基于3Dmine-Rhino-Ansys-Flac3d大新錳礦采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

韋文蓬，梁東強(qiáng)，馮思成，李鴻飛

(1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2.中鋼集團(tuán) 馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

廣西大新錳礦存在采空區(qū)體積龐大，存在時(shí)間較長的問題，采空區(qū)穩(wěn)定性問題成為礦山亟待解決的難題[1-3]，常規(guī)的采空區(qū)模糊定性分析不能準(zhǔn)確反映采空區(qū)穩(wěn)定性，本文采用3DMine[4-5]、Surfer、Rhino、ANSYS和Flac3d[6-7]等工具，結(jié)合礦山采空區(qū)實(shí)際情況，對(duì)礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬分析。礦區(qū)采空區(qū)平面分布見圖1。

圖1 大新錳礦采空區(qū)分布平面示意

1 數(shù)值建模

以3DMine為基礎(chǔ)，Surfer軟件和Rhino造型軟件為依托，將所構(gòu)建的地表、礦體、空區(qū)和礦柱經(jīng)過這些若干軟件不同功能的耦合以及各種不同格式的轉(zhuǎn)換，最終組合出ANSYS-workbench中可識(shí)別的犀牛模型，利用ANSYS進(jìn)行礦區(qū)模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分，經(jīng)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入Flac3d之中，完成建模。數(shù)值建模流程見圖2。

圖2 大新錳礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模分析流程

1.1 3Dmine建模

采用3DMine軟件的表面建模功能構(gòu)建地表面模型，并生成面模型層面點(diǎn)集，見圖3。

圖3 地表模型和層面點(diǎn)集

1.2 Surfer點(diǎn)數(shù)據(jù)處理及Rhino建模

將在Excel預(yù)處理后的點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer，生成等高線文件，經(jīng)surfer多次處理后，導(dǎo)出txt格式文件，將txt文件導(dǎo)入Rhino中，生成礦體表面、空區(qū)表面等面模型，生成組合面模型。將組合模型導(dǎo)出iges文件。Surfer點(diǎn)處理和Rhino建模結(jié)果見圖4。

圖4 surfer數(shù)據(jù)處理和Rhino建模

1.3 ANSYS建模與網(wǎng)格劃分

將Rhino導(dǎo)出的iges格式文件里的組合模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用‘Generate’、‘Extrude’、‘Slice’、‘Boolean’等功能生成包含礦柱、礦體以及空區(qū)的實(shí)體模型，再采用Mesh模塊進(jìn)行模型網(wǎng)格最優(yōu)化劃分，ANSYS建模和網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖5。

圖5 實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分

將網(wǎng)格劃分后的模型導(dǎo)出dat格式單元和節(jié)點(diǎn)文件，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具生成Flac3d文件，在Flac3d中打開此文件，即可進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2 Flac3d有限差分法數(shù)值模擬

2.1 破壞判據(jù)

2.1.1 圍巖強(qiáng)度理論

巖體破壞主要分為拉伸破裂和剪切破壞兩種類型。在低圍壓下呈拉伸破裂，圍壓增高后，出現(xiàn)剪切破裂。由于單用一種強(qiáng)度理論，不可能解釋所有情況下巖石的破壞問題，針對(duì)巖體在不同應(yīng)力條件下發(fā)生的破壞現(xiàn)象和破壞形式，采用的判據(jù)有抗拉破壞準(zhǔn)則、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判。

材料的抗剪強(qiáng)度用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[8]來表示：

τ=σ·tanφ+C

(1)

式(1)中，τ為材料的抗剪強(qiáng)度；σ為斜截面上的正應(yīng)力；φ為材料的內(nèi)摩擦角；C為材料的凝聚力。

材料在拉應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)，采用拉破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則。最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則常用于脆性材料的受拉破壞，設(shè)σ1，材料抗拉強(qiáng)度為f1，則準(zhǔn)則為：

f=σ1-f1=0

(2)

如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度(f≥0)，材料將發(fā)生拉破壞。

2.1.2 容許極限位移量判據(jù)

甯瑜琳[9]給出了巖體位移量與其對(duì)地下采場大跨度開挖不進(jìn)行支護(hù)或臨時(shí)支護(hù)條件下巖體穩(wěn)定性關(guān)系，見表1。

表1 巖體位移量與巖體穩(wěn)定性關(guān)系

2.1.3 塑性區(qū)貫通法

陳欣等[10]給出了塑性區(qū)貫法失穩(wěn)的判據(jù)表達(dá)形式：

φ(Ai)<0

(3)

式(3)中，φ為屈服面；Ai為由局部區(qū)φj組成的機(jī)構(gòu)。

屈服區(qū)域是由幾個(gè)局部屈服區(qū)φj連通而形成的，可以表示為：Aj=φj∪φm∪…φn，即只要某幾個(gè)局部屈服區(qū)φj能構(gòu)成一個(gè)破壞區(qū)域使工程失去整體穩(wěn)定性，則這幾個(gè)局部屈服區(qū)即可構(gòu)成一個(gè)Ai，當(dāng)屈服區(qū)連通形成任意一個(gè)Ai時(shí)，結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)確定

通過現(xiàn)場取樣，進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲取了礦區(qū)頂板、底板、礦體和夾層的密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，采用多種方法對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減。數(shù)值模擬模型物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 折減后礦巖體物理力學(xué)參數(shù)匯總

2.3 初始條件

本研究計(jì)算模型上表面為地表，邊界條件的采用自由邊界，底面采用固定約束，x和y方向邊界施加鉸支約束，即模型在計(jì)算過程中不產(chǎn)生邊界法線方向的位移，而可允許其它方向的位移[11]。在模擬計(jì)算的過程中將自重應(yīng)力場設(shè)置為初始應(yīng)力場。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 中部采區(qū)頂板及礦柱數(shù)值模擬結(jié)果分析

中部采區(qū)14線應(yīng)力分析結(jié)果和位移分析結(jié)果見圖6～7，塑性區(qū)分布狀況見圖8。

圖6 中部采區(qū)主應(yīng)力云圖

圖7 中部采空區(qū)位移云圖

圖8 中部采空區(qū)塑性區(qū)分布

中部采區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果顯示：礦塊回采后，上部覆巖拉應(yīng)力最大1.1 MPa，下沉量最大為13.6 mm；礦柱出現(xiàn)壓應(yīng)力最大值10.2 MPa，空區(qū)底鼓變形最大值為15.4 mm?？諈^(qū)上下盤圍巖水平位移最大值為12.1 mm。回采結(jié)束后，采場頂板和礦柱區(qū)域因受較大的剪應(yīng)力進(jìn)入塑性狀態(tài)，且下部中段個(gè)別礦柱內(nèi)塑性區(qū)已貫通，礦柱將屈服破壞。

2.4.2 西北采區(qū)頂板及礦柱數(shù)值模擬結(jié)果分析

西北采區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果和位移分析結(jié)果見圖9～10，塑性區(qū)分布狀況見圖11。

圖11 西北采區(qū)塑性區(qū)分布

圖9 西北采區(qū)主應(yīng)力云圖

西北采區(qū)數(shù)值分析結(jié)果顯示：西北采區(qū)礦塊回采結(jié)束后，采空區(qū)頂?shù)装謇瓚?yīng)力集中，最大值為1.01 MPa，礦柱內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中分布區(qū)，最大壓應(yīng)力為19.11 MPa。最大下沉量出現(xiàn)在上盤區(qū)域，且下沉量為8.6 mm。地表下沉量最大值為7.8 mm。當(dāng)?shù)V床回采結(jié)束后，采場出現(xiàn)了塑性區(qū)，下部的點(diǎn)柱塑性區(qū)已貫通，點(diǎn)柱將屈服破壞。

圖10 西北采空區(qū)位移云圖

3 結(jié) 論

1)基于3Dmine-Rhino-Ansys-Flac3d分析方法可以對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行較為合理的半定量分析，從而為礦區(qū)治理采空區(qū)的實(shí)踐提供理論依據(jù)。

2)穩(wěn)定性分析表明：中部采空區(qū)和西北采空區(qū)頂板及上部覆巖呈現(xiàn)拉應(yīng)力，礦柱內(nèi)呈現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)間柱塑性區(qū)貫通，可能會(huì)造成失穩(wěn)，建議礦區(qū)應(yīng)減少采空區(qū)暴露時(shí)間，盡快對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填或加固。