文件的首行添加“Srfptgrid”，第二行开头空一格添加Y行的Node数，第三行开头空一格添加X行的Node数，之后另存为“XYZ.txt”格式文件，以便于Rhino软件识别面模型数据。

图3

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图3 Surfer与Rhino软件处理过程

Fig.3 Surfer and Rhino software processing

（3）利用Rhino软件转换组合面模型。设置Rhino单位选项为m，打开指令集从文件读取Surfer编辑之后的“XYZ.txt”文件转换生成面。然后将已经生成的地表地形、不同岩体界面、矿体表面、空区表面和矿柱面等面模型导入Rhino，生成组合面模型，三维立体侧视角如图3（b）所示，最后将该组合模型另存为“XYZ.iges”格式文件。

（4）利用软件ANSYS-workbench将面模型生成实体模型。利用功能Static Structural>Geometry>Import Geometry>Browse导入Rhino输出的“XYZ.iges”格式文件面模型，Generate显示面模型，如图4（a）所示。利用Extrude功能将底面拉伸成为实体模型，如图4（b）所示。

图4

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图4 Workbench软件中由面模型到实体模型

Fig.4 Surface model to solid model in Workbench software

生成实体模型后，再利用同样功能将矿体面拉伸成为矿体，将矿柱面拉伸成为矿柱，生成矿体和矿柱模型如图5（a）所示。利用Slice功能和Boolean运算对模型进行布尔运算处理，生成包含不同岩体、矿柱、矿体和空区的最终几何模型，如图5（b）所示。

图5

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图5 Workbench软件中完整模型

Fig.5 Complete model in Workbench software

（5）利用ANSYS-workbench软件对实体模型剖分网格。利用Static Structural>Model>Edit功能在网格划分窗口Mesh选项，设置网格划分形状及疏密程度（划分网格设置Element Midside Nodes为Dropped选项，Relevance Center为Fine选项，Smoothing为High选项，Transition为Slow选项，Span Angle Center为Fine选项，其他为默认选项）。经Generate Mesh进行最优网格划分，划分结果如图6（a）所示。实体模型内矿体、矿柱和空区网格划分如图6（b）所示。

图6

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图6 Workbench软件中网格剖分

Fig.6 Grid subdivision in Workbench software

（6）利用软件ANSYS将网格模型导入FLCA3D软件中。几何模型网格划分完成之后，不能直接将划分网格后的模型从ANSYS-Workbench中输出，需通过Mechanical APDL与Workbench之间的数据共享平台将模型导入Mechanical APDL模块之中。通过Readme>ANSYS command，输出文件格式为“XYZ.dat”的单元和节点文件，利用郑文棠教授^[14]开发的转换工具ANSYS TO FLAC3D插件，生成FLAC3D3.0版本的Flacmodel_haitang.Flac3D文件，之后运用插件Change Grid生成可导入FLAC3D5.0版本的Flacmodel_haitang.Flac3D文件。最后可用FLAC3D5.0打开该文件，进行数值模拟计算。

利用3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D软件构建的大新锰矿西北采区、中部采区和西北地采采区3个区域地质体模型更接近现实，包括地表DEM的起伏形态、更加精细化的空区和矿柱模型网格，同时缩减模型网格单元的总数量，可根据需要调整局部关键研究区域的网格尺寸大小。西北采区建模区域1 200 m×1 000 m×600 m，约有100万个Zones，19万个Gridpoints，如图7（a），7（b）所示。对比图7（c），7（d）可知，利用块体模型方法及命令流法建立的西北采区模型网格，单个矿柱只能用极少甚至一个网格来描述，而采用多软件联合建模法，其中单个矿柱规格仅为3 m×3 m×5 m，仍然可以用10个以上单元网格描述，这将提高关键区域计算的准确性，精确描述矿柱的应力变化。与以往采用的三维CAD与CAE为中转工具的建模方法^{[8,9,10,11,12,13,14]}相比，多软件建模法可剖分更复杂精细的局部结构，例如可建立与实际开采现状相符合的房柱法遗留空区的数百个点柱模型，还可实现多种采矿方法遗留空区在同一个模型中的建模分析。同时可根据需要设置网格质量等级与网格几何类型，网格大小过渡更均匀，将网格雅克比、纵横比、偏斜与最大拐角等控制在理想范围内，有效减少畸形网格的出现。利用多软件联合的优势精确建模，降低岩土工程研究前期建模难度和工作强度，解决了目前岩土工程模拟软件的前处理能力较差，不能很好地构建复杂地质体数值模型和无法划分精细网格的问题。

图7

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图7 FLAC3D西北采区模型网格

Fig.7 Model grid of northwest mining area in FLAC3D

3 空区开采和充填治理方案的模拟

3.1 空区开采稳定性分析

中部采区模型是由留矿法开采形成的空区，西北采区模型是由房柱法开采形成两层矿柱的空区，西北地采采区则同时包含2种采矿方法形成的空区。用多软件联合建模方法可以灵活控制层状矿体的不同层、不同阶段和不同矿房的顺序开挖，可按照前期工程设计或后期实际工程生产顺序进行模拟，找到安全合理的矿山生产方案。根据模拟结果（图8）可提前关注易破坏矿柱和失稳空区，模拟结果表明局部较多矿柱出现塑性区和应力集中，变形可达20~40 mm；由图8（b）和图8（d）可知，2种采矿方法遗留的空区局部顶板出现20 mm左右的沉降量，3个采区地表沉降量可达20 mm，表明有塌陷趋势，需要及时充填空区。模型材料参数如表1所示。

图8

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图8 3个采区模拟计算结果

Fig.8 Simulation results of three mining areas

表1 矿岩体物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of ore and rock mass

名称	体积模量/GPa	剪切模量/GPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/（°）	抗拉强度/MPa	密度/（g·m^-³）
矿体	20.80	18.30	4.60	36.72	6.28	3.33
上盘	23.00	10.01	0.14	31.35	1.39	2.63
下盘	14.24	6.19	4.31	35.11	1.63	2.64
充填体	0.597	0.33	0.10	25.00	0.33	1.75

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3.2 空区胶结充填方案对比分析

同理，可以对多软件联合建模方法建立的模型进行不同胶结充填顺序方案的模拟，对比得到安全合理的充填方案，为空区治理提供依据。例如：由于中部采区需要继续向下开采，为了不影响深部生产，不宜进行全面大规模胶结充填，因此提出3种充填方案。方案一是按阶段自下而上先充填第四阶段，前期形成安全隔离层，后期再将其他阶段逐层向上充填，如图9（a），9（b）所示；方案二是垂直竖向充填，隔2个矿房充填一个矿房形成大规格胶结充填矿柱，后期再充填其他空区，如图9（c），9（d）所示；方案三是隔一矿房充一矿房形成大规格胶结充填矿柱，后期再逐步充填其他空区，如图9（e），9（f）所示；对比图9（b），9（d），9（f）发现在前期方案一与方案二地表均有20 mm级别沉降区域，方案三地表没有20 mm级别沉降区域，且10 mm级别沉降范围更小，说明方案三更优。对拟采用的充填体物料配比与充填强度进行试验（表2），结合充填效果数据分析（图10），采用方案三进行空区充填。根据表2，建议胶固粉与尾砂配比采用1∶6或1∶8。由此可见，该建模方法给出了较理想的计算结果并辅助决策充填方案。

图9

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图9 胶结充填方案对比

Fig.9 Comparison of cemented filling schemes

表2 胶结充填成本与充填体强度

Table 2 Cementing cost and strength of filling body

胶固粉与尾砂配比	动力与人工费/（元·m^-³）	尾矿砂/（元·m^-³）	水/（元·m^-³）	胶固粉/（元·m^-³）	充填成本/（元·m^-³）	90 d抗压强度/MPa
1∶4	4.55	4.80	1.836	66.0	77.186	5.65
1∶6	4.55	5.16	1.701	46.2	57.611	4.22
1∶8	4.55	5.34	1.674	36.3	47.864	2.96
1∶10	4.55	5.46	1.674	29.7	41.384	1.82

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图10

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图10 不同方案的充填效果对比

Fig.10 Comparative analysis of filling effect

4 结语

（1）以3DMine数字化模型为基础，开展了3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D多软件联合建模方法研究，解决了复杂空区群三维数值模型构建和大数量小尺寸矿房矿柱网格剖分难题。利用多软件联合建模方法精确建立了大新锰矿房柱法和留矿法开采形成的空区模型，并阐述了建模方法的详细流程。

（2）利用此方法建立的数值模型可按照实际矿山工程开采顺序进行逐个矿房的开挖模拟，模拟分析了大新锰矿2种采矿方法形成的空区稳定性，模拟结果表明采空区局部矿柱塑性破坏，地表沉降量较大，空区需要及时充填治理。

（3）模拟了按照不同充填方案进行空区胶结充填治理后的采空区充填效果，辅助制定合理充填方案，为空区治理提供可靠依据。该研究成果对矿山岩土工程三维数值模型准确构建和复杂空区群治理具有一定的借鉴意义。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

陈庆发，周科平，古德生.

协同开采与采空区协同利用

[J].中国矿业，2011，20（12）：77-80.