基于FLAC的某礦山開采技術(shù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析

黃程輝

（香花嶺錫業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 郴州 424300）

·采 選·

基于FLAC的某礦山開采技術(shù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析

黃程輝

（香花嶺錫業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 郴州 424300）

應(yīng)用FLAC軟件對(duì)湖南某礦山采場穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，繪制礦柱不同厚度下采場頂板的位移分布云圖及應(yīng)力分布云圖，確定當(dāng)該礦山采場礦房跨度為30 m時(shí)礦柱最佳設(shè)置厚度應(yīng)為6 m，為該礦山采場開采時(shí)礦柱的合理布置提供了可靠依據(jù)，對(duì)該礦山安全生產(chǎn)具有積極指導(dǎo)意義。

礦山；FLAC；技術(shù)參數(shù)；數(shù)值模擬

采礦工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)快速、健康增長的最基本保障，但礦業(yè)也是一個(gè)高危行業(yè)，其生產(chǎn)過程中的事故也屢見不鮮，而礦山開采事故產(chǎn)生絕大數(shù)與其采場參數(shù)設(shè)置不合理有關(guān)，本文擬采用數(shù)值分析軟件FLAC對(duì)某礦山采場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定合理的開采技術(shù)參數(shù)，為該礦山生產(chǎn)做出指導(dǎo)，降低開采事故。

1 礦山概況

該礦山位于湖南省南部，礦體平均傾角13°，礦巖較為穩(wěn)固，礦脈在760 m標(biāo)高位置與斷層錯(cuò)位、交叉，開采標(biāo)高已至760 m，且760 m標(biāo)高以上礦脈有部分下沉現(xiàn)象，礦體的頂板為硬質(zhì)砂巖，礦體底板為變質(zhì)泥質(zhì)砂巖，礦體為斑狀花崗巖，圍巖和礦石均不易風(fēng)化溶解且無巖溶等現(xiàn)象。礦山企業(yè)提供巖體力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 礦山巖體力學(xué)參數(shù)表

2 基于FLAC的礦區(qū)采場模擬計(jì)算與分析

2.1 FLAC算法簡介

FLAC的數(shù)值模型是由四邊形單元的有限差分網(wǎng)格組成，網(wǎng)格內(nèi)部又將四邊形單元分成兩組常應(yīng)變?nèi)切螁卧猘、b、c、d，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格內(nèi)部計(jì)算示意圖

其中各個(gè)三角形單元的偏應(yīng)力分量系統(tǒng)上是相互獨(dú)立，總計(jì)有16個(gè)應(yīng)力分量，節(jié)點(diǎn)的外力為重疊的四邊形的兩組外力矢量的平均值。依據(jù)高斯散度定理有：

并將（2）代入（1）：

對(duì)一個(gè)三角形子單元：

式中：ni為曲面的單位法向量；f為標(biāo)量、向量或張量；s為增量弧長；＜＞表示求平均值。

用每一邊速度矢量均值ui代替（4）式中的f，ui取各條邊兩端點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)a和b的速度平均值，則：

根據(jù)材料的本構(gòu)方程及相對(duì)應(yīng)的邊界約束條件，就可以計(jì)算其相應(yīng)的應(yīng)力增量。對(duì)各向同性的材料，有：

式中：λ和μ為拉梅常數(shù)；θ為體積應(yīng)變，當(dāng)i和j相同時(shí)δij為1，否則其值為0。

對(duì)上述各式的迭代運(yùn)算，就可以計(jì)算出每一迭代時(shí)步對(duì)應(yīng)的單元的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值。

2.2 模擬方法

由于該礦體傾角小，屬于典型的緩傾斜礦脈，采場礦體開采時(shí)，上覆巖層所產(chǎn)生的重力將作用于空區(qū)頂板上，此時(shí)，頂板局部將會(huì)有拉應(yīng)力的產(chǎn)生，一般來說當(dāng)內(nèi)部存在的拉應(yīng)力大于或接近頂板自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，采場頂板就會(huì)有斷裂、冒落的可能，且靠近礦柱的部位，將存在較大的應(yīng)力集中，造成生產(chǎn)安全隱患。因此，在礦體開采時(shí)應(yīng)確定頂板合理的暴露面積及礦柱的尺寸，保證開采時(shí)頂板與礦柱銜接處的拉、壓應(yīng)力在合理的范圍，使其低于相應(yīng)的抗拉、抗壓強(qiáng)度。

礦柱作為采場穩(wěn)定性狀態(tài)的重要表征，礦柱一旦發(fā)生破壞，整個(gè)采空區(qū)穩(wěn)定性均要受到影響，合理的布置礦柱是保證采空區(qū)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，為此針對(duì)該礦山采場中礦柱尺寸布置利用FLAC進(jìn)行模擬分析。本次模擬是以擬確定該采場礦房跨度30 m條件下，確定合理礦柱尺寸，保證采場頂板穩(wěn)定。運(yùn)用FLAC軟件對(duì)礦柱厚度分別為2 m、4 m、6 m和8 m這四種條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，并分析其對(duì)采場的穩(wěn)定性影響，確定礦柱的最佳安全厚度。本次模擬計(jì)算模型為莫爾—庫侖（Mohr—Coulomb）模型，初始應(yīng)力場僅為重力場，模型其上邊界法向應(yīng)力約束，下邊界、左右邊界進(jìn)行固定位移約束，模型的模擬參數(shù)值取自表1。

2.3 模擬結(jié)果及分析

圖2 不同礦柱厚度采空區(qū)周邊應(yīng)力云圖

應(yīng)用FLAC軟件對(duì)不同礦柱尺寸下頂板受力狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，并繪出其不同礦柱厚度下頂板的應(yīng)力云圖，如圖2所示，從圖2中可以看出距離礦柱越近頂板所受的應(yīng)力越大，且隨著礦柱厚度增加頂板高應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，空區(qū)頂板所受拉應(yīng)力也逐漸減小。對(duì)比礦柱厚度為6 m和礦柱厚度為8 m時(shí)，頂板的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力云圖極為相似，即礦柱厚度超過6 m后頂板所受應(yīng)力變化已不明顯，可確定當(dāng)?shù)V柱厚度為6 m即為其最佳安全厚度。

繪出不同礦柱厚度條件下采空區(qū)周邊位移場分布，如圖3所示。從應(yīng)變?cè)茍D中可見，當(dāng)?shù)V柱厚度為2 m時(shí)，采空區(qū)頂板發(fā)生了較大的位移，其最大位移發(fā)生在距離礦柱較近的區(qū)域，說明礦柱厚度為2 m時(shí)，礦柱不足以承受采場上部的壓力發(fā)生了塑性屈服，采空區(qū)極有可能發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)；圖中顯示隨著礦柱厚度的增加，頂板的沉降量隨之減小，頂板的最大位移區(qū)域由靠近礦柱區(qū)域逐漸向采空區(qū)中間方向位置轉(zhuǎn)移；對(duì)比當(dāng)?shù)V柱厚度為6 m和8 m時(shí)的位移云圖，其空區(qū)頂板的最大位移極為接近，即當(dāng)?shù)V柱厚度大于6 m時(shí)，增大礦柱厚度對(duì)減小采空區(qū)頂板的位移沉降已影響不大。綜上，確定在該采場礦房跨度為30 m條件下，確定礦柱厚度6 m為其最佳厚度。

圖3 不同礦柱厚度采空區(qū)周邊位移云圖

3 結(jié) 語

將有限差分軟件FLAC應(yīng)用于湖南某礦山采場開采穩(wěn)定性的數(shù)值模擬計(jì)算中，確定該礦山采場礦房跨度為30 m時(shí)礦柱最佳安全厚度應(yīng)為6 m，為該礦山采場開采時(shí)礦柱的合理布置提供了可靠依據(jù)，且對(duì)該礦山安全生產(chǎn)具有積極指導(dǎo)意義。

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［3］龔劍，胡乃聯(lián)，王孝東，等.塌陷區(qū)下部采場頂板穩(wěn)定性分析及巖移預(yù)測［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，（2）：337－342.

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The Stability Analysis on a Certain Mine by FLAC Software

HUANG Cheng-hui

（Xianghualing Tin Industry Co.，Ltd.，Chenzhou 424300，China）

The numerical model of a certain mine in Hunan was simulated and its stability was analyzed by FLAC，and drawn the displacement contours and stress contours of the mine in different pillar thickness.The results show that when the mine span of 30 m，the optimal pillar thickness should be 6 m.The research makes a reasonable basis arrangement for the mine，and has positive significance for the mine safety.

mine；FLAC；technical parameters；numerical simulation

TD311

A

1003－5540（2015）04－0001－03

2015－05－10

黃程輝（1964－），男，工程師，主要從事采礦技術(shù)管理工作。