采場跨度優化數值模擬研究

葉樹學，陶 磊，胡京濤

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

采場跨度優化數值模擬研究

葉樹學，陶 磊，胡京濤

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

采場跨度是影響采場結構穩定性的重要因素。為確定采場回采的最優跨度，以礦山實際地質條件為基礎，借助FLAC3D數值計算軟件，分別對采場跨度為6，8，10 m和12 m 4種情況進行數值模擬，并從最大主應力、垂直方向沉降及塑性區3方面對不同跨度情況進行對比分析，最終確定采場回采最優跨度為8 m。

采礦跨度；數值模擬；采場沉降

1 礦山概況

某鋁土礦山某采場下分段位于北區1150分段和1160分段之間，采場標高確定巖體埋藏深度為220 m，礦體沿走向長50 m，沿傾向為70 m，礦體平均真厚度為4.43 m，傾角8°左右。礦塊呈似層狀單斜產出，總體傾向北西，傾向為330°～340°。采場周邊地質構造整體比較簡單，南部為F32斷層，北部為F19斷層的紅花寨礦塊。采場屬沉積型鋁土礦床，含礦巖系為下石炭統大塘組(C1d)。含礦巖系厚度具明顯二分性，上段為含鋁巖系，下段為含鐵巖系。上段含鋁巖系(C1d2)由粘土巖、黃鐵礦、鋁土巖、鋁土礦等組成，為鋁土礦礦體的產出層位，具工業價值的鋁土礦礦體產于含鋁巖系中。

為準確獲得鋁土礦床的物理力學性質，在現場在礦體、上下盤圍巖等具有代表性的位置及非爆破開挖方式產生的大塊上進行取樣，以減少爆破損傷對巖石力學性質的影響。并在實驗室進行一系列巖石力學物理力學試驗，確定礦床相關巖體的巖石物理力學參數(見表1)。

表1 試驗所得巖石物理力學參數

2 FLAC3D數值模擬方法

在采礦、水利和地下工程中，經常會遇到巖石力學問題，這些問題包括確定工程開挖前后的應力和位移及其在開挖過程中力學參數的變化，以便為設計和施工提供可靠的依據。已有的巖石力學理論解只能解決圓形或橢圓形硐室等簡單工程形狀的問題，對于幾何形狀復雜的硐室或采場只能用數值方法來近似求解。

FLAC3D數值模擬軟件是一款連續介質力學分析軟件，它的基本分析原理是源于流體力學的拉格朗日差分法。包含11種材料本構摸型、5種計算模式和多種單元形式及邊界條件，可以模擬巖土體的多種施工工況，具有諸多優點：

(1) 采用混合離散法，所有的應力、應變等變量均在網格劃分后的四面體上進行，而六面體單元上的變量可通過加權平均計算得到，采用此法來模擬土體材料的塑性破壞和塑性流動；

(2) 采用有限差分法，無論是非線性本構關系還是線性本構關系，其實質上并無差別，只需根據已知的應變增量就可以很方便地求出應力增量和不平衡力，無需形成剛度矩陣，也無需推導大變形本構模型；

(3) 在求解過程中通過增加阻尼力來使系統運動衰減至平衡狀態，采用此法在處理不穩定問題時不會遇到數值上的障礙。采用FLAC3D軟件對巖體進行摸擬的計算流程見圖1。

3 采場跨度數值模擬結果及分析

3.1 最大主應力分析

4種不同跨度的采場剖面最大主應力分布云圖見圖2。通過對比分析，可得如下結論：

圖1 FLAC3D計算流程

圖2 各方案最大主應力分布云圖

(1) 采場的開挖會引起周圍區域的應力重分布，采場的頂板和相鄰礦房位置呈現出一定的應力集中現象。

(2) 當跨度為6 m、8 m時，頂板最大主應力值分別為0.088 MPa、0.125 MPa，二者均處于拉應力狀態，且應力集中范圍較小，說明采場處于穩固狀態；當跨度增加到10 m時，最大主應力值為0.405 MPa，呈現為拉應力狀態，處于護頂礦壁極限抗拉強度值附近，但直接頂板部分巖體破碎不穩固，在該拉應力作用下可能發生破壞，因此頂板圍巖存在一定程度的失穩危險；當跨度增加到12 m時，最大主應力值為0.9 MPa，呈現為拉應力狀態，且其值遠大于抗拉強度，說明采場頂板處一定發生剪切破壞或拉伸破壞。

(3) 隨著采場跨度的增加，相鄰礦房部分處于較大壓應力范圍內，但該值沒有超過巖體的單軸抗壓強度，不足以造成采場圍巖的屈服破壞。

3.2 垂直方向沉降分析與比較

4種不同跨度的采場剖面垂直方向位移分布云圖見圖3。通過對比分析，可得如下結論：

圖3 各方案垂直方向位移云圖

(1) 采場開挖之后，頂底板都出現不同程度的位移變化，其中頂板主要呈現出下沉現象，而底板則呈現出底鼓現象。

(2) 當跨度為6，8，10，12 m時，頂板沉降量最大值分別為0.98 cm、1.14 mm、1.3 cm、1.47 cm，其值較為接近，因此可以認為在單純開挖一個礦房時，跨度的增加對頂板的沉降量沒有太大的影響；從垂直沉降的影響范圍來看，跨度從10 m增加到12 m后，影響范圍有了很大的變化，因此可以認為12 m的跨度將引起大范圍的沉降，對礦體開采不利。

(3) 因為該礦埋深較淺，地應力較小，底板的底鼓現象并不嚴重，在實際工作中該影響可忽略不計。

3.3 塑性區分析與比較

4種不同跨度采場的剖面塑性區分布云圖見圖4。通過對比分析，可得如下結論：

圖4 各方案塑性區分布云圖

(1) 采場開挖后，采場頂底板及兩幫均出現不同程度的塑性區，但隨著開挖跨度的增加，兩幫塑性區范圍幾乎沒有改變，而采場頂板的塑性區范圍則有所擴大，說明隨著采場跨度的增加，頂板容易發生剪切破壞，需要加強頂板的支護工作。

(2) 當采場跨度為6 m、8 m時，護頂礦壁和直接頂板塑性區表現為shear-p、tension-p，即為彈性，小范圍區域內出現剪切破壞區域(shear-n)，因此可以認為該范圍內巖體在荷載作用下仍處于彈性變形階段，但開挖區域周邊圍巖經歷過應力峰值，說明頂板仍處在較為穩固的狀態，局部破碎區域需要加強支護；當采場跨度為10 m、12 m時，護頂礦壁和直接頂板出現剪切破壞的區域(shear-n)，且直接頂板與間接頂板的接觸面上出現復合破壞區域(shear-n、tension-n)，此時采場已經處于失穩狀態。

4 結 論

FLAC3D軟件針對采場跨度分別為6，8，10 m和12 m 4種情況，分別進行數值模擬分析，從最大主應力方面考慮，當跨度增加到10 m時，礦壁圍巖存在一定程度的失穩危險；從垂直方向沉降方面考慮，當跨度增加到12 m時，將引起大范圍沉降；從塑性區分布方面考慮，當跨度增加至10 m時，圍巖出現大范圍剪切破壞及部分復合破壞，采場易失穩；綜合可得，采場極限跨度為8～10 m區間內，為保障一定的安全邊際，確定采場跨度的最優值為8 m。

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2017-03-29)