基于FLAC3D某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

龍 斌 徐 超 戴 軍 卿自強(qiáng)

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)提升，我國的非煤礦山獲得了較大程度的發(fā)展，礦石開采規(guī)模的擴(kuò)大，導(dǎo)致了我國許多礦區(qū)開始逐漸出現(xiàn)大面積的采空區(qū)。隨著礦山向深部開采，地壓增大，采空區(qū)在高應(yīng)力作用下，容易發(fā)生坍塌事故。殘留大量的采空區(qū)沒有進(jìn)行及時(shí)處理，給礦山開采帶來了嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)給礦山作業(yè)人員和設(shè)備帶來嚴(yán)重的威脅，對(duì)自然環(huán)境造成一定程度的破壞［1-2］。因此，如何有效地治理采空區(qū)，避免因采空區(qū)失穩(wěn)給礦山帶來災(zāi)害，是目前礦山安全生產(chǎn)的亟需解決的技術(shù)難題。

目前，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)地下礦山采空區(qū)穩(wěn)定性展開了相關(guān)研究工作。張佳男等［3］通過對(duì)礦山現(xiàn)狀采空區(qū)情況進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析，并采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式，開展礦山采空區(qū)穩(wěn)定性研究工作，評(píng)估采空區(qū)安全性，為保證礦山深部安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。周科平等［4］基于某礦山采空區(qū)群精細(xì)探測(cè)數(shù)據(jù)，采用Geomagic、Midas GTS 與FLAC3D的耦合建模以及數(shù)值模擬分析方法，對(duì)復(fù)雜采空區(qū)群進(jìn)行穩(wěn)定性分析；同時(shí)建立了復(fù)雜采空區(qū)群的安全分級(jí)評(píng)價(jià)體系，開展了復(fù)雜采空區(qū)群安全分級(jí)評(píng)價(jià)。謝偉等［5］以湖南某鎢礦為研究背景，基于Mathews 穩(wěn)定性圖解法理論模型，對(duì)不同中段的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了理論計(jì)算，并依據(jù)礦山采空區(qū)現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬法分析了當(dāng)前采空區(qū)下各區(qū)域的主應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布，評(píng)估當(dāng)前狀態(tài)下主采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)。余正方等［6］采用三維激光掃描方法，對(duì)大紅山鐵礦Ⅱ-1 頭部采空區(qū)進(jìn)行了精細(xì)探測(cè)，并采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模與數(shù)值模擬方式，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值分析。

本研究以某鐵礦為例，利用3Dmine-Midas/GTS軟件耦合技術(shù)，建立了相關(guān)地下采場(chǎng)分析數(shù)值模型，并采用FLAC3D軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過分析采空區(qū)圍巖、頂板、礦柱的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)情況，研究礦山南區(qū)采空區(qū)的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果可為礦山企業(yè)下一步的采空區(qū)治理方案提供依據(jù)。

1 工程概況

某鐵礦采用地下開采方式，目前礦山南區(qū)470 m標(biāo)高以上已開采結(jié)束，現(xiàn)有開拓系統(tǒng)為平硐+斜坡道開拓，采用汽車運(yùn)輸，后期開采410，350 m 等中段。礦山目前采用淺孔留礦法回采，平底結(jié)構(gòu)鏟運(yùn)機(jī)出礦。采場(chǎng)留有頂柱，采場(chǎng)之間留設(shè)有礦柱，跨度較大的采場(chǎng)留設(shè)有點(diǎn)柱。南區(qū)現(xiàn)有采空區(qū)主要位于530，500，470 m中段，500 m中段采空區(qū)頂板與530 m中段底板之間留有6～15 m高頂柱，470 m中段采空區(qū)頂板與500 m 中段底板之間留有4～10 m 高頂柱。530 m中段現(xiàn)有采空區(qū)20 個(gè)，編號(hào)為S53C01～S53C20，采空區(qū)總體積為36.50×104m3；500 m 中段現(xiàn)有采空區(qū)20個(gè)，編號(hào)為S50C01～S50C20，采空區(qū)總體積為22.36×104m3；470 m 中 段 現(xiàn) 有 采 空 區(qū)15 個(gè)，編 號(hào) 為S47C01～S47C15，采空區(qū)總體積為18.20×104m3。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 模型材料參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析所需要的基本數(shù)據(jù)，開展了礦巖力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)，主要進(jìn)行了4 項(xiàng)試驗(yàn)：礦巖容重、礦巖單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)、巖體的泊松比與彈性模量試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則利用Roclab1.0 軟件對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正后確定巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

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2.2 三維模型建立

本次研究的主要內(nèi)容為礦山南區(qū)開采產(chǎn)生的采空區(qū)的穩(wěn)定性，結(jié)合礦山實(shí)際開采情況，確定本次研究的范圍為X=64 800～65 500 m，Y=65 100～65 800 m，Z=300 m～地表；南區(qū)模型尺寸為700 m×700 m×（300-地表高度）m（長×寬×高），數(shù)值模型建立如圖1所示。

模型采用位移約束邊界條件，模型4個(gè)側(cè)面為水平位移約束，底面為豎直位移約束，即在模型底部施加Z方向位移約束，4 個(gè)側(cè)面分別施加X，Y方向位移約束，地表為自由面。

在地下工程數(shù)值分析時(shí)，計(jì)算成功的關(guān)鍵不僅僅需要準(zhǔn)確的計(jì)算模型，初始地應(yīng)力場(chǎng)也十分重要。根據(jù)該礦區(qū)的地形特點(diǎn)和地質(zhì)構(gòu)造條件，原巖應(yīng)力以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，可以不考慮構(gòu)造應(yīng)力的存在，其地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)分析，應(yīng)力場(chǎng)各主應(yīng)力均隨深度呈線性增加。因此，本次模擬中初始地應(yīng)力場(chǎng)僅按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，如圖2所示。

2.3 模擬步驟

礦山采用淺孔留礦法回采，實(shí)際生產(chǎn)中段間自上而下開采，中段內(nèi)后退式回采。為了較真實(shí)地反映出礦山開采對(duì)巖體的擾動(dòng)影響，數(shù)值模擬過程開挖順序和礦山實(shí)際一致。本次數(shù)值模擬的過程如下：

（1）在未進(jìn)行地下開采的情況下，生成初始應(yīng)力及初始位移。

（2）清除初始位移。

（3）模擬采用淺孔留礦法回采，對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行開挖，形成采空區(qū)。

（4）模擬開采順序自上而下逐個(gè)中段開挖，南區(qū)由南向北開挖。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

針對(duì)礦區(qū)南區(qū)復(fù)雜的采空區(qū)賦存情況，從位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)3個(gè)方面合理準(zhǔn)確地分析模擬結(jié)果，從而綜合評(píng)價(jià)南區(qū)采空區(qū)的穩(wěn)定性。通過切取剖面分析南區(qū)采空區(qū)的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)狀態(tài)，本文以勘探線為剖面進(jìn)行分析。

3.1 南區(qū)位移分析

地下開采時(shí)，開采區(qū)周圍巖體受到擾動(dòng)，引起巖體變形甚至破壞。采空區(qū)頂板、上盤圍巖大面積冒落是引發(fā)地表塌陷、沖擊地壓災(zāi)害的主要因素，給地表設(shè)施以及地下生產(chǎn)活動(dòng)帶來極大的安全危害。因此，有必要對(duì)各采空區(qū)頂板、上盤圍巖的變形進(jìn)行分析，根據(jù)采空區(qū)的變形程度判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性，為空區(qū)治理提供參考依據(jù)。模擬南區(qū)530，500，470 m中段開采至目前現(xiàn)狀后，部分勘探線剖面圍巖變形如圖3所示。

從圖3 可以看出，礦體開采后，圍巖產(chǎn)生向空區(qū)一側(cè)的變形，變形較大區(qū)域?yàn)轫敯?。同時(shí)，可以看出圍巖的變形擴(kuò)展到了地表，使得地表產(chǎn)生了一定程度變形。影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要是沉降變形，南區(qū)各采空區(qū)圍巖沉降變形情況如圖4所示。

從圖4 可以看出，南區(qū)530，500，470 m 中段開采后圍巖產(chǎn)生的沉降位移很小，基本在0.1～1.8 mm，由于礦山工程地質(zhì)條件好，圍巖和礦體均為堅(jiān)硬的巖體，破壞時(shí)的變形很小。

3.2 南區(qū)壓應(yīng)力分析

礦體開采前，地下巖層處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。礦體的開采破壞了原有的平衡狀態(tài)，引起圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)改變和應(yīng)力集中。如果圍巖新應(yīng)力場(chǎng)中的應(yīng)力沒有超過圍巖的承載能力，圍巖將會(huì)自行達(dá)到新的平衡；否則，圍巖將可能產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)巖爆、片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，影響采空區(qū)的穩(wěn)定性和礦山正常安全生產(chǎn)。模擬南區(qū)530，500，470 m中段開采至目前現(xiàn)狀后，圍巖壓應(yīng)力如圖5所示。

從圖5 可看出，礦體開采后，在采空區(qū)底部角隅處出現(xiàn)了明顯的壓應(yīng)力集中，其次在采空區(qū)間的礦柱所受到的壓應(yīng)力相較于開采前也出現(xiàn)了明顯的增加。南區(qū)各采空區(qū)圍巖最大壓應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

從圖6可以看出，各中段采空區(qū)圍巖的最大壓應(yīng)力未出現(xiàn)較大的變化?？傮w來看，圍巖壓應(yīng)力值往深部逐漸增大，最大壓應(yīng)力值未超過巖體的抗壓強(qiáng)度，因此圍巖不會(huì)出現(xiàn)壓裂破壞。

3.3 南區(qū)拉應(yīng)力分析

礦體回采后，圍巖由于受到開采擾動(dòng)，可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。通常巖石的抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/4～1/25（平均1/10），因此圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)需引起重視。模擬南區(qū)530，500，470 m 中段開采至目前現(xiàn)狀后，圍巖拉應(yīng)力如圖7所示。

從圖7 可以得出，較多采空區(qū)圍巖產(chǎn)生了拉應(yīng)力，其拉應(yīng)力區(qū)域在頂板中間或上盤靠近頂板處。南區(qū)各采空區(qū)圍巖最大拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如圖8 所示?？梢?，大部分采空區(qū)圍巖均產(chǎn)生了不同大小的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值在0～1.44 MPa，均小于巖體的抗拉強(qiáng)度。因此，圍巖不會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。同時(shí)，對(duì)比分析各采空區(qū)拉應(yīng)力，頂板跨度大的采空區(qū)，圍巖應(yīng)力相對(duì)要更大，比如S50C02、S50C14 等。上、下中段層疊采空區(qū)的頂板拉應(yīng)力值除與采空區(qū)跨度有關(guān)外，還與頂板厚度相關(guān)，主要是因?yàn)轫敯逍璩惺茏陨淼闹亓Α?/p>

3.4 南區(qū)塑性區(qū)分析

塑性區(qū)可以直觀分析礦體回采后圍巖的破壞規(guī)律及采空區(qū)穩(wěn)定性情況，模擬礦體開采后，圍巖塑性區(qū)分布如圖9 所示，可以看出，S53C05 采空區(qū)頂板和與S53C06 間的礦柱產(chǎn)生了連續(xù)貫通塑性破壞區(qū)，表明S53C05 采空區(qū)過去出現(xiàn)過頂板冒落、礦柱破壞，可能導(dǎo)致上覆巖層塌陷，以及引起周邊S53C06 采空區(qū)失穩(wěn)。現(xiàn)場(chǎng)可見南區(qū)S53C05、S53C06采空區(qū)上覆巖層已塌陷至地表。530 m中段其余采空區(qū)圍巖未出現(xiàn)塑性區(qū)或僅有零星塑性區(qū)，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響很小。500，470 m中段圍巖未出現(xiàn)塑性區(qū)，說明穩(wěn)定性較好。

4 結(jié) 論

以某鐵礦為例，利用3Dmine-Midas/GTS 軟件耦合技術(shù)，建立了相關(guān)地下采場(chǎng)分析數(shù)值模型，并采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)礦山南區(qū)采空區(qū)圍巖、頂板、礦柱的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)情況進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）南區(qū)530，500，470 m 中段開采后圍巖產(chǎn)生的沉降位移很小，基本在0.1～1.8 mm。

（2）南區(qū)各中段采空區(qū)圍巖的最大壓應(yīng)力未出現(xiàn)較大的變化?？傮w來看，圍巖壓應(yīng)力值往深部逐漸增大，最大壓應(yīng)力值未超過巖體的抗壓強(qiáng)度，因此圍巖不會(huì)出現(xiàn)壓裂破壞。

（3）南區(qū)大部分采空區(qū)圍巖均產(chǎn)生了不同大小的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值在0～1.44 MPa，均小于巖體的抗拉強(qiáng)度。因此，圍巖不會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。

（4）530 中段S53C05 采空區(qū)頂板和與S53C06 間的礦柱產(chǎn)生了連續(xù)貫通塑性破壞區(qū)，南區(qū)其余中段采空區(qū)圍巖未出現(xiàn)塑性區(qū)或僅有零星塑性區(qū)，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響很小。

（5）綜合各采空區(qū)圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)情況，南區(qū)除S53C05、S53C06采空區(qū)穩(wěn)定性較差外，其余采空區(qū)總體的穩(wěn)定性較好。