一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法与流程

本发明涉及一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法。

背景技术：

为满足我国经济建设对矿产资源的依赖，矿产资源的开采不仅要朝深部延伸，还要充分回收矿山开采过程中遗留的未能开采的资源，特别是由于设计不合理开采(充填法开采)失稳垮塌导致的品味高的矿石，该类采场的围岩稳定性往往很差，所处的环境十分的复杂，并且是影响到一片区域的采场开采，这就对开采的安全性方面提出了新的要求。对于这类矿产资源的开采，首先应对之前开采所引发的失稳垮塌机理进行分析，而最关键的步骤之一就是确定失稳垮塌区域内的断裂错动面。

对于采场围岩环境条件比较好，失稳垮塌波及范围不是很大的采场。只需要采用经验公式粗略计算错动断裂边界线，或者采用钻孔的形式即可初步确定后续的工作内容，但是，当开采情况比较差的时候，之前的经验公式将不再适用，用钻孔探测的形式，既不现实，花费也较大。因此，就需要建立精准的三维地质模型，采用数值分析的方法进行分析是当前较为可行的办法。可是仅仅采用数值分析方法，并不能获取直观的采场失稳错动断裂面。

目前，国内对于露天边坡滑移面的搜索算法较多，但是，由于露天边坡和地下采场的失稳垮塌机制有明显的区别(露天边坡至少有一个临空面)，简单地将这些算法引入并不合适，且相关的搜索算法仅仅是以内摩察角或粘聚力编程计算，与现场的复杂环境条件会相去甚远。

技术实现要素：

为了解决传统的搜索算法涉及到收敛的速度及早熟等问题，且在复杂环境条件下的地下矿山失稳垮塌断裂错动面的判定适用性不强，计算的精度也较差的技术问题，本发明提供一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，包括以下步骤：

步骤1，根据主矿体开采现状图构建三维数值分析模型，通过布设监测点的方式对垮塌区范围内的竖向位移和最小主应力进行监测；

步骤2，结合竖向位移和最小主应力监测结果，搜索在三维数值分析模型的剖面内设置的一系列垂线方向上最大剪应变增量最大值坐标的位置；

步骤3，根据步骤2所得到的坐标位置，通过最小二乘法对各离散的坐标进行线性拟合，获取断裂错动面的二维形态及位置；

步骤4，根据断裂错动面的二维形态及位置，绘制得到三维断裂错动面形态。

所述的一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，所述的步骤1中，在构建三维数值分析模型时，同时完成材料参数赋值、网格划分、边界条件施加、初始地应力生成及数值计算分析。

所述的一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，所述的步骤2中，在搜索最大剪应变增量最大值坐标的位置之前，先基于最大不平衡力与内力的之比来判断垮塌区范围是否进入极限平衡状态，当比值小于预设阈值时，则认为垮塌区范围进入了极限平衡状态，并开始搜索最大剪应变增量最大值坐标的位置，否则继续监测竖向位移和最小主应力，并根据新的监测数据来重新判断垮塌区范围是否进入极限平衡状态。

所述的一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，所述的步骤2中，在三维数值分析模型的剖面内设置的一系列垂线，是将垮塌区范围内的矿岩体离散化而形成的。

所述的一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，所述的步骤2中，最大剪应变增量通过下式进行计算：

其中为单元第1个节点i方向上的位移；为单元第1个节点所对应的四面体其中一个面的法向向量；为第1个节点所对应的四面体当中一个面的面积。即在dt时间段内，单元的节点位移决定了在一个时间步内应变增量的位移增量的大小。

所述的一种新的复杂环境下采场大范围失稳断裂错动面搜索方法，所述的步骤3中，通过最小二乘法对各离散的坐标进行线性拟合包括以下步骤：

以最大剪应变增量的三维坐标为xk和y1，则拟合曲线的形式为：

选择线性无关的基函数组为

{φl(x),l＝0,1,2,...,n}

且：

ψl＝(ψl(x0),ψl(x1),ψ2(x0),...,ψl(xm),)^t,(l＝0,1,2,...,n)

式中：p＝(y(x0),y(x1),y(x2),...,y(xm))^t

采用最小二乘原理搜寻1组：使得上式中的值达到最小，则

(p^*-y,p^*-y)＝min(p-y,p-y)

拟合曲线公式的系数以满足拟合曲线向量a^*，由下式求得：

e^tea^*＝e^ty

其中：

求出向量a^*后，即得拟合函数y^*(x)。

本发明的技术效果在于，以数值分析中的最大剪应变增量为判据(结合应力-位移结果)，通过编制fish语言程序，对数值计算前在剖面内设置的一系列垂线方向上最大剪应变增量最大值坐标的位置进行搜索。并以改进的最小二乘法对各离散点的坐标进行线性拟合，获取断裂错动面的二维形态及位置，最后把断裂错动面形态及位置的各坐标输出并保存为.txt文本格式，再由sigmaplot绘图软件自动得出三维断裂错动面形态。本发明通过结合数值分析方法所得的结果通过编程直接进行搜索，不用涉及到收敛速度或早熟问题，获取的结果精度较高，最终的断裂错动面是三维形态的，可为后期的采场注浆加固及采场开采提供理论基础。

附图说明

图1为三维数值模型示意图；

图2为监测矿体底端垂直位移变化量示意图；

图3为监测矿体底端最小主应力示意图；

图4为采动失稳垮塌区域塑性区分布；

图5为最大剪应变增量云图；

图6为滑移面搜索的流程图；

图7为垮塌区塑性区贯通影响范围示意图；

图8为滑移面三维空间形态图；

图9为垮塌区最终滑移面示意图。

具体实施方式

在实际生产中，矿岩失稳垮塌是在一定的地质条件和采矿因素的背景下发生的，要做出有效的判断，数值模拟能够比较经济、合理地提供这种可能。本实施例针对凡口铅锌矿sh-320中段因采场失稳造成主矿体垮塌的实际情况作出具体分析，由于垮塌区范围内的环境十分复杂，根据所能够获取的矿岩物理力学性质参数，构建三维数值分析模型，通过应力、位移、塑性区以及剪应变增量等的分布状况，分析采场的垮塌给周边采场带来的影响，进一步揭示垮塌区范围内矿岩和充填体的应力、位移分布规律，并确定其垮塌影响范围，为后续的充填注浆加固及主矿体采场的安全开采研究提供技术支持。

为了进一步的揭示采动垮塌力学状态，并分析计算失稳垮塌范围及滑移面的位置，根据主矿体开采现状图来构建如图1所示的三维数值分析模型，并完成材料参数赋值、网格划分、边界条件施加、初始地应力生成及数值计算分析等。通过布设监测点的方式对垮塌区范围内的竖向位移和最小主应力进行监测，具体监测点布置如下表1所示，相应的竖向位移和最小主应力值如图2和图3所示。

表1回采过程中监测点位置布置

由图2和3可知，越靠近垮塌区中心位置，位移和最小主应力越大。在垮塌区的中间位置达到了最大值，说明0#采场采空区上部矿体安全状态最差。

塑性区分析：

地下空区开挖后，可能会导致矿岩体的破坏，矿岩体的破坏表现为矿岩体塑性区的大小。图4为0#采场开挖完成后形成的塑性区分布图，从图中可看出，塑性区分布范围比较广，存在剪切及拉伸破坏塑性区，采空区的顶板主要表现为剪切破坏，采空区两帮为剪切及抗拉破坏共同起作用，并且采空区顶板及两帮的塑性区扩大朝周边相邻采场延伸并产生了贯通，导致采空区规模地失稳破坏。因此，可以知道采空区两帮充填体在横向受拉的情况下，产生了片帮和垮塌，并且顶板也发生了不同程度的冒落，从而最终导致整个空区的大范围失稳破坏。

基于flac3d结合强度折减法理论提出搜索极限状态下潜在滑移面的方法。由于采用混合离散法来模拟塑性破坏及流动，与有限元法相比较更为准确和合理。若采用动态运动方程模拟静态系统，仍在处理不稳定过程时难以避免数值计算上的障碍。

由塑性破坏滑移面的数值分析结果看，虽然可大致得出滑移面的大概范围，但是却无法确定准确的滑移面位置。

鉴于剪应变增量作为与节点位移相关的物理量，而flac3d数值分析结果中的剪切破坏面上，将会出现较大的剪应变增量。有关学者的研究成果证明了搜索临界滑移面，首先应确定最大剪应变增量的位置。即：在垂直方向上，对最大剪应变增量所处位置网格上的线连接后可形成滑移面。

基于上述分析，下面就在极限状态下，通过搜索竖直方向上剪应变增量最大的部位来确定滑移面的方法，给出该方法的原理及具体的实施步骤。

安全系数s的定义：沿着滑移面的抗剪强度与其真实的剪应力比值由下式(1)表示：

其中：s为安全系数；c为黏聚力；σ0为正应力；为内摩擦角；τ0为剪应力；d为滑移面的水平宽度，当d取1时为极限状态。

对黏聚力c及内摩擦角同步折减，取极限状态下的折减系数为安全系数，则矿岩体的强度参数可由下式(2)和(3)表示。

经过一系列的数值试运算后可得出使三维模型达到极限平衡状态的安全系数si，即

其中：si为数值试运算的强度折减系数。

而有限差分强度折减法与传统极限平衡方法的差别主要可表现在以下两方面：

(1)有限差分强度折减法未事先假设滑移面的具体形态，当处于极限状态时垮塌区内的塑性区并非一条曲线而是一片区域，则需寻找一种方法判断滑移面的形态。

(2)对极限状态的定义不同，有限差分强度折减法并未事先假设滑移面，故其对极限状态共有以下几种判断标准：

①当数值计算收敛时，可推断其处于极限平衡状态；

②当塑性区恰好贯通时，可推断其处于极限平衡状态；

③在垮塌区内布设的监测点发生了较大的位移时，可推断其处于极限平衡状态。

而采用数值分析方法应解决的两个关键性技术问题为：

(1)极限平衡状态的推断原则和标准；

(2)滑移面位置和形态的推断原则和标准。

1)极限平衡状态的判断标准

由上述可知，尽管有限差分强度折减法对于极限状态的判断准则有以上三种，但根据研究结果表明，各个判定标准所得结果的差别甚微。从工程应用的角度出发，选择计算结果是否收敛作为极限平衡状态的判断标准更为方便和合理，即通过最大不平衡力与内力的之比f0来确定，通常取＜10^-3时认为收敛。

2)滑移面位置的确定标准

将垮塌区范围内的矿岩体离散化为由一系列的垂线所组成，由以上极限状态的定义，滑移面上的矿岩体显然已处在塑性状态。故进入塑性状态的单元都是滑移面会通过的位置。由图4中的塑性区可知：在任一条垂直的线上，有多个单元体都已经达到了塑性状态，此处选择最大剪应变增量为评判标准。

应变增量的张量是和节点位移有关的物理量，对于模型中的四面体单元组分，在无限短的时间dt内，其计算式为

式中：为单元第1个节点i方向上的位移；为单元第1个节点所对应的四面体其中一个面的法向向量；为第1个节点所对应的四面体当中一个面的面积。即：在dt时间段内，单元的节点位移决定了在一个时间步内应变增量的位移增量的大小。

当矿岩体发生剪切破坏，其破坏面上会产生较大的剪切变形，即其处在极限状态时，与其他位置相比，剪应变增量最大的部位也最易产生破坏变形。根据以上分析，最大剪应变增量物理意义明确，选取最大剪应变增量作为确定滑移面的判据是合理的、可行的。将每条垂直线上的滑动面连接在一起，可以到了滑移面的具体形态特征。

3)滑移面的搜索方式

由于有限差分数值软件存在局限性，单元体的所有应力和应变结果都为单元体中点的数值，与实际情况不相符，故还需进行必要的平滑处理。

采用最小二乘法对曲线进行拟合处理，可平滑处理原来形态波动的滑移面，假设以上最大剪应变增量的三维坐标为xk和y1，则拟合曲线的形式为：

选择线性无关的基函数组为

{φl(x),l＝0,1,2,...,n}

且记

ψl＝(ψl(x0),ψl(x1),ψ2(x0),...,ψl(xm),)^t,(l＝0,1,2,...,n)(8)

式中：p＝(y(x0),y(x1),y(x2),...,y(xm))^t(10)

采用最小二乘原理搜寻1组：使得式(9)中的值达到最小，则

(p^*-y,p^*-y)＝min(p-y,p-y)(11)

拟合曲线公式的系数需满足上式(7)的向量a^*，而a^*可由下式求得：

e^tea^*＝e^ty(13)

其中：

求出向量a^*后，即可求得拟合函数y^*(x)。

基于强度折减法，运用有限差分数值软件计算垮塌区范围内内应力和变形状态。图5为极限状态下最大剪应变增量云图和速度矢量云图。从图中可看出，剪应变增量较大的位置其速度矢量也较大，并显现出较为显著的界线。

滑移面的具体搜索方法如下：

(1)利用软件输出的应力和应变数据并判断塑性区贯通状态。

(2)沿着水平方向布设垂直线，调入fish语言搜索最大剪应变增量出现的坐标位置(xk,y1),(i＝1,2,3,...,n)，n是离散点的数目，并保存为txt文本。

有限差分数值软件能获得单元体内中心的最大剪应变增量，并对滑移面上的曲线进行平滑处理，可得出平滑的垮塌区滑移面曲线。

根据采动失稳滑移面搜索方法，可圈定出采动垮塌区影响范围和三维空间形态，具体做法如下：

(1)利用上一小结中flac3d计算极限状态时采动失稳垮塌区的应力、应变，在计算剖面中设置一系列的垂线；

(2)编制fish语言程序，对垂线上剪应变增量最大坐标的位置进行搜索，可获取滑移面上的离散点坐标，并由最小二乘法对离散点坐标进行拟合，得出滑移面的形状和位置。

(3)将滑移面形状和位置的坐标输出保存为.txt格式，然后由sigmaplot软件生成三维滑移面。

由上述方法可搜索出平滑的垮塌区滑移面曲线如图7所示。

由sigmalot软件生成的滑移面三维空间形态如图8所示。

综合以上分析，将垮塌区最终滑移面反映到cad剖面图上如图9所示。即：0#采场采空区垮塌后导致0#采场上部矿体、n0-1#、n1-2#、s0-1#付以及s0-1#付-1采场位于垮塌区滑移面之上，而s1-2#采场位于垮塌面边沿，此区域可划分为危险地段，从而将其确定为垮塌区的影响范围，影响范围内的资源为隐患资源。

目前，凡口铅锌矿塌陷区未开采主矿体资源主要分布在sh-280中段，至今还没有进行统一的开采规划，根据以上数值分析得出的垮塌区影响范围以及整理矿山的资料，统计在垮塌区内隐患资源保有矿量为474397t，具体情况见表2。

由于该矿段的矿石品位高，储存量较大，因此，在确保安全的情况下，这部分矿体具有较大的开采价值。

表2狮岭-280m中段主矿体垮塌区隐患资源统计

由于滑移面范围内的采场极有可能已经向0#采场的采空区移动，该范围内采场的回采难度较大，也较危险，而滑移线范围以外的采场，通过力学分析及现场勘探可知，这几个采场回采的难度相对较小，危险性也相对较低。必须采取积极而又稳妥的方式开采失稳垮塌区域的资源，故总体的开采顺序总结如下：

1)先易后难，先外后内，由外向中间稳妥推进，即：先开采滑移面范围外围的采场，再开采滑移面边界的采场，最后开采滑移面以内的采场。具体说，就是先开采n2-3#、s3-4#和s2-3#采场(其中，n2-3#和s2-3#采场应严格按照上述充填注浆方案处理后进行安全开采，且各采场开采完成后需及时充填并保证充填体强度和充填的质量)，其次是位于滑移面边界上的s1-2#采场，最后再开采滑移面以内的n1-2#、n0-1#、s0-1#付、s1#付-1#和0#采场。

2)滑移面以内的5个采场，因其开采环境极为复杂，必须在完成上述其它几个采场的安全开采并予以高质量充填之后再开采。此外，在开采之前，应先钻探、注浆，并对钻探取出的岩芯进行室内岩石力学实验，对注浆前后的充填体岩石力学性能对比分析，再根据工程实际选择合理的采矿方法及巷道的布置形式。

3)在n2-3#、s2-3#及s3-4#采场充填注浆处理和回采的同时，应先考虑s1-2#采场作为回收垮塌区范围内资源的重要切入点，为确保安全，在这3个采场(尤其是s2-3#及s3-4#采场)完全安全开采完毕并加以高质量充填后，才能开始处于滑移面边界的s1-2#采场的开采工作。

4)s1-2#采场作为回收垮塌区范围内资源的重要切入点，为确保安全，开采时仍然采取先下后上、先滑移面以下后滑移面以上、分段开采，在采场高度上分段，在采场长度上(即东西方向)也分段。