內蒙古太平自然崩落法拉底方式3DEC模擬分析研究

程文文，姜永恒

（長春黃金研究院有限公司，吉林 長春 130000）

太平礦業(yè)經過多年大規(guī)模的露天開采保有儲量日漸減少，礦區(qū)整體地質品位較低，礦巖破碎，開采難度較大，急需從露天轉入地下進行開采，采用自然崩落法對深部資源進行開采，因此利用3DEC軟件分析模擬確定最優(yōu)拉底方式，為后續(xù)工藝設計及現(xiàn)場工業(yè)應用提供重要指導依據(jù)[1，2]。

1 3DEC簡介

3DEC（Three Dimension Distinct Element Code）是基于離散元基本理論由Cundall和Hart于1985年開始正式開發(fā)的用于解決離散介質不連續(xù)問題的三維分析軟件，其延續(xù)了二維的UDEC的核心思想，具備靜力學、熱力學和動力學三類不同問題的求解模塊，同時對流體問題有一定的考慮。另外，其還開發(fā)提供了FISH高級程式語言，可以自由定義變量和函數(shù)，且為命令驅動模式的分析軟件，因而為使用者提供了極大的自主空間[3]。

在PFC中定義的“顆?！迸c力學中廣泛定義的“顆粒”不同，在力學中“顆?！蓖ǔ６x為一個質點，而在PFC中顆粒是具有一定體積的顆粒。

顆粒流模型中顆粒的運動符合牛頓第二定律，通過力—位移法則來描述相互接觸顆粒的接觸力和相對位移。在PFC顆粒流模型中作了以下假設：

（1）散體的顆粒單元假設為剛度很大的球體；

（2）可把顆粒的接觸假設為點接觸；

（3）顆粒之間的接觸特性假設為柔性接觸，允許顆粒之間出現(xiàn)一定的“重疊”，“重疊”量的大小與接觸力有關，但與顆粒單元相比，“重疊”量很小。

2 參數(shù)設定

通過進行相關巖石力學物理力學試驗，同時考慮了必要的尺寸效應進行折減，最終確定力學參數(shù)如下表1[4]。

表1 巖石實際物理力學參數(shù)與巖石模擬物理力學參數(shù)對照表

3 拉底方案初選

為了有效的研究拉底工程條件下的崩落過程以及初始和持續(xù)崩落規(guī)律，確定合理的拉底順序，根據(jù)拉底順序與實際礦體形態(tài)及工程布置情況結合探知，提出了兩種拉底順序，并對其分別進行了模擬研究。

拉底方案的計算方式：靜力分析（Static Analysis）。

為了消除大多數(shù)網格頂點的速度分量周期性為零時的動能，計算時默認的阻尼為局部阻尼，局部阻尼對于求解靜力平衡是一個非常有效的計算法則且不會引入錯誤的阻尼力[5，6]。

模擬方案①：沿礦體走向從西向東沿對角式按順序拉底（各拉底巷根據(jù)不同位置順序推進）。

模擬方案②：沿礦體走向從中間向兩端擴展拉底（各拉底巷均從采場中部向上下盤推進）。

根據(jù)上述所提出的拉底方案可知，方案①和方案②總體上沿礦體走向，各拉底巷則均從礦體下盤往上盤推進，共分為12步。

4 對比模擬分析過程

太平礦業(yè)體近似為上寬下窄的片狀礦體，為了便于模型的數(shù)值的計算，根據(jù)礦體賦存條件，采用長1800m，寬180m，高620m的近似礦體的模型來模擬礦體，并根據(jù)礦體的實際結構面數(shù)據(jù)，對模型施加節(jié)理，采用“JSET”命令生成一系列所需要的不連續(xù)面，同時根據(jù)所設計的拉底順序分別對其劃分區(qū)域[5，6]。

4.1 方案①崩落數(shù)值模擬

根據(jù)上述兩種拉底順序設計要求，分別編寫命令流進行開挖模擬。方案①整個拉底過程中崩落礦石位移變化等值線云。

根據(jù)方案一整個拉底過程中的礦巖不平衡力、速率及位移變化情況可知，每一步拉底之后，礦體中的不平衡力都有一個急劇增大的過程。在整個拉底過程中，當開始第一步拉底時，拉底區(qū)域上方礦體出現(xiàn)一定的拉裂破壞，但沒有出現(xiàn)較大面積的垮落；隨著拉底面積的增大，第二步已出現(xiàn)明顯的礦巖脫落，且促進礦巖崩落的不平衡力已經開始逐漸增大，此時已經開始初始崩落階段；增加拉底步數(shù)的話，會讓礦體崩落的不平衡力急劇增大，均衡在一個較高的水平，礦體的崩落范圍已經達到了上部最大化，此時處于一個持續(xù)崩落狀態(tài)，即已開始了持續(xù)崩落階段；當所有拉底工作完成后，可以發(fā)現(xiàn)大部分礦體已經發(fā)生崩落，崩落情況較好，符合預期崩落要求。

4.2 方案②崩落數(shù)值模擬

對方案②繼續(xù)進行數(shù)模模擬，從模型底部結構中部向兩側拉底，逐步模擬礦體崩落的過程。

根據(jù)方案②顯示，礦巖不平衡力及速率、位移變化情況變化，每一步拉底，礦體發(fā)生崩落破壞的不平衡力會有一個急劇增大的過程。但方案②在第一步拉底時，礦體的不平衡力增大并不明顯，無大面積垮落，近似于平衡狀態(tài)，拉底面積逐步增加，到第二步時有明顯的礦巖脫落現(xiàn)象，且范圍較大，此時開始初始崩落階段；當拉底進行到第四步時，礦體的崩落范圍已完全到達了上部邊界，已處于持續(xù)崩落階段；當結束所有拉底工作時，大部分礦體都已崩落，因而若采用此拉底順序需要輔以相應的割幫等工程，以促使礦體完全崩落。

4.3 拉底方式選擇

應用3DEC對礦體進行崩落數(shù)值模擬，分別對方案①及方案②進行崩落模擬，其中方案①自西向東對角式逐步進行崩落的崩落模擬情況較好，礦體崩落較為完全，方案②整體崩落順序從礦體中部向四周擴散，礦體崩落效果也較為理想，但當拉底進行到礦體邊界時，礦體頂部存在部分礦塊未崩落完全，后期可能需要進行誘導崩落。根據(jù)位移分布圖可知，方案①中的監(jiān)測點最大位移為168m，方案②為154m，方案①崩落效果較為完全，且從不平衡力分布圖中可知，每一步時進行時，方案①的不平衡力變化相對于方案②的變化更為明顯，崩落效果稍好，但是兩方案之間數(shù)據(jù)指標差異并不明顯。綜合考慮太平礦業(yè)深部礦體形狀規(guī)格、不同區(qū)域軟弱破碎程度、礦體品位分布情況等計算機模擬并不能完全反映的上述因素，最終建議太平礦業(yè)自然崩落法整體拉底回采順序為：自礦體中間品位較高處開始，沿礦體走向及上下盤順序崩落[7]。

5 結語

利用3DEC軟件對內蒙古太平礦業(yè)深部礦體自然崩落法拉底工藝進行對比模擬分析，對比分析模擬了不同拉底方式下，底部結構的應力變化及上部巖體的崩落規(guī)律。最終確定其最優(yōu)拉底方式為沿礦體走向從中間向兩端擴展拉底，其底部結構整體穩(wěn)定性較好，上部巖體崩落較為徹底，有利于自然崩落法的大規(guī)模應用。

但由于計算機模擬不可能完全反映現(xiàn)場實際情況，當后續(xù)深部開拓工程開始施工后，需盡快進行深部原巖應力測試及現(xiàn)場工程地質調查編錄建模，確定最大主應力方向、大小以及大規(guī)模構造面發(fā)育情況，減少拉底巷道和出礦水平巷道破壞的可能性。