基于ANSYS 與FLAC3D 的露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡的穩(wěn)定性分析

尹從富 譚定新 王 強 楊 飛

以某錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采為工程實例，應(yīng)用ANSYS 建立數(shù)值模型，導(dǎo)入到FLAC3D 中進行數(shù)值計算，求得露天轉(zhuǎn)地下開采后邊坡位移、應(yīng)力、塑性變形區(qū)的分布狀態(tài)以及邊坡的安全系數(shù)，并對露天邊坡每個臺階和地下采場采空區(qū)進行位移監(jiān)測分析。數(shù)值模擬結(jié)果顯示該錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，礦山選用的22m 隔離層厚度滿足邊坡穩(wěn)定和安全生產(chǎn)要求。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，作為支撐經(jīng)濟高速發(fā)展的礦產(chǎn)資源也被大規(guī)模的發(fā)掘開采。露天開采是各類礦物資源開采的主要方式之一，隨著露天開采規(guī)模的加大和開采程度的加深，地表資源日益枯竭，為了保持礦山企業(yè)和礦業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，露天轉(zhuǎn)地下開采是許多礦山企業(yè)面臨的選擇。露天開采形成的露天邊坡一般為高陡階梯邊坡，在露天轉(zhuǎn)地下開采中，邊坡巖體在復(fù)合動態(tài)變化條件下受到二次開挖擾動影響，在應(yīng)力場相互疊加干擾作用下，巖體變形、應(yīng)力狀態(tài)和移動過程復(fù)雜化，破壞形式變得多樣化。而上部邊坡和隔離層的穩(wěn)定性是影響露天轉(zhuǎn)地下開采成敗的重要因素，也關(guān)系到礦山的安全高效生產(chǎn)問題。因此，露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡的穩(wěn)定性研究具有重要的意義。

目前，隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，運用計算機對邊坡進行數(shù)值模擬并分析其穩(wěn)定性，已成為一種趨勢。研究邊坡巖體變形的常用數(shù)值分析方法為有限元法、邊界元法、離散元法等。在眾多數(shù)值分析軟件中，各有優(yōu)缺點。例如，有限元ANSYS 具有較為強大的建模功能，而其巖土分析能力稍差；有限差分軟件FLAC3D 具有專業(yè)的巖土分析功能，而其建模相對困難。本文綜合有限元ANSYS 和有限差分軟件FLAC3D 各自優(yōu)勢，取長補短，運用ANSYS 將CAD 地質(zhì)剖面圖導(dǎo)入其中并建立邊坡模型，通過中間軟件導(dǎo)入到FLAC3D 中進行計算分析，使得模型更加貼近實際，分析結(jié)果更加貼近真實。本文運用此方法對露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，為礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

工程實例

某錳礦的年產(chǎn)量約在60 萬噸/年，而露天開采的錳礦產(chǎn)資源日益驟減，難于滿足選礦廠的生產(chǎn)需求，為維持礦山長期穩(wěn)定的生產(chǎn)規(guī)模，必須加速露天礦床開采向地下礦床開采轉(zhuǎn)變。

該錳礦為大型淺海相沉積錳礦床，錳礦層自下而上分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個礦層，賦存于硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r，Ⅰ礦層平均厚度為1.72m、Ⅱ礦層為2.36m、Ⅲ礦層為1.68m。上盤為硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖，下盤為泥質(zhì)灰?guī)r、夾泥質(zhì)巖。Ⅰ礦層與Ⅱ礦層之間夾層一為硅質(zhì)灰?guī)r，厚度一般約2.5m；Ⅱ礦層與Ⅲ礦層之間夾層約0.5m，因其較薄在此模擬分析中忽略不計，將Ⅱ礦層與Ⅲ礦層合為一個礦層。礦層傾角由幾度至60°～80°，甚至陡立。

目前露天開采部分已經(jīng)接近結(jié)束，礦山采用全面法進行地下開采，礦房沿礦體走向布置，礦房長度為50m，中段高度為50m，寬度為三礦層及其夾層厚度之和，夾層巖石分采方式。根據(jù)礦山地質(zhì)條件情況，原生帶圍巖和礦體均為穩(wěn)固的，礦山采用的露天轉(zhuǎn)地下開采的隔離層厚度為22m。本文采用比較具有代表性的9 號勘探線剖面進行數(shù)值模擬分析。

數(shù)值模擬

模型的建立

根據(jù)礦山地質(zhì)資料，選擇具有代表性的9 號勘探線剖面圖建立數(shù)值模型。根據(jù)設(shè)計資料以及目前露天開采最終境界，每個臺階高度為10m，安全平臺寬度為4m，清掃平臺寬度為7m，底部境界線以上上盤共有9 個臺階，下盤共有7 個臺階，最終邊坡角為45°，礦體傾角為70°～75°不等。本次數(shù)值模擬在每個臺階的坡頂線、坡底線處均布置測點，監(jiān)測各點的位移。在采場里豎直方向上，采場頂板、頂板每5m 高程各布置一個測點，頂?shù)装甯?1 個測點，監(jiān)測采場內(nèi)部位移。

建模過程如下，整理9 號勘探線CAD 圖，指定水平方向指向上盤為x 正方向，沿高程增大方向為z 軸正方向，y 軸正方向垂直xz 平面向外。在x 方向上取263.4m，在露天開采底部境界線以下100m 確定為z=0m 平面，y方向上取1m。將CAD 圖導(dǎo)入到ANSYS 中，根據(jù)需要對每條線進行分網(wǎng)，建立面模型后進行面模型分網(wǎng)，由分網(wǎng)的面模型拉伸成體，再通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和鄭文棠博士的ANSYS TO FLAC 轉(zhuǎn)換軟件導(dǎo)出模型，在FLAC3D 中打開，建模完成。模型單元為7028 個，節(jié)點為40027 個。模型如圖1、圖2 所示。

巖體力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬中所使用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1 所示，巖體力學(xué)參數(shù)是根據(jù)礦山巖石力學(xué)實驗報告結(jié)果與rocklab 軟件計算以及參考相似工程經(jīng)驗，經(jīng)過相應(yīng)折減、計算后得到的。

邊界條件

本次數(shù)值模擬模型采用摩爾-庫侖模型，在計算是僅考慮模型部分的巖層的自重，即進行初始應(yīng)力計算，計算模型的位移邊界：在x=0m、x=263.4m 邊界面上約束x方向的位移，在模型地面z=0m 約束x、y、z 三個方向的位移，約束所有y 方向的位移。

數(shù)值模擬計算與結(jié)果分析

位移分析

根據(jù)礦山選用的隔離層厚度為22m，在地下開挖出中段高度為50m 的采場采空區(qū)，上覆巖層在自重力作用下引起巖層向下位移，上覆巖層的沉降達(dá)到一定程度就會引起上部邊坡的滑移和垮塌，將危及上部邊坡的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)活動。采場采空后位移云圖如圖3、4 所示，根據(jù)在每個臺階坡面線和坡底線上布置的位移監(jiān)測點結(jié)果，上盤和下盤對應(yīng)臺階測點位移對比如圖5，采場采空區(qū)頂板和底板從采場頂柱至頂柱各位移監(jiān)測點對比圖6。從圖中可知采空區(qū)引起的位移對下盤上部邊坡影響極小，隨著高度的增高其影響越微弱；采空區(qū)引起的位移主要表現(xiàn)在上盤上部邊坡，最大位移出現(xiàn)在采場中部豎直位置的邊坡上，隨著高度的增高其影響有所減弱，但減幅微弱。由圖6 可知采空區(qū)中頂板位移顯著，而底板位移相對較小。

表1 經(jīng)折減后巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 模型CAD 圖及各測點位置圖

圖2 經(jīng)ANSYS 建模分網(wǎng)后導(dǎo)入FLAC3D 模型

圖3 總位移云圖

圖4 豎直位移云圖

圖5 上下盤臺階監(jiān)測點位移對比圖

圖6 頂?shù)装灞O(jiān)測點位移對比圖

應(yīng)力分析

采場采空后，應(yīng)力分布如下圖7、圖8 所示，由圖中可知最大剪切應(yīng)力為5.86MPa，出現(xiàn)在采場頂部靠下盤的隔離層附近以及采場底部靠近上盤附近區(qū)域；最大拉張應(yīng)力為0.22 MPa，出現(xiàn)在采場頂板中上部以及各邊坡臺階靠近坡頂線附近區(qū)域。由此可知邊坡臺階靠近坡頂線附近區(qū)域以及采場頂板中上部區(qū)域受到拉應(yīng)力，隔離層靠近地表部分主要受到拉應(yīng)力作用，靠近采場采空區(qū)部分受到剪應(yīng)力作用。

穩(wěn)定性分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，開挖后塑性區(qū)主要出現(xiàn)在頂板附近區(qū)域，塑性變形區(qū)域很薄。隔離層底部出現(xiàn)1～2m的塑性區(qū)域，表現(xiàn)為拉伸和剪切破壞，但隔離層絕大部分處于穩(wěn)固狀態(tài)，塑性區(qū)影響很小。開挖前和開挖后求得的安全系數(shù)分別為4.81、2.63，相對較高，說明邊坡處于安全狀態(tài)。

結(jié)語

本文以某錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采為背景，根據(jù)礦山選用隔離層厚度以及上部露天開采所形成的邊坡形態(tài)，通過CAD 整理模型平面圖，應(yīng)用有限元軟件ANSYS 建立數(shù)值模型，應(yīng)用FLAC3D 進行露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡及隔離層的穩(wěn)定性數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1、應(yīng)用Auto CAD、ANSYS、FLAC3D 三者結(jié)合，單元網(wǎng)格劃分能夠精確控制，建立的數(shù)值模型更加貼近工程實際。

圖7 最大主應(yīng)力云圖

圖8 最小主應(yīng)力云圖

2、露天轉(zhuǎn)地下開采中地表沉降主要出現(xiàn)在采空區(qū)上方的上盤區(qū)域，下盤沉降量相對很小。在地下采場采空區(qū)中，頂板位移遠(yuǎn)大于底板位移，最大位移出現(xiàn)在頂板靠近采空區(qū)的中部區(qū)域。

3、露天轉(zhuǎn)地下開采中，上盤中上部和各個邊坡臺階坡頂線附近區(qū)域拉應(yīng)力相對較大，隔離層上下部受力比較復(fù)雜。

4、根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果得出的塑性變形區(qū)和安全系數(shù)顯示，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。礦山選用隔離層為22m滿足邊坡穩(wěn)定和安全生產(chǎn)要求。