基于FLAC3D的采空區(qū)變形及充填模擬

酈　霞　蔣仲安　陳舉師

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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基于FLAC3D的采空區(qū)變形及充填模擬

酈霞蔣仲安陳舉師

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要利用FLAC3D軟件，模擬了西石門鐵礦中深部開采后采空區(qū)的變形及充填效果。通過分析模擬結(jié)果，得出采空區(qū)形變規(guī)律以及充填后的變形改善效果，以此選擇了合理的采空區(qū)充填方案，為空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和治理提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞采空區(qū)FLAC3D數(shù)值模擬充填效果

地下礦體在開采中應(yīng)力平衡被打破，當(dāng)頂板和底板的應(yīng)力超出其強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生形變和移動(dòng)，直至垮落塌陷[1-2]。為了能持續(xù)安全地回收礦產(chǎn)資源，需對(duì)規(guī)模較大的礦山空區(qū)進(jìn)行采場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律分析，以選擇合理的充填方案。由于采空區(qū)地應(yīng)力和應(yīng)力、應(yīng)變之間的復(fù)雜關(guān)系，用解析方法確定頂板安全厚度、礦柱幾何尺寸難度大且不可靠[3-4]，而數(shù)值模擬法可有效地避免和克服了這一難題。本文利用FLAC3D軟件,模擬了西石門鐵礦采空區(qū)的穩(wěn)定性，確定采空區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，并分析了充填后的效果。

1西石門鐵礦采空區(qū)現(xiàn)狀

1.1工程概況

西石門鐵礦位于河北省武安市境內(nèi)，礦床埋藏較深且形態(tài)復(fù)雜，按自然賦存位置劃分為中、南、北三區(qū)，各區(qū)段的采礦方法有所區(qū)別。中區(qū)0 m水平以下礦體厚度為5～10 m，最大處為25 m厚，走向長約465 m，沿傾向延伸最大175 m，賦存標(biāo)高為-75～0 m，礦體厚度變化較大，礦巖均不穩(wěn)固。圈定的塌陷區(qū)包含村莊，如欲保護(hù)地表村莊，根據(jù)巖石力學(xué)分析，需留礦柱礦量達(dá)60%以上，大大減少了可采礦量，礦山服務(wù)年限大大縮短，因此，0 m以下均使用充填法回采。

1.2采空區(qū)特征

西石門鐵礦礦體多以塊狀構(gòu)造及稠密浸染狀構(gòu)造為主，穩(wěn)定性相對(duì)較好，但礦體下部或變薄分叉時(shí)，矽卡巖礦物增多，穩(wěn)定性較差。采空區(qū)頂板以灰?guī)r為主，底板以矽卡巖及閃長巖為主，其中矽卡巖的穩(wěn)定性較差。

西石門鐵礦中區(qū)巖體點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，空區(qū)頂板穩(wěn)定的灰?guī)r屬碎裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性稍差；底板閃長巖屬塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性一般，而矽卡巖則屬松散結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定，是造成工程失穩(wěn)、引起頻繁地壓活動(dòng)的主要原因[5]。巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　巖石力學(xué)參數(shù)

2采空區(qū)變形模擬

根據(jù)中區(qū)0 m以下礦體產(chǎn)狀，在垂直標(biāo)高上從下向上回采，分段高度10 m，將-60 m分段作為首采分段，-40，-70 m為運(yùn)輸水平。采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法采礦，沿礦體走向劃分4個(gè)盤區(qū)。盤區(qū)長99 m，礦體水平厚度為寬度，每個(gè)盤區(qū)內(nèi)沿礦體走向分3個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)長33 m，寬為礦體的水平厚度。在采場(chǎng)中沿礦體走向按11 m間距布置永久損失的規(guī)則礦柱(點(diǎn)柱)，尺寸為4 m×4 m。采場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1　采場(chǎng)布置(單位：m)

2.1采空區(qū)模型

根據(jù)中區(qū)采空區(qū)實(shí)際情況，運(yùn)用FLAC3D建立幾何模型(見圖2)，模型的單元類型全部采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含X、Y、Z方向3個(gè)自由度。

圖2　中區(qū)采空區(qū)幾何模型

為保證單元形狀整齊而不產(chǎn)生畸形，選擇均布網(wǎng)格，該模型計(jì)算范圍465 m×175 m×75 m，單個(gè)網(wǎng)格最小跨度1 m，共計(jì)15 000個(gè)單元體，選用庫倫-摩爾模型，力學(xué)參數(shù)參考表1。

2.2邊界和開挖

根據(jù)西石門中區(qū)采空區(qū)資料，給固定模型X方向兩端及Y方向底部[6-7]賦原始地應(yīng)力參數(shù)，對(duì)礦體單元體施加NULL材料模擬開挖過程，并允許應(yīng)力重新分布。針對(duì)中區(qū)采空區(qū)特點(diǎn)，通過控制變量法，按不同開采長度、縱向深度、厚度開挖進(jìn)行模擬[8]。

在沒有回采狀態(tài)下，使位移和速度在重力狀態(tài)下歸零，按開采順序進(jìn)行模擬，并記錄采空區(qū)變形情況。

2.3結(jié)果分析

采空區(qū)應(yīng)力和位移等值線見圖3～圖4，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及礦區(qū)地質(zhì)條件和采空區(qū)開采狀況，對(duì)采空區(qū)形變進(jìn)行綜合分析。

圖3　中區(qū)采空區(qū)位移等值線云圖

據(jù)圖3所示，隨著X、Y方向的開挖，采空區(qū)形變范圍明顯增大，X方向整體位移變化為蝶狀，相對(duì)于開挖中心，水平位移兩側(cè)對(duì)稱但方向相反，位移在礦柱與礦體交接處最大，達(dá)到27.3 cm；同樣的，隨著X、Y方向開挖進(jìn)度的變化，Z方向位移形變區(qū)域明顯增大，整體呈碗狀，且形變區(qū)域內(nèi)分段密度明顯增多，豎直方向位移在底板和頂板中心處較為集中，并且向兩側(cè)衰減，最大位移達(dá)到46.4 cm。

X方向應(yīng)力及Z方向應(yīng)力云圖見圖4。從圖4可以看出，位移與應(yīng)力變化的關(guān)系及X與Z方向的受力情況，X方向應(yīng)力集中分布在礦柱與頂板銜接處并呈兩側(cè)對(duì)稱，受力整體向上凸起，最大處應(yīng)力為9.31 MPa。

此時(shí)Z方向應(yīng)力在一定開采范圍內(nèi)與自重應(yīng)力規(guī)律基本相同，增率與各分層巖體重度成正比，整體呈凹型變化，超出該范圍后，Z方向應(yīng)力集中在礦柱中心處，應(yīng)力最大值為12.24 MPa，頂板與底板受力明顯較大。

3充填效果模擬

結(jié)合工程實(shí)際，選擇隔一采一的充填方式，即每個(gè)盤區(qū)中一個(gè)采場(chǎng)采礦，一個(gè)充填一個(gè)采準(zhǔn)，第一個(gè)采場(chǎng)采后即進(jìn)行充填，采礦與充填交替進(jìn)行。

圖4　中區(qū)采空區(qū)應(yīng)力云圖

根據(jù)充填后位移云圖(圖5)可以看出，采用該方案充填之后，X方向形變區(qū)域雖無明顯變化，但該區(qū)域內(nèi)的形變已經(jīng)相當(dāng)小，基本趨于一致，整體仍呈蝶狀對(duì)稱，中心處基本為零，最大區(qū)域仍集中在點(diǎn)柱附近，充填工作面內(nèi)的位移也集中在點(diǎn)柱上，但此時(shí)位移減小到14.6 cm，充填工作面內(nèi)中心位移相對(duì)較小，兩側(cè)較大，相對(duì)于未充填時(shí)位移明顯減小，Z方向各分區(qū)面積明顯增大，但形變顯著減小，整體仍呈繭形輻射狀對(duì)稱，從中心向兩側(cè)對(duì)稱衰減，同時(shí)遠(yuǎn)離Z方向原點(diǎn)，但位移最大仍在底板和頂板處，為29.8 cm。充填后工作面內(nèi)的位移也由兩壁與周圍巖體連接，整體較為集中，且同樣明顯減小。

圖5　充填后位移等值線云圖

圖6　充填后應(yīng)力等值線云圖

充填后應(yīng)力云圖見圖6。從圖6可以看出，采用該方案充填后，X方向應(yīng)力區(qū)域雖無明顯縮小，但該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分級(jí)明顯變密，工作面周圍應(yīng)力顯著減小基本趨于整體化，整體應(yīng)力分布呈駝峰狀，中心處集中受力并向兩側(cè)遞減，應(yīng)力最大區(qū)域仍集中在工作面頂板和底板處，達(dá)到7.44 MPa，工作面內(nèi)的應(yīng)力明顯減小，與被充填工作面周圍巖體受力大小十分接近，與原未充填時(shí)相比，該工作面受力變化十分顯著。

此時(shí)Z方向應(yīng)力區(qū)域雖無明顯縮小，但該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分級(jí)有所減少，工作面周圍應(yīng)力有所減小，尤其體現(xiàn)在工作面礦柱和底板周圍處，整體應(yīng)力分布呈凹型對(duì)稱，點(diǎn)柱處集中受力并分別向兩側(cè)遞減，應(yīng)力最大區(qū)域仍集中在工作面頂板底板及中心處，最大處10.84 MPa同時(shí)底板向上隆起，頂板向下塌陷，工作面內(nèi)的應(yīng)力有所減小，與被充填工作面周圍巖體受力形成整體，相對(duì)于原未充填的該工作面而言，受力變化十分明顯。

4結(jié)論

通過FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，西石門鐵礦中區(qū)采場(chǎng)回采后，空區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。一旦有外力干擾或者暴露時(shí)間過長，中區(qū)采場(chǎng)礦柱因集中受力易產(chǎn)生大變形，而使采空區(qū)塌陷。

通過建立有限差分模型，模擬了采空區(qū)尺寸對(duì)其變形的影響，結(jié)果表明，當(dāng)開采厚度及寬度增加時(shí)，采空區(qū)變形區(qū)域增大，空區(qū)水平和豎直方向位移值顯著增大，反映在礦柱上的受力變化十分明顯。針對(duì)該礦中區(qū)的模擬顯示，采空區(qū)位移形變值在充填之后減小，隔一采一的充填方式對(duì)采空區(qū)形變控制效果顯著。

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(收稿日期2015-10-09)

Simulation of Deformation and Filling of Goaf Based on FLAC3D

Li XiaJiang ZhonganChen Jushi

(School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing)

AbstractThe deformation and filling effects of the goaf in Xishimen iron mine is simulated based on FLAC3Dsoftware,the deformation regularity and deformation improvement effects are obtained. Based on analyzing above research results, the reasonable filling scheme can be selected to provide the scientific basis for the evaluation of goaf stability and treatment.

KeywordsGoaf, FLAC3D, Numerical simulation, Filling effect

酈霞(1990—)，女，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。