某銅礦水平礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

黃惟盛，劉 波

(1.江西銅業(yè)集團(tuán)公司武山銅礦，江西瑞昌 332204;2.龍橋礦業(yè)有限公司，安徽廬江 231500)

1 引言

礦區(qū)在開采過程中，因階段高度較高，為確保采場及空區(qū)的穩(wěn)定，在-385～-400m之間預(yù)留15m厚的水平礦柱。水平礦柱西厚東薄，垂直厚度15m，寬度為15～45m，平均寬度30m左右，長度350m左右。-385m中段以上礦體順利地實現(xiàn)了礦房、礦柱兩步驟回采，充填體未出現(xiàn)大面積的坍塌垮落，水平礦柱的留設(shè)取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。目前，處于充填體下的水平礦柱，上部承載的充填體高度達(dá)到140m，再加上受水平作用力的影響，其穩(wěn)定性狀態(tài)如何不得而知。下部礦體尤其是礦柱回采，對水平礦柱的穩(wěn)定性影響程度無從考證，因此，研究深部開采對水平礦柱產(chǎn)生的影響，對指導(dǎo)礦山的安全、高效開采，具有重要的工程實用價值。針對FLAC3D前處理能力不足的缺陷導(dǎo)，本文采用基于surpac的FLAC3D模型自動生成的方式建立數(shù)值模型。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型構(gòu)建

FLAC3D前處理能力不足的缺陷導(dǎo)致在建立相對比較復(fù)雜的三維地質(zhì)體時顯得比較棘手，通常采用的方法是對模型進(jìn)行簡化，但過度的簡化使得數(shù)值模擬的結(jié)果變得不那么可靠［1］。因此尋找一種快速準(zhǔn)確的建模方法有一定的工程意義。礦業(yè)軟件surpac顯示出建模方面的優(yōu)勢，能精確、快速地建立復(fù)雜的三維地質(zhì)模型。采用surpac建立塊體模型，給塊體模型各單元賦以坐標(biāo)等屬性數(shù)據(jù)，將塊體模型以數(shù)據(jù)文件的形式導(dǎo)出，利用access對導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯轉(zhuǎn)化成FLAC3D識別的數(shù)據(jù)格式，再通過FLAC3D中的impgrid命令調(diào)入數(shù)據(jù)建立FLAC3D數(shù)值模型［2-3］。整個模型自動生成技術(shù)路線如圖1。

圖1 模型自動生成技術(shù)路線

根據(jù)礦體的賦存范圍，選取0線到20線之間共計14張地質(zhì)剖面圖，各中段共計12張平面圖。將地質(zhì)剖面圖、中段平面圖進(jìn)行編輯轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)使二維CAD平面圖轉(zhuǎn)化成surpac建模所需擴(kuò)展名為.str的三維線串文件。再通過線文件建立實體模型。兼顧計算精度和計算量，對最小單元格尺寸定為5m×5m×5m。根據(jù)實體模型的范圍建塊體模型，并對其約束即可得到礦體的塊體模型。根據(jù)實體模型約束條件，將塊體模型以數(shù)據(jù)文本的形式導(dǎo)出。

將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文本用access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編輯處理成impgrid調(diào)用的格式數(shù)據(jù)，利用FLAC3D命令impgrid調(diào)入編輯好的數(shù)據(jù)，生成FLAC3D數(shù)值模型。將模型向外圍發(fā)散原有的3～5倍，得整體的數(shù)值模型(如圖2)。

圖2 幾何模型沿礦體走向縱剖面圖

2.2 地應(yīng)力及邊界條件

參照文獻(xiàn)［3］中的實驗數(shù)據(jù)，礦區(qū)地應(yīng)力場回歸方程如下:

上式中:σ1，σ2，σ3分別為最大及最小水平主應(yīng)力、垂直方向主應(yīng)力的值，H為礦體賦存深度。

采取左右兩端邊界約束水平方向的位移，底部約束Z方向的位移的邊界限制。初始應(yīng)力采取在計算區(qū)域內(nèi)直接賦值，垂直方向施加，水平面的兩個邊界應(yīng)力根據(jù)最大主應(yīng)力的方向分別施加作用力。

2.3 介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬涉及的材料主要有矽卡巖、蝕變閃長巖、大理巖、礦體、充填體。這其中上盤圍巖中的矽卡巖含量較低且力學(xué)參數(shù)和閃長巖相類似，因此將上盤圍巖的巖性歸屬于閃長巖一類。上述三類巖體的力學(xué)參數(shù)室內(nèi)巖石試驗經(jīng)巖體工程化處理所的［4］。充填體分為膠結(jié)充填體及尾砂充填體兩種參見文獻(xiàn)［3］。數(shù)值模擬的全部材料力學(xué)參數(shù)參見表1［5］。

表1 各種材料類型的力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬將四種主要材料類型的本構(gòu)關(guān)系均假設(shè)為理想彈塑性體。屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulolomb)準(zhǔn)則，允許巖石產(chǎn)生大變形。

3 模擬結(jié)果分析

為客觀分析水平礦柱下部中段礦體開采對其產(chǎn)生的擾動程度［6］，先根據(jù)礦山原有的開采模式模擬目前累積開采狀態(tài)，再對深部礦體的回采進(jìn)行模擬［7］。本次模擬的重點為-510、-460兩個中段礦體的回采，隨著更深部的礦體發(fā)生了轉(zhuǎn)向，其開采擾動對水平礦柱的影響可以忽略不計。根據(jù)礦山現(xiàn)有回采的總體原則，參照礦體歷史開采順序模擬礦體的累積回采，及下兩個中段礦體的開挖對水平礦柱的影響。

FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果能輸出各種力學(xué)效應(yīng)數(shù)據(jù)，本次數(shù)值模擬針對深部開采擾動對水平礦柱的影響，受限于篇幅，對模擬的結(jié)果重點分析兩個中段礦體回采之后水平礦柱底板的位移、最大及最小主應(yīng)力、塑性區(qū)等力學(xué)效應(yīng)。

3.1 最小主應(yīng)力

在-510中段采礦活動結(jié)束后，水平礦柱礦體4線以東的范圍最小主應(yīng)力降低比較明顯，從圖3可以得出，其最小主應(yīng)力值為 -10.00MPa～-12.54MPa，該部分區(qū)域應(yīng)力釋放值約為7.00 MPa，上述應(yīng)力變化都是水平礦柱整體穩(wěn)定性良好的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。在4線以西較厚大礦體區(qū)域，采區(qū)范圍所對應(yīng)的水平礦柱上下盤圍巖的邊界處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即水平礦柱上、下盤邊緣范圍內(nèi)的區(qū)域，其最小主應(yīng)力值為-27.00～-28.34 MPa。在沿礦體走向方向水平礦柱的兩端圍巖應(yīng)力集中區(qū)域范圍較其它邊界區(qū)域范圍大，下盤應(yīng)力集中程度比上盤大。

由圖4可以看出，-460中段礦體回采之后，最小主應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯增大，其值為-10.00～-15.00MPa，應(yīng)力降低區(qū)域釋放應(yīng)力大約為5MPa。應(yīng)力集中區(qū)域有所減少，主要集中在0線附近，最小主應(yīng)力值為-30MPa左右，說明-460中段礦體開采完畢之后，水平礦柱的應(yīng)力有向下部充填體轉(zhuǎn)移趨勢，對水平礦柱的應(yīng)力有一定卸載作用，這對水平礦柱的穩(wěn)定性是有利的。

圖3 -510中段回采后水平礦柱底板最小主應(yīng)力

圖4 -460中段回采后水平礦柱底板最小主應(yīng)力

3.2 最大主應(yīng)力

由圖5可以得出，-510中段礦體回采之后在上部采區(qū)所對應(yīng)的水平礦柱中的區(qū)域范圍最大主應(yīng)力降低明顯，最大主應(yīng)力降低區(qū)域的形態(tài)分布特征受上部采場范圍的影響。水平礦柱因上部1線至2線間厚大礦體的開采，采區(qū)暴露面積相對較大，水平礦柱巖體的最大主應(yīng)力值降低比較明顯，頂板圍巖的最大主應(yīng)力值為-4.00～-2.00MPa。采區(qū)所對的頂板與上、下盤圍巖等接觸處存在最大主應(yīng)力升高區(qū)，或者最大主應(yīng)力輕度集中區(qū)，主要集中于礦體走向的東西端部圍巖中和0線的下盤圍巖中，其最大主應(yīng)力值為-11.8～-10.00MPa。水平礦柱底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，但出現(xiàn)的區(qū)域及拉應(yīng)力值都不是很大。由圖6可以得出，-460中段礦體回采之后，最大主應(yīng)力集中區(qū)域有所增大，但增大范圍較小，最大主應(yīng)力值為-12.8～-11.00MPa。最大主應(yīng)力降低區(qū)域也有所增大，主要集中在西部0線及2線厚大礦體開采范圍內(nèi)。拉應(yīng)力區(qū)域增大，也集中在西部0線及2線厚大礦體開采范圍內(nèi)，拉應(yīng)力值增加，但增加值較小，水平礦柱仍在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

圖5 -510中段回采后水平礦柱底板最大主應(yīng)力

圖6 -460中段回采后水平礦柱底板最大主應(yīng)力

3.3 位移分析

水平礦柱的破壞主要體現(xiàn)在垂直位移量的突然增大，因此只分析垂直位移的結(jié)果。由圖7可以看出-510中段回采后水平礦柱底板產(chǎn)生Z方向位移在4線以西，8線以東呈下沉狀態(tài)，在4線至8線之間呈上升趨勢，這是由于水平礦柱受上部壓力，作用于水平礦柱的外壓力轉(zhuǎn)移，使得礦柱內(nèi)部變形能向外釋放，產(chǎn)生下沉變形，并且下沉變形是水平礦柱以后變形的主要形式。最大下沉區(qū)域分布呈類似長橢圓形，位移3線至0線之間下盤，橢球的長軸方向與礦體走向基本一致，長軸為200m左右，短軸為100m左右;下沉區(qū)域的位移最大值為-2～-2.96 mm，主要集中于1線與0線間厚大礦體范圍內(nèi)，礦體回采后采空區(qū)面積較大，造成下沉位移也較大。位移上升區(qū)域的最大位移值為3.47mm。水平礦柱產(chǎn)生垂直位移的區(qū)域范圍內(nèi)，東部的范圍比西部的大，但位移最大值基本相同。由圖8可以看出，-460中段礦體回采完之后，水平礦柱最大沉降值變化較大，最大值達(dá)到了-1.07cm，區(qū)域主要集中在1線至2線之間，范圍較-510m中段回采后有明顯增大，說明-460m中段礦體的采動影響比-510m中段礦體回采要大。水平礦柱上升區(qū)域及值基本都沒有變化。雖然水平礦柱沉降值變化較大，但總體垂直位移值偏小，水平礦柱仍處于穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

圖7 -510中段回采后水平礦柱底板垂直位移

圖8 -460中段回采后水平礦柱底板垂直位移

3.4 塑性區(qū)分析

圖9顯示-510m中段礦體回采之后，水平礦柱底板區(qū)域的塑性區(qū)域比較大，主要集中在0線及2線之間，基本上還是剪切破壞為主，內(nèi)部塑性區(qū)基本上沒有變化。圖10顯示-460m中段礦體回采之后，水平礦柱底板塑性區(qū)域增大范圍比-510m中段礦柱回采后產(chǎn)生的塑性區(qū)要大，新增塑性區(qū)主要集中在西部礦體厚大區(qū)域，這說明西部厚大礦體的回采擾動對水平礦柱的影響較大，內(nèi)部塑性區(qū)和前一個中段回采相比基本上沒有變化，這說明水平礦柱的塑性區(qū)域依然沒有向內(nèi)部發(fā)展的趨勢，因此可認(rèn)為水平礦柱仍在穩(wěn)定的態(tài)。

圖9 -510中段回采后水平礦柱底板塑性區(qū)

圖10 -460中段回采后水平礦柱底板塑性區(qū)

4 結(jié)論

(1)利用surpac軟件建模簡便、快捷的特點，提出基于surpac的FLAC3D自動生成復(fù)雜礦體計算模型的方法，克服了FLAC3D前處理能力不足的問題。這使得數(shù)值模擬更接近實際的情況，模擬結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。

(2)水平礦柱在西部范圍內(nèi)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，東部應(yīng)力較為平穩(wěn)。水平礦柱的破壞區(qū)域西部較東部范圍大，破壞的方式主要為剪切破壞。

(3)下部礦體的回采對水平礦柱的擾動會產(chǎn)生一定的影響，其中西部區(qū)域厚大礦體采場的回采擾動要大于東部礦體的回采，-460m中段礦體回采擾動影響要大于-510m中段礦體的回采。

(4)水平礦柱東部區(qū)域的穩(wěn)定性要優(yōu)于西部區(qū)域，下部礦體的回采對水平礦柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，水平礦柱整頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍增大，但內(nèi)部未出現(xiàn)塑性區(qū)域，因此整體的穩(wěn)定性良好，不會在下部礦體的回采過程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

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