礦山圍巖穩定性的數值模擬分析與研究

汪輝+++米春元

摘 要：結合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩定性進行數值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應力、沉降及塑性區狀況，評價了圍巖破壞機理及穩定性。結果表明：隧道開挖后圍巖產生了一定的塑性區破壞，且地表產生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導致涌水事故。

關鍵詞：鐵礦；數值模擬；圍巖穩定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區，盤區長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區內沿走向每隔100m設4m厚間柱，間柱不回收。在盤區沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關于耦合的研究較多，各有優勢，本文根據流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設計

此次我們研究的地區是大賈莊礦區大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網格，按照不同的巖土力學參數，劃分不同的巖土介質組，再導入三維有限差分數值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關的圖件。

4 計算結果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應力場分布特征

圖5、6、7、8是應力云圖，由礦體開挖應力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應力也越來越大，底部采場間柱z方向應力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應力圖見圖6、7。

4.3 塑性區分布特征

由塑性網格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區以及附近的圍巖都出現了一定的塑性區，需適當加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產生的擾動使孔隙水發生滲流，圖中流體矢量可發現，由于強、弱風化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數值模擬[J].巖土力學，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災減災工程學報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍潭隧道的流固耦合分析[J].采礦與安全工程學報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現狀與應用展望[J].水利與建筑工程學報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術才，陳衛忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質大學（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質大學（武漢）endprint

摘 要：結合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩定性進行數值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應力、沉降及塑性區狀況，評價了圍巖破壞機理及穩定性。結果表明：隧道開挖后圍巖產生了一定的塑性區破壞，且地表產生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導致涌水事故。

關鍵詞：鐵礦；數值模擬；圍巖穩定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區，盤區長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區內沿走向每隔100m設4m厚間柱，間柱不回收。在盤區沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關于耦合的研究較多，各有優勢，本文根據流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設計

此次我們研究的地區是大賈莊礦區大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網格，按照不同的巖土力學參數，劃分不同的巖土介質組，再導入三維有限差分數值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關的圖件。

4 計算結果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應力場分布特征

圖5、6、7、8是應力云圖，由礦體開挖應力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應力也越來越大，底部采場間柱z方向應力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應力圖見圖6、7。

4.3 塑性區分布特征

由塑性網格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區以及附近的圍巖都出現了一定的塑性區，需適當加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產生的擾動使孔隙水發生滲流，圖中流體矢量可發現，由于強、弱風化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數值模擬[J].巖土力學，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災減災工程學報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍潭隧道的流固耦合分析[J].采礦與安全工程學報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現狀與應用展望[J].水利與建筑工程學報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術才，陳衛忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質大學（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質大學（武漢）endprint

摘 要：結合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩定性進行數值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應力、沉降及塑性區狀況，評價了圍巖破壞機理及穩定性。結果表明：隧道開挖后圍巖產生了一定的塑性區破壞，且地表產生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導致涌水事故。

關鍵詞：鐵礦；數值模擬；圍巖穩定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區，盤區長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區內沿走向每隔100m設4m厚間柱，間柱不回收。在盤區沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關于耦合的研究較多，各有優勢，本文根據流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設計

此次我們研究的地區是大賈莊礦區大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網格，按照不同的巖土力學參數，劃分不同的巖土介質組，再導入三維有限差分數值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關的圖件。

4 計算結果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應力場分布特征

圖5、6、7、8是應力云圖，由礦體開挖應力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應力也越來越大，底部采場間柱z方向應力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應力圖見圖6、7。

4.3 塑性區分布特征

由塑性網格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區以及附近的圍巖都出現了一定的塑性區，需適當加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產生的擾動使孔隙水發生滲流，圖中流體矢量可發現，由于強、弱風化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數值模擬[J].巖土力學，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災減災工程學報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍潭隧道的流固耦合分析[J].采礦與安全工程學報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現狀與應用展望[J].水利與建筑工程學報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術才，陳衛忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質大學（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質大學（武漢）endprint