基于GTS-FLAC3D的采場結構參數優化分析

何環莎，黃英華，黃 敏

（1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南長沙 410012）

基于GTS-FLAC3D的采場結構參數優化分析

何環莎1，2，黃英華1，2，黃 敏1，2

（1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南長沙 410012）

摘 要：為確保某鐵礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法的安全生產，采用FLAC3D對采場結構參數進行模擬分析研究，共設計9種采場模型，根據開挖后采場頂板及圍巖應力重新分布、塑性區變化規律確定盤區礦柱尺寸及采場寬度的合理范圍。研究結果表明：采場穩定性的主要影響參數為采場寬度，盤區礦柱的大小主要影響盤區開采整體穩定性；采場寬度和盤區礦柱寬度均應保證15m以上。研究結論可為礦山開采設計中采場結構參數的設計提供參考。

關鍵詞：分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法；采場結構參數；應力場分布；FLAC3D

巖土工程廣泛常用的數值模擬方法有：有限差分法，有限單元法，邊界單元法，半解析法，離散元法和無界元法，以及有限元與邊界元的耦合等。這些方法中有限單元法和有限差分法在模擬多種介質的非均性、工程開挖、充填及支護等方面具有很高的靈活性，在處理復雜結構、復雜邊界及載荷條件方面顯示出獨特性，因此應用最為廣泛。為確保某鐵礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法安全進行，高效回采，需根據礦體、圍巖穩定性特征，選擇合理的采場結構參數，保證回采過程中采場及上、下盤圍巖的穩定。采用有限差分程序FLAC3D對該鐵礦-420m中段3個盤區采場結構參數進行了多種方案的模擬和對比分析，提出合理的采場結構參數方案，為礦山下一步生產提供技術依據。

1 幾何模型與力學參數的確定

1.1幾何模型

首先利用邁達斯GTS的前處理功能進行地質體及工程結構的三維幾何建模和網格劃分，然后利用FLAC3D內嵌的FISH語言，將已建好的三維計算模型的節點和單元數據導入至FLAC3D中，再利用FLAC3D的計算、求解功能進行數值模擬分析。

-420m中段采場的礦體平均真厚度約為30m，平均傾角約為20°，模型建立時設置y方向為礦體的走向，x方向為礦體的傾向。最終所建模型x方向為1028m，y方向為700m，z方向為720m，礦體三維可視化模型見圖1。

圖1　礦體三維可視化模型

1.2力學參數的確定

三維數值模擬分析采用摩爾-庫侖本構模型，為了充分模擬礦體的開采過程和采空區的充填過程，礦體開挖采用了空單元模型。根據Hoek-Brown準則對試驗得出的巖體力學參數進行折減，得出礦山圍巖、礦體及充填體的巖體力學參數值，見表1。

表1　巖體力學試驗參數

2 采場結構參數的確定

2.1模擬方案的確定

為了更真實地反映模型內應力的變化過程，模型初始應力平衡后，先進行-375m水平以上中段礦體的回采及充填過程模擬后再進行-420m中段采場開挖模擬。采場三維網格模型見圖2。

圖2　GTS采場劃分網格模型

通過對-420m中段3個盤區的回采進行數值模擬和對比分析，確定沿礦體走向每100m劃分為一個盤區，盤區礦柱寬度分為3種：10，15，20m，盤區寬為礦體水平寬度，對應的采場長度分別為：90，85，80m。每個盤區沿礦體傾向方向按3種采場寬度：13，15，17m劃分采場，高度為礦體的視厚度。分兩步驟“隔一采一”進行回采，采場結構參數方案表見表2。

表2　采場結構參數方案表

根據不同的方案進行模擬計算后，選取有代表性的剖面位置對模擬結果進行分析，通過一系列剖面來反映模型內部信息，展現數值計算的應力分布及塑性區變化結果。

3 采場結構參數優化分析

3.1采場寬度對比分析

通過對比分析，3種方案中采場寬度13，15，17m的應力及塑性區變化規律基本一致。選擇其中一種方案用來對比分析不同采場寬度下進行回采的應力及塑性區變化趨勢，從而選擇最合理的采場寬度。

礦體開挖后，采場頂底板附近應力釋放，應力值減小，局部產生拉應力。最大主應力場中，一步驟回采后，最大壓應力主要出現在采場4角位置，壓力值隨著寬度增大而增大；二步驟回采后，充填體與礦體圍巖一起形成平衡拱，壓力釋放平穩，采場及充填體均比較穩定，采場區域外形成應力集中，壓力值隨著采場寬度增大而增大。最小主應力場中，當采場寬度為13m和15m時，一步驟回采后應力集中主要只出現-382.5m分段采場和-395m分段采場底板附近，當寬度增大到17m時，-407.5m分段采場底板也出現應力集中，且-395m分段采場頂板出現應力集中，拉應力范圍明顯增大；二步驟回采后采場頂底板受拉范圍進一步擴大，充填體頂底板處出現受拉區域，但整個采場頂底板區域應力變化較穩定。另外二步驟回采后，應力集中主要出現在一步驟充填體外側巖體，雖然巖體內最大主應力達到 25mPa，但巖體處于三維應力狀態，受第二主應力及第三主應力的影響，巖體整體穩定，塑性區分布圖也證實此處未出現塑性破壞，此處的應力集中區距離采場較遠，中間有充填體隔離，對采場和礦柱的整體穩定性影響不大。不同采場寬度下的最大最小主應力值見表3。圖3、圖4為采場寬度15m時，一步驟回采及二步驟回采后采場圍巖的最大最小主應力分布云圖。

表3　采場圍巖中沿傾向的最大、最小主應力

當采場寬度為13m時，采場頂底板應力集中范圍較小，采場頂板的局部區域出現塑性破壞區；當采場寬15m時，采場頂底板的應力集中范圍、主應力值和頂板塑性破壞區增大，但塑性破壞區不連續；當采場寬17m時，采場頂底板的應力集中范圍、主應力值和頂板塑性破壞區域明顯增大，采場穩定性變差，不同采場寬度的塑性變形區域見圖5。

當采場寬度13m和15m時，采場頂底板的應力場與塑性破壞區域的變化都比較穩定，寬度增大至17m時穩定性變差。為了保證安全生產，提高采場生產能力，建議選擇采場寬度15m。

3.2盤區礦柱對比分析

為了更進一步確定盤區礦柱尺寸，選擇采場寬度15m，對3種不同盤區礦柱尺寸情形回采后的應力、塑性區變化進行對比分析，以確定合理盤區礦柱尺寸。

3種方案沿走向最大主應力以及最小主應力見表4。對比分析可知，沿走向最大主應力在盤區礦柱寬度增大的情況下變化很小，礦柱受壓基本保持平穩。盤區礦柱10m和15m時，應力集中部位主要出現在盤區礦柱頂部和4角位置，當寬度增加到20m時，礦柱頂部應力集中部位消失，4角處產生的應力集中范圍很小，礦柱穩定。3種方案的最大拉應力值均隨著回采步驟逐漸增大，變化率非常小，應力值隨著盤區礦柱增大而減小，方案三應力變化率最大。m和20m時，盤區礦柱都處于穩定狀態，根據提高生產能力的需求，確定盤區礦柱寬度15m為最合理方案。

圖3　一步驟回采主應力場云圖

圖4　二步驟回采主應力場云圖

圖5　沿傾向塑性變形區域

表4　礦柱中沿走向的最大、最小主應力

4 　結 論

當盤區礦柱10m時，礦柱中部出現剪切破壞變形，穩定性較差，當寬度增大到15m和20m時，礦柱中部未出現塑性破壞區。礦柱10m時，礦柱產生剪切破壞，增大到15m時，剪切破壞區域消失。15

（1）盤區分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法采場穩定性的主要影響參數為采場寬度，而盤區礦柱主要影響盤區開采的整體穩定性。

（2）當盤區礦柱10m時，礦柱中部出現剪切破

壞變形，穩定性較差；當寬度增大到15m和20m時，礦柱未出現塑性破壞區，穩定性較好。

（3）為保證采場的安全生產，提高采場生產能力、減少采準工作量，推薦該鐵礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法盤區礦柱保留15m，即采場長度85m，采場寬度15m。

參考文獻：

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收稿日期：（2016-03-21）

作者簡介：何環莎（1987-），女，湖南長沙人，助理工程師，主要從事金屬非金屬地下礦山安全技術方面的工作，Email：hehuansha@163.com。