基于FLAC3D的大冶鐵礦礦柱回采過程靜力分析*

周德紅

(武漢工程大學 資源與土木工程學院)

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基于FLAC3D的大冶鐵礦礦柱回采過程靜力分析*

周德紅

(武漢工程大學 資源與土木工程學院)

摘要以大冶鐵礦礦柱回采過程為例，采用動力有限元法對其在動力擾動下的響應靜力特征進行分析，選取壓力20，30，40 MPa，采用FLAC3D對其荷載進行數值模擬分析。結果表明，礦柱模型在不同荷載下，豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區域主要集中于模型底部，隨著荷載的增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，礦柱底部出現明顯應力集中現象；并且在3種荷載時，礦柱模型均未出現塑性區，在40 MPa豎向靜荷載作用下，礦柱穩定性較好。

關鍵詞礦柱豎向應力塑性區FLAC3D采空區

礦山采空區中任一礦柱的失穩都會導致其上部大規模采空區群的失穩，最終形成多米諾骨牌式的連鎖坍塌。為了認識礦山采空區群的整體穩定性，研究承受高應力下的礦柱對動力擾動的響應有著十分重要的意義[1-3]。本文以大冶鐵礦采空區礦柱作為研究對象，運用動力有限元法對其在動力擾動下的響應靜力特征進行模擬分析，為礦柱回采工作提供技術依據。

1工程概況

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區境內，為低山-丘陵組成的山丘-盆地地形；山脈走向NWW，與構造線走向一致；地勢北高南低，低山與丘陵之間走向為NWW—SEE。鐵門坎采區淺部礦體于1984年7月結束露天開采，坑底標高為-36 m。-36 m以下及掛幫礦轉為地下開采。該礦區地下開采階段高60 m，分段高12 m，采用無底柱分段崩落法開采。到2005年底，-62 m分段及以上分段已開采完畢。

-62～-50 m區段充填有大量黃泥，黃泥下泄會影響下分段采礦，對-62 m分段底柱與點柱不予開采，故不作統計。其他分段統計礦柱見表1。可知，鐵門坎采區-50～-110 m區段頂底柱占84.5%，點柱占15.5%，殘留礦柱約77 677 m3，礦石按4.12 t/m3計算，資源儲量為32萬t。從安全回采來看，-110 m 分段底柱列入下區段回收較妥，故本區段可回收礦柱約63 217 m3，資源儲量為26萬t。

表1　礦柱統計

2數值模型建立

根據前人研究的大冶鐵礦巖體物理力學參數[4-9]，結合工程實踐經驗，圍巖和礦體物理力學參數取值見表2。

表2　材料物理力學參數

選取直徑3 m、高12 m的豎直圓形礦柱進行計算模擬分析。為了模擬豎直方向的地應力，模型上邊界施加一豎直方向的靜載，下邊界施加位移約束。在模型上邊界施加一動力荷載以考察動力擾動對礦柱的影響。圓形礦柱的靜力、動力模型和計算網格分別見圖1、圖2。

3模擬計算方案

首先，為了考察礦柱的承載能力，計算當高徑比為4∶1時，礦柱在不同靜壓力下的應力和變形情況。基于此，為了進行靜力擾動分析，在礦柱模型的頂端

圖1　礦柱模型

圖2　數值模擬網格劃分模型

施加一應力波荷載。計算時間取0.1 s，周期為0.01 s，采用如圖3所示的正弦脈沖分布荷載。當擾動應力波的峰值分別取Pmax=10，20，30 MPa時，計算分析靜載對礦柱的影響。

圖3　應力波時程曲線

4礦柱靜力模擬結果及分析

根據工程地質，利用FLAC3D強大的后處理功能[10-15]，對大冶鐵礦礦柱回采過程靜力分布模擬。不同上覆荷載下礦柱的豎向應力和塑性區分布見圖4、圖5。

從圖4可以看出，P=20 MPa時，模型豎向應力最大值為24.15 MPa；P=30 MPa時，模型豎向應力最大值為36.23 MPa；P=40 MPa時，模型豎向應力最大值為48.3 MPa。豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區域主要集中于模型底部。隨著荷載的增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，且礦柱底部出現明顯的應力集中現象。

從圖5可以看出，P=20，30，40 MPa時，礦柱模型均未出現塑性區，在40 MPa的豎向靜荷載作用下，礦柱穩定性較好。

圖4　不同荷載下礦柱豎向應力分布

圖5　不同荷載下礦柱塑性區分布

5結語

以大冶鐵礦采空區礦柱作為研究對象，設計了數值模擬方案，采用動力有限元法綜合分析采空區礦柱在動力擾動下的響應靜力特征。在20,30,40 MPa荷載下，礦柱模型均未出現塑性區，豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區域主要集中在模型底部，隨著荷載增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，并且在40 MPa時礦柱穩定性較好。分析結果為認識采空區礦柱的力學規律和防護破壞提供了理論依據。

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(收稿日期2015-11-10)

*2015年安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(編號：hubei-0008-2015AQ)；湖北省教育廳2014年度高校青年教師深入企業行動計劃項目(編號：XD2014132)；武漢工程大學2014年研究生教育教學改革研究項目(編號：yjg201407)

周德紅(1978—)，男，副教授，博士，430073 湖北省武漢市洪山區雄楚大街693號。