基于GTS-FLAC3D的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

何環(huán)莎，黃英華，黃 敏

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南長沙 410012）

基于GTS-FLAC3D的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

何環(huán)莎1，2，黃英華1，2，黃 敏1，2

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)，采用FLAC3D對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬分析研究，共設(shè)計(jì)9種采場模型，根據(jù)開挖后采場頂板及圍巖應(yīng)力重新分布、塑性區(qū)變化規(guī)律確定盤區(qū)礦柱尺寸及采場寬度的合理范圍。研究結(jié)果表明：采場穩(wěn)定性的主要影響參數(shù)為采場寬度，盤區(qū)礦柱的大小主要影響盤區(qū)開采整體穩(wěn)定性；采場寬度和盤區(qū)礦柱寬度均應(yīng)保證15m以上。研究結(jié)論可為礦山開采設(shè)計(jì)中采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；應(yīng)力場分布；FLAC3D

巖土工程廣泛常用的數(shù)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(zhì)的非均性、工程開挖、充填及支護(hù)等方面具有很高的靈活性，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界及載荷條件方面顯示出獨(dú)特性，因此應(yīng)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(jìn)行，高效回采，需根據(jù)礦體、圍巖穩(wěn)定性特征，選擇合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證回采過程中采場及上、下盤圍巖的穩(wěn)定。采用有限差分程序FLAC3D對該鐵礦-420m中段3個盤區(qū)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多種方案的模擬和對比分析，提出合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，為礦山下一步生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 幾何模型與力學(xué)參數(shù)的確定

1.1幾何模型

首先利用邁達(dá)斯GTS的前處理功能進(jìn)行地質(zhì)體及工程結(jié)構(gòu)的三維幾何建模和網(wǎng)格劃分，然后利用FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言，將已建好的三維計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)導(dǎo)入至FLAC3D中，再利用FLAC3D的計(jì)算、求解功能進(jìn)行數(shù)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(shí)設(shè)置y方向?yàn)榈V體的走向，x方向?yàn)榈V體的傾向。最終所建模型x方向?yàn)?028m，y方向?yàn)?00m，z方向?yàn)?20m，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(xué)參數(shù)的確定

三維數(shù)值模擬分析采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，為了充分模擬礦體的開采過程和采空區(qū)的充填過程，礦體開挖采用了空單元模型。根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則對試驗(yàn)得出的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，得出礦山圍巖、礦體及充填體的巖體力學(xué)參數(shù)值，見表1。

表1　巖體力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.1模擬方案的確定

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

圖2　GTS采場劃分網(wǎng)格模型

通過對-420m中段3個盤區(qū)的回采進(jìn)行數(shù)值模擬和對比分析，確定沿礦體走向每100m劃分為一個盤區(qū)，盤區(qū)礦柱寬度分為3種：10，15，20m，盤區(qū)寬為礦體水平寬度，對應(yīng)的采場長度分別為：90，85，80m。每個盤區(qū)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(jìn)行回采，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案表見表2。

表2　采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案表

根據(jù)不同的方案進(jìn)行模擬計(jì)算后，選取有代表性的剖面位置對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，通過一系列剖面來反映模型內(nèi)部信息，展現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的應(yīng)力分布及塑性區(qū)變化結(jié)果。

3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)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(yīng)力及塑性區(qū)變化規(guī)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(jìn)行回采的應(yīng)力及塑性區(qū)變化趨勢，從而選擇最合理的采場寬度。

礦體開挖后，采場頂?shù)装甯浇鼞?yīng)力釋放，應(yīng)力值減小，局部產(chǎn)生拉應(yīng)力。最大主應(yīng)力場中，一步驟回采后，最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)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(wěn)，采場及充填體均比較穩(wěn)定，采場區(qū)域外形成應(yīng)力集中，壓力值隨著采場寬度增大而增大。最小主應(yīng)力場中，當(dāng)采場寬度為13m和15m時(shí)，一步驟回采后應(yīng)力集中主要只出現(xiàn)-382.5m分段采場和-395m分段采場底板附近，當(dāng)寬度增大到17m時(shí)，-407.5m分段采場底板也出現(xiàn)應(yīng)力集中，且-395m分段采場頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中，拉應(yīng)力范圍明顯增大；二步驟回采后采場頂?shù)装迨芾秶M(jìn)一步擴(kuò)大，充填體頂?shù)装逄幊霈F(xiàn)受拉區(qū)域，但整個采場頂?shù)装鍏^(qū)域應(yīng)力變化較穩(wěn)定。另外二步驟回采后，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在一步驟充填體外側(cè)巖體，雖然巖體內(nèi)最大主應(yīng)力達(dá)到 25mPa，但巖體處于三維應(yīng)力狀態(tài)，受第二主應(yīng)力及第三主應(yīng)力的影響，巖體整體穩(wěn)定，塑性區(qū)分布圖也證實(shí)此處未出現(xiàn)塑性破壞，此處的應(yīng)力集中區(qū)距離采場較遠(yuǎn)，中間有充填體隔離，對采場和礦柱的整體穩(wěn)定性影響不大。不同采場寬度下的最大最小主應(yīng)力值見表3。圖3、圖4為采場寬度15m時(shí)，一步驟回采及二步驟回采后采場圍巖的最大最小主應(yīng)力分布云圖。

表3　采場圍巖中沿傾向的最大、最小主應(yīng)力

當(dāng)采場寬度為13m時(shí)，采場頂?shù)装鍛?yīng)力集中范圍較小，采場頂板的局部區(qū)域出現(xiàn)塑性破壞區(qū)；當(dāng)采場寬15m時(shí)，采場頂?shù)装宓膽?yīng)力集中范圍、主應(yīng)力值和頂板塑性破壞區(qū)增大，但塑性破壞區(qū)不連續(xù)；當(dāng)采場寬17m時(shí)，采場頂?shù)装宓膽?yīng)力集中范圍、主應(yīng)力值和頂板塑性破壞區(qū)域明顯增大，采場穩(wěn)定性變差，不同采場寬度的塑性變形區(qū)域見圖5。

當(dāng)采場寬度13m和15m時(shí)，采場頂?shù)装宓膽?yīng)力場與塑性破壞區(qū)域的變化都比較穩(wěn)定，寬度增大至17m時(shí)穩(wěn)定性變差。為了保證安全生產(chǎn)，提高采場生產(chǎn)能力，建議選擇采場寬度15m。

3.2盤區(qū)礦柱對比分析

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

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

圖3　一步驟回采主應(yīng)力場云圖

圖4　二步驟回采主應(yīng)力場云圖

圖5　沿傾向塑性變形區(qū)域

表4　礦柱中沿走向的最大、最小主應(yīng)力

4 　結(jié) 論

當(dāng)盤區(qū)礦柱10m時(shí)，礦柱中部出現(xiàn)剪切破壞變形，穩(wěn)定性較差，當(dāng)寬度增大到15m和20m時(shí)，礦柱中部未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。礦柱10m時(shí)，礦柱產(chǎn)生剪切破壞，增大到15m時(shí)，剪切破壞區(qū)域消失。15

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

（2）當(dāng)盤區(qū)礦柱10m時(shí)，礦柱中部出現(xiàn)剪切破

壞變形，穩(wěn)定性較差；當(dāng)寬度增大到15m和20m時(shí)，礦柱未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，穩(wěn)定性較好。

（3）為保證采場的安全生產(chǎn)，提高采場生產(chǎn)能力、減少采準(zhǔn)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(qū)礦柱保留15m，即采場長度85m，采場寬度15m。

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收稿日期：（2016-03-21）

作者簡介：何環(huán)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(shù)方面的工作，Email：hehuansha@163.com。