空區(qū)穩(wěn)定性影響因素數(shù)值模擬研究

房洪亮 王宇馳

摘要： 在礦山進行地下開采時，會造成許多空區(qū)，這些空區(qū)是否穩(wěn)定對礦山安全有著很大影響，為了研究研究空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素，文章運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立一個簡化模型對何家采區(qū)空區(qū)進行分析，從厚跨比進行了多組模型數(shù)值模擬分析，確定了幾個因素對空區(qū)圍巖及頂板穩(wěn)定的影響，對生產(chǎn)實際有著一定的指導(dǎo)作用。

Abstract： When underground mining is carried out in mines， many empty areas will be created. Whether these empty areas are stable or not has great influence on mine safety. In order to study the influencing factors of the stability of the empty area， the article uses FLAC3D numerical simulation software to establish a simplified model to analyze the empty area of Hejia mining area. Multiple sets of models numerical simulation analysis is carried out from thick-span ratio， thus determining the influence of several factors on the surrounding rock and roof stability of the empty area， and has a certain guiding effect on production practice.

關(guān)鍵詞：空區(qū)穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；內(nèi)摩擦角；粘聚力；厚跨比

Key words： empty area stability；numerical simulation；internal friction angle；cohesive force；thick-span ratio

中圖分類號：TD804 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0191-02

0 引言

為便于分析問題，本文中將何家采區(qū)空區(qū)硐室圍巖應(yīng)力考慮為均布壓力狀態(tài)，將圍巖體考慮成各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)。在實際情況中空區(qū)硐室的軸向長度較長，且在該方向上不需要考慮自由面影響，可轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題[1]。但FLAC3D后處理體積應(yīng)變云圖與塑性區(qū)云圖用于判定松動圈范圍上簡潔明了，仍用三維計算，在厚度方向只需取一個單位網(wǎng)格，快捷又不會對結(jié)果產(chǎn)生影響。以左右邊界為模型位移邊界；模型邊界Y軸方向為整體約束，模型底部約束Z方向為滑動支座，只考慮計算精度話，模型的幾何尺寸應(yīng)取實際值[2]，但為了減小邊界對空區(qū)硐室的影響，一般將左右邊界距離硐室的距離確定為3-5倍的跨度。由于硐室高2.5m模型底面對硐室影響模型較小，模型的底邊界到硐室底面取5m，如圖1所示。由于巖石多被剪切破壞，而摩爾·庫侖準(zhǔn)則有著全面反映巖石強度特點的優(yōu)點，且適用于脆性材料的剪切破壞；故采用摩爾·庫侖模型計算?？刂圃谝欢ǚ秶諈^(qū)規(guī)模、深度及圍巖的力學(xué)性質(zhì)、邊界條件都影響著上覆地表承載能力。為使機械設(shè)備、車輛能夠安全或部分限制的通過，空區(qū)需有一定的承載力，所以根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取最不利荷載，在空區(qū)頂部5m范圍內(nèi)作用1MPa的荷載。

1 不同厚度的頂板影響分析

為了獲得頂板的安全厚度，要對不同厚度的頂板利用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件進行模擬計算，觀察x-x方向的應(yīng)力值即不同厚度頂板處水平方向的拉應(yīng)力值，進而和頂板處的抗拉強度比較得出安全厚度。在此過程中，為便于分析只計算頂板在其重力作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。查閱有關(guān)資料，可以把頂板容許抗拉強度[σ]看作是其抗拉強度[7]。

在本次模擬計算中，初始頂板的厚度設(shè)為4m，以后每次計算頂板的厚度增加1m，以此類推。根據(jù)本次模擬結(jié)果，不同厚度的頂板處所對應(yīng)的水平方向應(yīng)力分布情況分別如下，如圖1所示。

圖1中頂板厚度取值為4-9m時，其頂板處的水平方向應(yīng)力分布云圖依次如a-f各圖所示。由應(yīng)力分布云圖和頂板厚度與拉應(yīng)力曲線圖可以得出，頂板下表面的拉應(yīng)力是不受頂板的厚度變化的影響，無論如何變化此拉應(yīng)力總是存在。但是隨著頂板厚度的逐漸增大頂板處的最大拉應(yīng)力的數(shù)值會隨之減小。頂板處的最大拉應(yīng)力的減小量在頂板厚度在4-7m之間時比較大，但應(yīng)力的減小程度會隨著頂板厚度的增加而越來越弱。

在本次的數(shù)值模擬中，當(dāng)頂板的厚度為7m，頂板的抗拉強度仍然為[σ]=0.8MPa，空區(qū)初始跨度設(shè)為10m，其跨度以每次增加1m來變化。模擬計算結(jié)果顯示，當(dāng)空區(qū)的跨度為15m時計算結(jié)果收斂，但當(dāng)跨度為16m時計算結(jié)果卻不再收斂。而15m跨度的拉應(yīng)力的值近似于頂板的抗拉強度，因此根據(jù)計算模擬結(jié)果可以得出結(jié)論：空區(qū)跨度為15m時是頂板厚度為7m的最大安全跨度。

根據(jù)上述模擬分析，當(dāng)頂板厚度為7m時，13-15m的空區(qū)跨度的范圍下頂板處的拉應(yīng)力值雖然小于極限值，但兩者的差距非常小，所以不能保證其安全性，不能作為空區(qū)跨度的安全范圍，綜合分析跨度范圍為10-13m時是其安全跨度。由此可知，在進行開采時不能為了增加產(chǎn)量隨意的加大空區(qū)的跨度，超過一定的跨度范圍將會嚴(yán)重影響空區(qū)頂板的承載能力，導(dǎo)致承載力降低頂板坍塌。所以在開采過程中應(yīng)根據(jù)實際開采環(huán)境，對應(yīng)不同的頂板厚度選取合適的空區(qū)安全跨度。

2 總結(jié)

本文通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，計算應(yīng)力狀態(tài)和塑性區(qū)分布，研究了不同跨度情況下空區(qū)穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：在平面頂板情況下，跨度為10m的空區(qū)頂板的安全厚度為4-7m，超過范圍頂板下表面的拉應(yīng)力減小量很小，所以只增大頂板厚度沒有意義。同時不能為了增加產(chǎn)量隨意的加大空區(qū)的跨度，超過一定的跨度范圍將會嚴(yán)重影響空區(qū)頂板的承載能力，導(dǎo)致承載力降低頂板坍塌。

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