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摘要：矿山开采究其历史等原因形成大量的采空区，大宝山就是典型的代表。这些空区形成了目前矿山生产安全的最主要的危害之一，本文利用目前较新的SURPAC三维数字化手段对空区进行数字化模拟，并采用较为先进的ANSYS有限元数值模拟分析计算，从而获得空区稳定性评价的新尝试，为矿区安全生产提供可靠保障。
关键词：大宝山矿；采空区；三维数字化；有限元数值分析
1、引言
在矿产资源开发的过程中，房柱采矿法、空场采矿法的应用，往往形成了大量的地下空区。大宝山矿就是极具代表性的矿山之一，由于开发前期采用地下开采，非法民采等无规则、开采秩序混乱的乱采滥挖行为，为转为露天开采的大宝山矿及周围留下了大量的不明空区，而这些空区形成了目前矿山生产安全的最主要的危害之一。
就目前已经探测到的空区而言，我们发现大宝山矿下部空区，矿柱变形破坏严重，有的因矿柱不能负载已经坍塌，致使矿山开采条件恶化，极易引发大规模的岩移和冒落，形成地表塌陷；空区突然垮塌产生的高速气浪、地表的落差以及塌陷产生的震动极易造成人员伤亡和设备的破坏，给矿山安全生产带来了严重的影响。鉴于此，对于露天矿下部的空区的研究和稳定性判定的研究对于大宝山矿的安全生产显得尤为重要。
目前，对于空区的探测，国内外主要采用采矿情况调查、工程钻探、物探为主，辅以变形观测、水文试验等。我国目前以钻探为主、物探为辅，而美国等西方国家主要采用物探手段。钻探方法比较直观，但往往因布孔位置选择不当，破碎地带探孔钻无法下探等原因对于滥采乱挖形成的空区无能为力。方法虽然多，但往往由于周围复杂的地质条件限制，导致探测结果精度不高，后期数据处理繁琐，可视性差，只能有限的提供材料供参考。空区的三位空间准确的确定直接关系到下一步空区的稳定性分析的可靠性，而国内外对于空区围岩的稳定性分析往往由上述方法获取数据的基础上进行，从而导致可靠性较差。同时，为了既能够实现空区三维可视化又能进行稳定性进行数值计算且考虑到当前数值分析软件在力学方面计算分析的优点，为此，本文介绍如何利用SURPAC生成空区边界虚拟实体模型。在此基础上，利用ANSYS数值模拟分析软件对空区进行简化，且不失空区主要特征（面积、空区深度、边界轮廓）的完整性真实性进行稳定性分析的方法，从而获得空区稳定性评价的新尝试，为矿区安全生产提供可靠保障。
2、三维建模技术
SURPAC是澳大利亚公司开发的矿山大型软件系统，可形成整套的三维立体和块体建模，可将土建设计、三位模型建立、工程數据库完美结合，可实现复杂工程中境界优化、矿体储量估算、排土场设计、露天矿道路规划设计等，且具有良好的可视效果，并与其他计算机程序之间具有良好的接口，方便更进一步的数值分析。
大宝山矿以前由于采用地下开采形成了大量且复杂的地下采空区，现在已转为露天开采，开采范围与原矿区相叠，从而形成原来存在的采空区与露天矿开采直接相互影响的问题。
利用SURPAC建立大宝山矿空区的三维模型主要有如下几个步骤：（1）根据勘探线剖面图及带有标高的采场现状图以及以前地采的图纸资料利用Auto CAD描绘各中段空区平面图；
（2）将地表部分二维剖面图、平面图倒入到SURPAC中建立三维地表模型，如图1。（3）将原地采各中段二维平面图导入SURPAC中建立三维各中段三维模型（4）导入各中段采空区平面图到SURPAC中建立空区三维模型，如图2。（5）截出并导出用于计算采空区顶板厚度的三维模型和数值模拟计算所需的二维简化模型，如图3，图4。
图1 铜采场层面三维模型
图2 新风井673中段三维模型
图3 673-4#空区数值模拟计算简化模型
图4 简化模型
3、建立ANSYS模型并进行稳定性分析
3.1 ANSYS介绍
ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由美国ANSYS开发，它能与多数绘图建模软件接口，实现数据共享和交换。CAE的技术种类很多，其中包括有限元（FEM，即Finite Element Method），边界元法（BEM，即Boundary Element Method），有限差法（FDM，即Finite Difference Element Method）等。每一种方法都有其各自使用领域，而FEM有限元法应用范围越来越广。
ANSYS有限元软件包括一个多用于的有限元计算程序，可求解结构、流体、碰撞等问题。因此，用于分析大宝山空区动态变化的情况更为合适。
3.2 有限元计算并分析
计算分为三个部分：前处理，分析计算和后处理。
前处理本身具有一个强大的实体建模即网格化分工具，方便用户构造合理的有限元模型。首先，对单元类型、单元常数、材料的类型（线形、各向同性、不随温度变化）、材料特征等做出合理化设定。其次，创建有限元模型并划分网格。由于本文先前已经对要分析的某个单一空区进行SURPAC建模，故导入即可。并对导入的模型合理的设置并划分网格单元。划分网格后的效果如图5。
图5 划分网格后的模型块体
加载并求解。此过程需要对模型设定自由度，并进行某些方向上的约束设定，并在其空区上部设定施加当量的均布荷载已保证其模型与实际的相仿性。在设定好约束和荷载之后便可开始进行计算求解过程，此过程由计算机自行完成。
完成计算之后便可用ANSYS的后处理模块查看计算的结果。ANSYS软件通常有POST1和POST26两个后处理器组成。在POST1中可以查看轮廓线显示、变形、等值线显示等。求解结果如图6、7所示。
图6 求解结果查看
图7 水平区域结果 3.3分析
首先，从得到的结果可知，应力从上到下逐渐增大。在有空区周围出现明显应力集中现象，主要表现为压应力，空区上方地表出现应力集中区，说明空区的存在阻断了整个平台的受力传递，即极大的改变了空区位置周围的受力状况。
其次，由于该空区选择在边坡附近，造成边坡与空区间有很大的相互影响。可以看到，采空区的存在也使得空区周边水平位移出现明显增加（有时可见边坡顶面出现拉伸裂纹），在边坡上出现拉伸破坏，不利于边坡的稳定。受空区影响，地表可能出现一定程度的塌陷和沉降，对安全生产是极大的威胁。而沉降中心和塌陷中心往往出现在空区顶板的最薄处，如图8，而受影响范围呈现圆形区域扩大，并远离中心区域逐步衰减。
在远离顶板最薄处的范围内，跨度较大的一侧受到不同程度影响的面积较大而跨度较小的一侧较小，其正说明跨度的增加，也增加了空区的危险系数。通过比较空区水平面积及形成危险区域面积可知，危险区域与空区水平面积比约为1.3～1.5。在空区确定后应及时计算出水平危险范围圈定禁行区，避免重大的安全事故的发生。
4、结论与建议
（1）三维可视虽然使得地下不明空区可视化，提供能够比较直观的信息，但其精度往往受到前期数据采集的限制，目前大宝山才用激光自动扫描系统进行空区探测就可以很好的保障数据的精确性，为多空区矿山持续安全的开采提供了详尽的信息。
（2）重点简单尝试了SURPAC建模软件与ANSYS有限元分析软件的合并使用，结合了三维建模和有限元數值分析软件各自的优点，生成的模型与实际基本相符，反映出空区存在的状态以及实现了空区的力学分析计算。
（3）根据求解计算可知，不规则空区的特征所引起的应力分布和位移变化呈现各自不同的特点，在各种因素的扰动下，空区周边会随着不同地质结构和岩性的变化而变化，因此，不同的空区应不同对待且勿一概而论。求解计算后，根据可能出现位移的范围和受力状况圈出危险区域，在该空区未处理之前应尽量禁止采掘设备及运输车辆和人员的出入，减少爆破扰动，有需要时适当扩大危险区域范围，以防止重大安全事故的发生。
参考文献
[1]张永波，孙雅洁，卢正伟，等。老采空区建筑地基稳定性评价理论方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2]万文.地下空区对边坡稳定性的影响研究[D].长沙：中南大学，2006.
[3]朱合华，李新星，蔡永昌，等.隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析.公路交通科技，2005.
关键词：大宝山矿；采空区；三维数字化；有限元数值分析
1、引言
在矿产资源开发的过程中，房柱采矿法、空场采矿法的应用，往往形成了大量的地下空区。大宝山矿就是极具代表性的矿山之一，由于开发前期采用地下开采，非法民采等无规则、开采秩序混乱的乱采滥挖行为，为转为露天开采的大宝山矿及周围留下了大量的不明空区，而这些空区形成了目前矿山生产安全的最主要的危害之一。
就目前已经探测到的空区而言，我们发现大宝山矿下部空区，矿柱变形破坏严重，有的因矿柱不能负载已经坍塌，致使矿山开采条件恶化，极易引发大规模的岩移和冒落，形成地表塌陷；空区突然垮塌产生的高速气浪、地表的落差以及塌陷产生的震动极易造成人员伤亡和设备的破坏，给矿山安全生产带来了严重的影响。鉴于此，对于露天矿下部的空区的研究和稳定性判定的研究对于大宝山矿的安全生产显得尤为重要。
目前，对于空区的探测，国内外主要采用采矿情况调查、工程钻探、物探为主，辅以变形观测、水文试验等。我国目前以钻探为主、物探为辅，而美国等西方国家主要采用物探手段。钻探方法比较直观，但往往因布孔位置选择不当，破碎地带探孔钻无法下探等原因对于滥采乱挖形成的空区无能为力。方法虽然多，但往往由于周围复杂的地质条件限制，导致探测结果精度不高，后期数据处理繁琐，可视性差，只能有限的提供材料供参考。空区的三位空间准确的确定直接关系到下一步空区的稳定性分析的可靠性，而国内外对于空区围岩的稳定性分析往往由上述方法获取数据的基础上进行，从而导致可靠性较差。同时，为了既能够实现空区三维可视化又能进行稳定性进行数值计算且考虑到当前数值分析软件在力学方面计算分析的优点，为此，本文介绍如何利用SURPAC生成空区边界虚拟实体模型。在此基础上，利用ANSYS数值模拟分析软件对空区进行简化，且不失空区主要特征（面积、空区深度、边界轮廓）的完整性真实性进行稳定性分析的方法，从而获得空区稳定性评价的新尝试，为矿区安全生产提供可靠保障。
2、三维建模技术
SURPAC是澳大利亚公司开发的矿山大型软件系统，可形成整套的三维立体和块体建模，可将土建设计、三位模型建立、工程數据库完美结合，可实现复杂工程中境界优化、矿体储量估算、排土场设计、露天矿道路规划设计等，且具有良好的可视效果，并与其他计算机程序之间具有良好的接口，方便更进一步的数值分析。
大宝山矿以前由于采用地下开采形成了大量且复杂的地下采空区，现在已转为露天开采，开采范围与原矿区相叠，从而形成原来存在的采空区与露天矿开采直接相互影响的问题。
利用SURPAC建立大宝山矿空区的三维模型主要有如下几个步骤：（1）根据勘探线剖面图及带有标高的采场现状图以及以前地采的图纸资料利用Auto CAD描绘各中段空区平面图；
（2）将地表部分二维剖面图、平面图倒入到SURPAC中建立三维地表模型，如图1。（3）将原地采各中段二维平面图导入SURPAC中建立三维各中段三维模型（4）导入各中段采空区平面图到SURPAC中建立空区三维模型，如图2。（5）截出并导出用于计算采空区顶板厚度的三维模型和数值模拟计算所需的二维简化模型，如图3，图4。
图1 铜采场层面三维模型
图2 新风井673中段三维模型
图3 673-4#空区数值模拟计算简化模型
图4 简化模型
3、建立ANSYS模型并进行稳定性分析
3.1 ANSYS介绍
ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由美国ANSYS开发，它能与多数绘图建模软件接口，实现数据共享和交换。CAE的技术种类很多，其中包括有限元（FEM，即Finite Element Method），边界元法（BEM，即Boundary Element Method），有限差法（FDM，即Finite Difference Element Method）等。每一种方法都有其各自使用领域，而FEM有限元法应用范围越来越广。
ANSYS有限元软件包括一个多用于的有限元计算程序，可求解结构、流体、碰撞等问题。因此，用于分析大宝山空区动态变化的情况更为合适。
3.2 有限元计算并分析
计算分为三个部分：前处理，分析计算和后处理。
前处理本身具有一个强大的实体建模即网格化分工具，方便用户构造合理的有限元模型。首先，对单元类型、单元常数、材料的类型（线形、各向同性、不随温度变化）、材料特征等做出合理化设定。其次，创建有限元模型并划分网格。由于本文先前已经对要分析的某个单一空区进行SURPAC建模，故导入即可。并对导入的模型合理的设置并划分网格单元。划分网格后的效果如图5。
图5 划分网格后的模型块体
加载并求解。此过程需要对模型设定自由度，并进行某些方向上的约束设定，并在其空区上部设定施加当量的均布荷载已保证其模型与实际的相仿性。在设定好约束和荷载之后便可开始进行计算求解过程，此过程由计算机自行完成。
完成计算之后便可用ANSYS的后处理模块查看计算的结果。ANSYS软件通常有POST1和POST26两个后处理器组成。在POST1中可以查看轮廓线显示、变形、等值线显示等。求解结果如图6、7所示。
图6 求解结果查看
图7 水平区域结果 3.3分析
首先，从得到的结果可知，应力从上到下逐渐增大。在有空区周围出现明显应力集中现象，主要表现为压应力，空区上方地表出现应力集中区，说明空区的存在阻断了整个平台的受力传递，即极大的改变了空区位置周围的受力状况。
其次，由于该空区选择在边坡附近，造成边坡与空区间有很大的相互影响。可以看到，采空区的存在也使得空区周边水平位移出现明显增加（有时可见边坡顶面出现拉伸裂纹），在边坡上出现拉伸破坏，不利于边坡的稳定。受空区影响，地表可能出现一定程度的塌陷和沉降，对安全生产是极大的威胁。而沉降中心和塌陷中心往往出现在空区顶板的最薄处，如图8，而受影响范围呈现圆形区域扩大，并远离中心区域逐步衰减。
在远离顶板最薄处的范围内，跨度较大的一侧受到不同程度影响的面积较大而跨度较小的一侧较小，其正说明跨度的增加，也增加了空区的危险系数。通过比较空区水平面积及形成危险区域面积可知，危险区域与空区水平面积比约为1.3～1.5。在空区确定后应及时计算出水平危险范围圈定禁行区，避免重大的安全事故的发生。
4、结论与建议
（1）三维可视虽然使得地下不明空区可视化，提供能够比较直观的信息，但其精度往往受到前期数据采集的限制，目前大宝山才用激光自动扫描系统进行空区探测就可以很好的保障数据的精确性，为多空区矿山持续安全的开采提供了详尽的信息。
（2）重点简单尝试了SURPAC建模软件与ANSYS有限元分析软件的合并使用，结合了三维建模和有限元數值分析软件各自的优点，生成的模型与实际基本相符，反映出空区存在的状态以及实现了空区的力学分析计算。
（3）根据求解计算可知，不规则空区的特征所引起的应力分布和位移变化呈现各自不同的特点，在各种因素的扰动下，空区周边会随着不同地质结构和岩性的变化而变化，因此，不同的空区应不同对待且勿一概而论。求解计算后，根据可能出现位移的范围和受力状况圈出危险区域，在该空区未处理之前应尽量禁止采掘设备及运输车辆和人员的出入，减少爆破扰动，有需要时适当扩大危险区域范围，以防止重大安全事故的发生。
参考文献
[1]张永波，孙雅洁，卢正伟，等。老采空区建筑地基稳定性评价理论方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2]万文.地下空区对边坡稳定性的影响研究[D].长沙：中南大学，2006.
[3]朱合华，李新星，蔡永昌，等.隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析.公路交通科技，2005.