地下開采對山體邊坡影響的數值模擬分析

黃 敏

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

地下開采對山體邊坡影響的數值模擬分析

黃 敏1，2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

采用FLAC3D模擬在重力作用下礦體開挖對山體邊坡的影響，研究表明，對山體邊坡影響較大的區域位于17＃～20?？碧骄€，對礦體影響較大的區域位于17?！?8?？碧骄€，這與礦山生產現狀基本吻合，表明在上部采場開采過程中應注意山體邊坡的穩定性。

地下開采；邊坡穩定性；數值模擬

0 工程概況

國內某銅礦礦體為多層、緩傾斜-傾斜、中厚-厚礦體,沿走向和傾向上礦體的產狀和厚度變化很大,且厚大部分多靠近地表。針對礦體的不同產狀,目前采礦方法主要為底盤漏斗空場法、房柱法和全面法等。該銅礦礦體為硫化礦,圍巖以大理巖為主。按照設計要求分為上、下2個采場進行開采,3150標高以上為上部采場,3150標高以下為下部采場,采場勘探線剖面圖如圖1所示。經過多年的開采,山體邊坡穩定性受到破壞,曾出現過較大的滑坡災害。為真實地反映礦山地下開采對山體邊坡所造成的影響,運用三維數值模擬軟件進行模擬分析。

通過建立符合實際的三維模型,并采用FLAC3D數值模擬軟件對開采過程進行數值模擬研究,模擬主要目的是分析礦體回采過程中山體邊坡應力、位移分布演化及塑性區的發展過程。

圖1 采場勘探線剖面

1 數值模型

在現場調查及提供的平、剖面圖的基礎上,建立數值計算模型,由于巖土工程問題的復雜性,數值模擬計算不可能考慮到所有因素,需要作一定簡化,根據圣維南原理以及相關理論分析可知:模型范圍的選擇只需要重點考慮工程地質體區域輪廓線尺寸的2.5～3倍,開挖后產生的應力和位移對此范圍之外的影響甚微,可忽略不計。最終建立好的FLAC3D單元體模型見圖2,模型共劃分不274590節點, 207840個單元,x方向長為600m；y方向為長為750 m；z方向為400 m,底部標高為3000 m,頂部標高為3400 m,建模范圍為0＃勘探線至27＃勘探線,模擬在重力作用及礦體開挖過程中對山體邊坡的影響。

圖2 FLAC3D單元體模型

根據實際開采情況,整個模擬計算過程分為3 步:原始應力平衡階段,該步驟無任何開挖充填過程,只施加自重應力場,先開挖下部采場,最后開挖上部采場。

計算區域邊界采取位移約束,即模型底部所有節點采用x、y、z 3個方向約束,模型x方向的兩端采用x方向約束,模型y方向的兩端采用y方向約束。模型坡面為自由邊界。約束后的模型見圖1。數值計算只考慮重力作用,選取重力加速度為9.8 m/s2,方向垂直向下,選用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)模型,并賦材料力學參數(見表1)。

表1 材料力學參數

2 模擬計算與分析

通過模擬計算可知,在初始應力平衡狀態下,模型中僅有自重應力場作用,主應力從上往下依次增大,主應力線呈水平狀態,最大主應力-28.5 MPa,最小主應力0.653 MPa,整個模型位移垂直向下,位移從上部到下部依次減小,最大位移從上部1.2 m到模型底部的1.5 cm。從位移矢量圖來看(見圖3),山體邊坡坡面位移豎直向下,可知山體邊坡處于穩定狀態下。

圖3 原始狀態下13?？碧骄€上位移矢量

由圖4可以看出,下部采場開采以后,應力變化不大。山體邊坡和礦體均發生了位移,最大位移8 cm,山體邊坡最大位移位于16?！?0?？碧骄€,礦體最大位移位于17＃～18＃勘探線。下部采場礦體開挖后,塑性區和原始狀態相比,塑性區面積擴大,山體邊坡和礦體均受到開挖擾動,其穩定性均有所降低。從位移矢量圖上看(見圖5),位移方向指向凌空面,說明山體受開挖擾動,出現了滑坡趨勢,山體穩定性降低。

由圖6可以看出,上部采場礦體開采以后,山體邊坡和礦體位移繼續增大,最大位移分別達到18 cm和14 cm,山體最大位移位于17?！?0＃勘探線,礦體最大位移位于17＃～18＃勘探線,與實際情況相符合。上部采場礦體開挖后,塑性區發生了變化,塑性區面積擴大,山體和礦體均受到開挖擾動,其穩定性均有所降低。從位移矢量圖上看(見圖6),位移方向指向凌空面,加之位移較大,山體出現了滑坡,這與實際開采情況基本一致。

圖4 下部采場開挖后山體最大位移分布

圖5 下部采場開挖后13＃勘探線位移矢量

圖6 上部采場開挖后山體最大位移分布

3 結 論

采用FLAC3D數值模擬軟件對礦段地下開采現狀進行了再現模擬研究,從應力、位移和塑性區綜合分析來看,開采至今,對山體影響較大的區域位于17?！?0＃勘探線,對礦體影響較大的區域位于17?！?8＃勘探線,這與礦山生產現狀基本吻合。因此,在上部采場開采過程中應注意山體邊坡的穩定性。

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2014-02-17)

黃 敏(1985-)，男，湖南長沙人，碩士，助理工程師，主要從事采礦技術及工程，Email:huangmin923923＠163. com。