基于FLAC3D的采空區變形及充填模擬

酈　霞　蔣仲安　陳舉師

(北京科技大學土木與環境工程學院)

?

基于FLAC3D的采空區變形及充填模擬

酈霞蔣仲安陳舉師

(北京科技大學土木與環境工程學院)

摘要利用FLAC3D軟件，模擬了西石門鐵礦中深部開采后采空區的變形及充填效果。通過分析模擬結果，得出采空區形變規律以及充填后的變形改善效果，以此選擇了合理的采空區充填方案，為空區的穩定性評價和治理提供了科學依據。

關鍵詞采空區FLAC3D數值模擬充填效果

地下礦體在開采中應力平衡被打破，當頂板和底板的應力超出其強度極限就會產生形變和移動，直至垮落塌陷[1-2]。為了能持續安全地回收礦產資源，需對規模較大的礦山空區進行采場應力應變分布規律分析，以選擇合理的充填方案。由于采空區地應力和應力、應變之間的復雜關系，用解析方法確定頂板安全厚度、礦柱幾何尺寸難度大且不可靠[3-4]，而數值模擬法可有效地避免和克服了這一難題。本文利用FLAC3D軟件,模擬了西石門鐵礦采空區的穩定性，確定采空區應力應變分布規律，并分析了充填后的效果。

1西石門鐵礦采空區現狀

1.1工程概況

西石門鐵礦位于河北省武安市境內，礦床埋藏較深且形態復雜，按自然賦存位置劃分為中、南、北三區，各區段的采礦方法有所區別。中區0 m水平以下礦體厚度為5～10 m，最大處為25 m厚，走向長約465 m，沿傾向延伸最大175 m，賦存標高為-75～0 m，礦體厚度變化較大，礦巖均不穩固。圈定的塌陷區包含村莊，如欲保護地表村莊，根據巖石力學分析，需留礦柱礦量達60%以上，大大減少了可采礦量，礦山服務年限大大縮短，因此，0 m以下均使用充填法回采。

1.2采空區特征

西石門鐵礦礦體多以塊狀構造及稠密浸染狀構造為主，穩定性相對較好，但礦體下部或變薄分叉時，矽卡巖礦物增多，穩定性較差。采空區頂板以灰巖為主，底板以矽卡巖及閃長巖為主，其中矽卡巖的穩定性較差。

西石門鐵礦中區巖體點荷載強度測試結果顯示，空區頂板穩定的灰巖屬碎裂結構，穩定性稍差；底板閃長巖屬塊狀結構，穩定性一般，而矽卡巖則屬松散結構，不穩定，是造成工程失穩、引起頻繁地壓活動的主要原因[5]。巖石力學參數如表1所示。

表1　巖石力學參數

2采空區變形模擬

根據中區0 m以下礦體產狀，在垂直標高上從下向上回采，分段高度10 m，將-60 m分段作為首采分段，-40，-70 m為運輸水平。采用點柱式上向分層充填采礦法采礦，沿礦體走向劃分4個盤區。盤區長99 m，礦體水平厚度為寬度，每個盤區內沿礦體走向分3個采場，采場長33 m，寬為礦體的水平厚度。在采場中沿礦體走向按11 m間距布置永久損失的規則礦柱(點柱)，尺寸為4 m×4 m。采場布置如圖1所示。

圖1　采場布置(單位：m)

2.1采空區模型

根據中區采空區實際情況，運用FLAC3D建立幾何模型(見圖2)，模型的單元類型全部采用八節點六面體實體單元，每個節點含X、Y、Z方向3個自由度。

圖2　中區采空區幾何模型

為保證單元形狀整齊而不產生畸形，選擇均布網格，該模型計算范圍465 m×175 m×75 m，單個網格最小跨度1 m，共計15 000個單元體，選用庫倫-摩爾模型，力學參數參考表1。

2.2邊界和開挖

根據西石門中區采空區資料，給固定模型X方向兩端及Y方向底部[6-7]賦原始地應力參數，對礦體單元體施加NULL材料模擬開挖過程，并允許應力重新分布。針對中區采空區特點，通過控制變量法，按不同開采長度、縱向深度、厚度開挖進行模擬[8]。

在沒有回采狀態下，使位移和速度在重力狀態下歸零，按開采順序進行模擬，并記錄采空區變形情況。

2.3結果分析

采空區應力和位移等值線見圖3～圖4，結合數值模擬結果及礦區地質條件和采空區開采狀況，對采空區形變進行綜合分析。

圖3　中區采空區位移等值線云圖

據圖3所示，隨著X、Y方向的開挖，采空區形變范圍明顯增大，X方向整體位移變化為蝶狀，相對于開挖中心，水平位移兩側對稱但方向相反，位移在礦柱與礦體交接處最大，達到27.3 cm；同樣的，隨著X、Y方向開挖進度的變化，Z方向位移形變區域明顯增大，整體呈碗狀，且形變區域內分段密度明顯增多，豎直方向位移在底板和頂板中心處較為集中，并且向兩側衰減，最大位移達到46.4 cm。

X方向應力及Z方向應力云圖見圖4。從圖4可以看出，位移與應力變化的關系及X與Z方向的受力情況，X方向應力集中分布在礦柱與頂板銜接處并呈兩側對稱，受力整體向上凸起，最大處應力為9.31 MPa。

此時Z方向應力在一定開采范圍內與自重應力規律基本相同，增率與各分層巖體重度成正比，整體呈凹型變化，超出該范圍后，Z方向應力集中在礦柱中心處，應力最大值為12.24 MPa，頂板與底板受力明顯較大。

3充填效果模擬

結合工程實際，選擇隔一采一的充填方式，即每個盤區中一個采場采礦，一個充填一個采準，第一個采場采后即進行充填，采礦與充填交替進行。

圖4　中區采空區應力云圖

根據充填后位移云圖(圖5)可以看出，采用該方案充填之后，X方向形變區域雖無明顯變化，但該區域內的形變已經相當小，基本趨于一致，整體仍呈蝶狀對稱，中心處基本為零，最大區域仍集中在點柱附近，充填工作面內的位移也集中在點柱上，但此時位移減小到14.6 cm，充填工作面內中心位移相對較小，兩側較大，相對于未充填時位移明顯減小，Z方向各分區面積明顯增大，但形變顯著減小，整體仍呈繭形輻射狀對稱，從中心向兩側對稱衰減，同時遠離Z方向原點，但位移最大仍在底板和頂板處，為29.8 cm。充填后工作面內的位移也由兩壁與周圍巖體連接，整體較為集中，且同樣明顯減小。

圖5　充填后位移等值線云圖

圖6　充填后應力等值線云圖

充填后應力云圖見圖6。從圖6可以看出，采用該方案充填后，X方向應力區域雖無明顯縮小，但該區域內的應力分級明顯變密，工作面周圍應力顯著減小基本趨于整體化，整體應力分布呈駝峰狀，中心處集中受力并向兩側遞減，應力最大區域仍集中在工作面頂板和底板處，達到7.44 MPa，工作面內的應力明顯減小，與被充填工作面周圍巖體受力大小十分接近，與原未充填時相比，該工作面受力變化十分顯著。

此時Z方向應力區域雖無明顯縮小，但該區域內的應力分級有所減少，工作面周圍應力有所減小，尤其體現在工作面礦柱和底板周圍處，整體應力分布呈凹型對稱，點柱處集中受力并分別向兩側遞減，應力最大區域仍集中在工作面頂板底板及中心處，最大處10.84 MPa同時底板向上隆起，頂板向下塌陷，工作面內的應力有所減小，與被充填工作面周圍巖體受力形成整體，相對于原未充填的該工作面而言，受力變化十分明顯。

4結論

通過FLAC3D數值模擬的結果可以看出，西石門鐵礦中區采場回采后，空區處于基本穩定狀態。一旦有外力干擾或者暴露時間過長，中區采場礦柱因集中受力易產生大變形，而使采空區塌陷。

通過建立有限差分模型，模擬了采空區尺寸對其變形的影響，結果表明，當開采厚度及寬度增加時，采空區變形區域增大，空區水平和豎直方向位移值顯著增大，反映在礦柱上的受力變化十分明顯。針對該礦中區的模擬顯示，采空區位移形變值在充填之后減小，隔一采一的充填方式對采空區形變控制效果顯著。

參考文獻

[1]李想，朱為民，謝曉斌.FLAC3D在某鐵礦采空區穩定性分析中的應用[J].中國礦山工程，2012，41(1)：25-29.

[2]李培現，譚志祥，王磊，等.FLAC在老采空區地基穩定性評價中的應用研究[J].煤礦安全，2009，40(10)：11-14.

[3]王海峰.基于FLAC的采空區地表變形及充填效果模擬分析[D].北京:中國地質大學，2011.

[4]葉昀，蔣仲安，俞楊明，等.西石門鐵礦深部巷道支護參數的優化設計[J].礦業工程，2014，12(2):43-45.

[5]吳啟紅，唐佳，楊有蓮.某礦山多層采空區群穩定性的FLAC3D數值分析[J].礦冶工程，2011，31(6):13-16.

[6]王偉東，曲華，張培鵬，等.充填采煤法控制地表下沉數值模擬[J].煤礦安全，2014，45(10)：181-183，186.

[7]陳平.大冶垴窖鐵礦的采場數值模擬及采空區塌陷預測[D].武漢：武漢科技大學，2011.

[8]武崇福，劉東彥，方志.FLAC3D在采空區穩定性分析中的應用[J].河南理工大學學報：自然科學版，2007，26(2):136-140.

(收稿日期2015-10-09)

Simulation of Deformation and Filling of Goaf Based on FLAC3D

Li XiaJiang ZhonganChen Jushi

(School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing)

AbstractThe deformation and filling effects of the goaf in Xishimen iron mine is simulated based on FLAC3Dsoftware,the deformation regularity and deformation improvement effects are obtained. Based on analyzing above research results, the reasonable filling scheme can be selected to provide the scientific basis for the evaluation of goaf stability and treatment.

KeywordsGoaf, FLAC3D, Numerical simulation, Filling effect

酈霞(1990—)，女，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。