FLAC3D 在采場進路穩定性分析中的應用

聶潁超，房智恒，2

(1.中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410007)

(2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

在地下礦山開采前，巷道圍巖處于原巖應力狀態，隨著回采的進行，采場附近的原巖應力發生改變，從而使得該部分巖體內的應力狀態重新分布，而改變后的應力狀態是否會影響采場的穩定，這是一個必須要考慮的問題［1-2］。在以往的設計工作中，對于采場參數(比如礦柱尺寸、進路寬度等)的選取往往是根據類似礦山數據或者設計者主觀經驗，而該參數是否會影響回采的安全，在開采前則不得而知。鑒于此，本文采用目前國際巖土工程領域認可度較高的FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件，對某鉻鐵礦上向進路充填法的采場進路穩定性進行分析，來驗證設計中選取的結構參數對回采安全性的影響。

1 工程概況

某鉻鐵礦主要有3 個主礦體，即Cr-80、Cr-88、Cr-89。Cr-80 礦體走向近東西，傾向南南東，南北兩端傾角在30°左右，中間部位傾角在50°～60°，平均厚度約9.1 m。Cr-88 礦體東西長200 m，南北寬近200 m，，礦體平均傾角40.8°，平均厚度約4.6 m。Cr-89 礦體東西長160 m，南北寬100 m 左右，礦體斜深100～160 m，礦體平均傾角46.6°，平均厚度約5.3 m。

礦區礦巖穩固性均較差，根據目前的生產探礦現狀，井巷工程需要全支護。水文地質條件簡單。根據礦床的賦存條件及工程、水文地質條件，設計采用上向進路充填法開采［3］，見圖1。充填骨料為棒磨砂，膠結材料為普通硅酸鹽水泥。

階段高度為40 m，分段高度10 m，分層高度約3.3 m。礦塊長40 m，寬為礦體厚度。礦塊和進路均沿礦體走向布置，進路寬度一般為3.3 m，高為3.3 m。一期進路回采完成后即進行充填，進路頂部澆面層0.5 m，灰砂比1 ∶4，充填體強度大于3.0 MPa，進路底部厚度2.8 m，灰砂比1∶10，充填體強度達到2.0 MPa。

二期進路頂部澆面層0.5 m，灰砂比1∶4，充填體強度大于3.0 MPa;進路底部厚度2.8 m，灰砂比1∶20，充填體強度達到1.0 MPa。

圖1 采礦方法圖

2 采場位移及應力數值模擬

為了解所采用上向進路采礦方法對采場頂底板穩定性影響，擬對礦體開采做數值分析，主要模擬采場頂底板應力、位移情況。數值分析采用三維有限差分法軟件FLAC3D，FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。可用來計算地下或地表挖掘中的壓力和位移變化情況，廣泛用于礦山地下開采穩定性分析、脆弱巖石的復雜隧道問題，地下發電站硐室及地表挖掘如礦山豎井、斜井等。

2.1 創建模型

數值模擬的可靠程度一定程度上取決于所建立的計算模型［4］。數值模擬模型的范圍大小及單元的劃分對數值模擬結果的精度及可靠性有著十分重要的影響，在計算機條件允許的情況下，計算域盡可能取大些，至少應能夠基本保證由于開挖引起的圍巖最大移動范圍或變形范圍處于計算區域以內［5］。因此，根據3 個主礦體的空間賦存狀態，選取具有代表性的Cr-80 礦體深部作為本次計算區域。本次模擬僅為說明進路回采對采場穩定性的影響，故為簡化計算，取簡單模型進行計算說明，進路寬約3.3 m，進路高度3.3 m，根據礦體的埋深及賦存空間狀態，選取整個計算模型尺寸為:X 方向166 m，Y 方向280 m，Z 方向510 m。邊界約束條件為:模型左右兩側X 向位移被約束，下側Y 向位移被約束。地應力只考慮由自重產生，不計構造應力。地質體三維實體模型必須賦有必要的地質屬性才有一定的力學計算意義，這些力學屬性包括:地質體巖性、體重、抗拉強度、切變模量、體積模量、內摩擦角、黏聚力等。選擇正確力學參數是數值模擬計算結果符合實際的重要保證，同時力學參數的確定也涉及到計算區域內巖體介質類型的簡化，在進行力學計算時，考慮到巖體的各向異性以及裂隙、節理等弱面和水的影響，必須對實驗室中獲得的力學參數進行折減［6-7］，根據該鉻鐵礦的地質報告及經驗選取折減系數，折減后的礦、巖的力學參數見表1。屈服準則采用摩爾—庫倫準則。

采用六面體單元對三維模型進行剖分，采場以外圍巖X 方向單元尺寸20 m，Y 方向20 m，Z 方向20 m，采場內部X 方向2 m、Y 方向2 m，Z 方向2 m，劃分單元總個數為107 840 個，節點總個數為115 703 個。模型四周及底部采用X、Y、Z 方向位移全約束，頂部為自由面。計算模型網格劃分見圖2。

圖2 計算模型網格劃分

表1 各地質體力學參數表

2.2 開采位移、應力模擬

地下采場開挖，將破壞整個區域應力分布，導致大量圍巖進入塑性狀態。其中采場頂底板一般產生拉應力集中，兩側及下部產生壓應力集中，對于該鉻鐵礦來講，主要考慮拉應力情況。圖3～10 為采場不同部位的位移、應力分布云圖。

圖3 采場端部5 m 處Z 方向位移圖

圖4 采場端部5 m 處最大主應力圖

圖5 采場端部10 m 處Z 方向位移圖

圖6 采場端部10 m 處最大主應力圖

圖7 采場端部15 m 處Z 方向位移圖

圖8 采場端部15 m 處最大主應力圖

圖9 采場端部20 m 處Z 方向位移圖

圖10 采場端部20 m 處最大主應力圖

2.3 模擬結果分析

(1)采場進路應力分布特征。隨著采場開挖擾動后，所受應力基本上為壓應力，拉應力僅出現在進路中部的頂板處，且局部拉應力均小于0.1 MPa，說明進路回采過程中，進路因應力過于集中而破壞的可能性較小;

(2)頂板位移變化分析。由采場端部各處的Z方向位移云圖可以看出，進路頂板下沉量很小，最大下沉量小于1.5 cm，說明進路頂板不會因位移過大而發生冒頂現象。位于上盤的進路在靠近上盤的邊幫位移量相對較大，達到3 cm，對比該鉻鐵礦先期開采時所檢測的圍巖變形數據，仍然是比較安全的。

3 結語

(1)通過FLAC3D對該鉻鐵礦采場開挖進行了模擬計算，模擬的分析結果表明，在當前的采場結構參數下，進路不會隨回采的進行而發生失穩或破壞。

(2)FLAC3D數值模擬軟件僅能從理論上對采場穩定性進行分析，在實際開采過程中，采場的安全還與圍巖條件、爆破質量、支護措施等有密切關系。

(3)文中僅對目前的采場參數進行了模擬分析，并不能表明該參數就是最優，下一步仍需進行相應的優化研究。

［1］解世俊.金屬礦床地下開采［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［2］呂淑然，劉紅巖.礦體開采的FLAC3D數值模擬分析［J］.礦冶，2006，15(4):1-4.

［3］《采礦手冊》編寫委員會.采礦設計手冊:礦床開采卷(下冊)［M］.北京:中國建筑工業出版社，1987.

［4］劉曉明，羅周全，張 保.上向分層回采采場穩定性數值模擬研究［J］.礦冶工程，2009，29(4):10-13.

［5］楊家冕，劉人恩，王星.數值模擬在分層充填法采場參數選擇中的應用［J］.金屬礦山，2011，(3):29-35.

［6］房智恒，王李管，熊張友.基于Micromine-FLAC3D耦合技術的金屬礦采礦擾動影響分析［J］.采礦與安全工程學報，2012，29(6):870-875.

［7］梅啟雙，張電吉，周春梅，等.充填體支護性能對采場圍巖應力應變影響機理［J］.武漢工程大學學報，2011，33(7):69-72.