FLAC3D在地下礦山采場穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

羅黎明

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

對(duì)于地下礦山而言，采場穩(wěn)定與否是礦山持續(xù)高效開采的關(guān)鍵，直接關(guān)系到整個(gè)礦山的安全發(fā)展［1-4］，特別是在深部采礦中，每一步開挖都會(huì)引起應(yīng)力的積聚和釋放，容易造成采場的冒頂和片幫。因此，開展地下礦山采場穩(wěn)定性分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著巖石力學(xué)理論以及有限元分析軟件技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析采場穩(wěn)定性已經(jīng)是一種成熟有效的方法［5-8］，在各類巖體工程力學(xué)分析中得到廣泛應(yīng)用。劉曉明［9］采用Phase2對(duì)上向水平分層充填回采的整個(gè)過程進(jìn)行了分步模擬，得到回采過程中采場頂?shù)装鍛?yīng)力及位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)不同圍巖地質(zhì)狀況下采場分層回采結(jié)果進(jìn)行了研究；李興國［10］運(yùn)用數(shù)值分析手段對(duì)露坑聯(lián)合開采的采場進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到采場圍巖的應(yīng)力分布、位移變化規(guī)律及變形特征；王新民［11］運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)典型帶狀礦體的回采采場穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，同時(shí)在充分結(jié)合成本、效率的條件下實(shí)現(xiàn)了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。本文運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)云南某礦自然條件下和錨桿支護(hù)條件下采場的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析，以驗(yàn)證錨桿支護(hù)作為頂板穩(wěn)定性控制措施的可行性，同時(shí)為回采礦體時(shí)采場結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以期提高地下礦山生產(chǎn)的安全性。

2 工程概況

云南某礦是大型錫銅多金屬礦床，埋深偏大，品位偏低，主體為緩傾斜至傾斜的薄至中厚礦體，屬于典型的大型貧礦。其賦存于花崗巖內(nèi)蝕變帶中，蝕變帶走向南北，傾向西，走向長1200m、寬350～690m，賦存標(biāo)高850～1900m之間。礦種以錫銅礦化為主，局部具鎢礦化。礦體產(chǎn)于花崗巖與大理巖接觸界面以內(nèi)15～60m的花崗巖內(nèi)蝕變帶中，礦體主要形態(tài)是脈狀，礦脈以近東西向產(chǎn)出，大多傾向北，傾角30～60°之間，礦脈寬度為0.4～1.5m。礦區(qū)地層巖性總體較單一，主要以堅(jiān)硬厚大的碳酸鹽巖及花崗巖為主，巖體穩(wěn)較固，礦體頂?shù)装鍘r層抗壓強(qiáng)度高，穩(wěn)固性較好。礦體受花崗巖表面形態(tài)的控制，多產(chǎn)于花崗巖接觸帶產(chǎn)狀陡緩變化部位，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，以錫銅礦化為主，礦石類型主要有矽卡巖硫化礦、致密塊狀硫化礦。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型構(gòu)建

精準(zhǔn)的數(shù)值計(jì)算模型是分析結(jié)果可靠的前提。為準(zhǔn)確構(gòu)建地下采場數(shù)值分析模型，充分反映現(xiàn)實(shí)采場的應(yīng)力應(yīng)變特征，掌握其回采過程中的穩(wěn)定性狀態(tài)，根據(jù)采礦方案設(shè)計(jì)中采場的二維斷面圖以及地表等高線，利用3Dmine、MIDAS/GTS等三維可視化軟件構(gòu)建地表及地下采場的三維實(shí)體模型，最后根據(jù)MIDAS/GTS和FLAC3D組織網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化得到FLAC3D中三維網(wǎng)格分析計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算三維網(wǎng)格模型

3.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

為準(zhǔn)確獲取研究區(qū)域圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)，確保數(shù)值分析結(jié)果可靠，在室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的巖石力學(xué)結(jié)果進(jìn)行了折減處理，具體結(jié)果如表1所示。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 自然條件下數(shù)值模擬方案及結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)采場的極限暴露面積進(jìn)行了初步的估計(jì)，并設(shè)計(jì)了三種數(shù)值模擬方案，模擬方案如表2所示。

表2 自然條件下采場極限暴露面積模擬方案

由于三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果給出的信息量非常大，本次模擬主要從最大主應(yīng)力應(yīng)力、最小主應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況四個(gè)方面進(jìn)行分析，模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 自然條件下數(shù)值模擬結(jié)果

從表3可知，方案一及方案二條件下，不管是采場頂板所受的最大壓應(yīng)力還是其最大拉應(yīng)力，均在巖體的強(qiáng)度范圍內(nèi)，且塑性區(qū)較為零星，沒有貫通，表明當(dāng)采場頂板暴露面積小于400m2時(shí)，采場頂板屬于穩(wěn)定狀態(tài)；而方案三，當(dāng)采場頂板暴露面積增加至500m2時(shí)，其頂板所受所受最大壓應(yīng)力為77.11MPa，最大拉應(yīng)力達(dá)到8.98MPa，均超過了圍巖的強(qiáng)度范圍，并且圍巖塑性區(qū)較多呈貫通狀，說明此時(shí)采場頂板屬于不穩(wěn)定狀態(tài)故可判定自然條件下采場的極限暴露面積為400m2。

4.2 錨桿支護(hù)條件下數(shù)值模擬方案及結(jié)果分析

為了進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)自然條件下（無任何支護(hù)）采場極限暴露面積的模擬結(jié)果，對(duì)在有錨桿支護(hù)的條件下，采場的極限暴露面積進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬方案及錨桿參數(shù)設(shè)置分別如表4和表5所示。

表4 錨桿支護(hù)條件下采場極限暴露面積模擬方案

表5 錨桿主要參數(shù)

其中：emod——彈性模量，E； pretension——錨桿自由段施加的預(yù)緊力，kN；

gr_k——單位長度上水泥漿剛度kg[kN/m2]；gr_per——水泥漿外圈周長，pg[m]；gr_coh——單位長度上水泥漿的粘結(jié)力cg[kN/m]； xcarea——橫截面積，A[m2]。

錨桿支護(hù)采用垂直頂板布置方式，布設(shè)間距為5m*4m，其他參數(shù)指標(biāo)如表5所示。方案五錨桿支護(hù)示意圖如圖2所示：

圖2 錨桿支護(hù)示意圖

為了與自然條件下采場模擬對(duì)比及進(jìn)行錨桿支護(hù)作用下采場穩(wěn)定性分析，主要統(tǒng)計(jì)采場開挖后采場的位移，所受最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力等相關(guān)模擬結(jié)果值及塑性區(qū)分布情況，錨桿支護(hù)下數(shù)值模擬結(jié)果如表6所示。

表6 錨桿支護(hù)下數(shù)值模擬結(jié)果

由表6可得，方案四中采場的最大拉應(yīng)力為4.911MPa，而最大壓應(yīng)力為50.611MPa，均沒有超過頂板圍巖的抗拉、抗壓強(qiáng)度，且整體位移量較小，塑性區(qū)也較少，表明采場頂板暴露面積為500m2時(shí)是穩(wěn)定的；當(dāng)采場頂板暴露面積增加至600m2時(shí)，采場頂板所受的最大壓、拉應(yīng)力均有所增大，雖然最大壓應(yīng)力仍小于抗壓強(qiáng)度76.1MPa，但是采場頂板所受的最大拉應(yīng)力已經(jīng)基本達(dá)到臨界抗壓強(qiáng)度，表明此時(shí)采場臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采場頂板暴露面積達(dá)到700m2時(shí)，頂板巖體的最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力均超過強(qiáng)度范圍，并且塑性區(qū)已經(jīng)貫通，表明采場處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，在采用錨桿支護(hù)的情況下采場的極限暴露面積為600m2。

同時(shí)，對(duì)比分析方案三和方案四可得，采用錨桿支護(hù)采場后，采場頂板所受最大壓應(yīng)力由未支護(hù)的77.11MPa降至50.61MPa，采場頂板所受最大拉應(yīng)力由未支護(hù)的8.98MPa減小為4.91MPa，頂板的豎向下沉量從未支護(hù)的 22.13mm 減小到 14.12mm，且塑性區(qū)明顯減少，由未支護(hù)的貫通變?yōu)椴回炌?。說明采用錨桿支護(hù)作為頂板穩(wěn)定性控制措施，能夠減小頂板壓力，控制頂板位移變形和巖體冒落。

5 結(jié)論

（1）充分利用3Dmine、MIDAS/GTS及FLAC3D軟件的建模優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了貼近實(shí)際的地表及地下采場三維實(shí)體模型，為地下礦山采場穩(wěn)定性研究提供了模型基礎(chǔ)。

（2）運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)無支護(hù)及錨桿支護(hù)兩種工況下開挖采場的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析研究，得到自然條件下（無支護(hù)）采場的極限暴露面積為400m2，錨桿支護(hù)條件下采場的極限暴露面積為600m2；錨桿支護(hù)能夠有效的降低采場圍巖所受的壓、拉應(yīng)力，控制圍巖變形，是控制圍巖穩(wěn)定、保障地下礦山安全生產(chǎn)的有力措施。

（3）錨桿支護(hù)只是采場頂板穩(wěn)定控制的措施之一，地下工程巖體情況復(fù)雜多變，不同的工程情況應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行合理的方案選擇。