基于FLAC3D數值模擬的某礦山不同采礦方法對比★

易理德熊　毅王卓雄（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶　400030；2.重慶大學資源及環境科學學院，重慶　400030）

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基于FLAC3D數值模擬的某礦山不同采礦方法對比★

易理德1，2熊毅1，2王卓雄1，2
（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶400030；2.重慶大學資源及環境科學學院，重慶400030）

摘要：以云南某緩傾斜薄至中厚磷礦體露天轉地下開采為工程背景，根據賦存條件、礦體厚度、礦層傾角和地質勘探線剖面，確定主要兩種采礦方法為崩落法和充填法，采用有限差分軟件FLAC3D數值模擬方法對采場出現位移的變化規律進行研究，得出了充填法開采沉降位移影響范圍明顯減小，對于緩傾斜薄至中厚礦體，開采方法也是露天轉地下，為其選擇及優化提供依據。

關鍵詞：數值模擬，充填法，位移，崩落法

0　引言

20世紀80年代初宋振騏院士等［1，2］根據多次現場實地監測的數據，得到了把巖層的運動作為中心，預測預報、控制設計和控制效果判斷三位一體的實用礦壓理論體系。這個理論說明了如何確定地采礦山巷道的合理位置的方法以及預防和控制礦山災害事故的理論和技術。

80年代錢鳴高等院士［3-5］從實踐經驗提出關鍵層理論。關鍵層理論將開采礦壓、巖層移動以及地表沉陷等方向的研究統一為有機整體，并且得到了采動影響下巖體的變化規律。

近幾十年來，計算機應用越來越普遍，發展自然突飛猛進，這樣就推進了數值計算方法在各個領域的廣泛應用，包括采礦工程學科，極大地促進了采礦工程學科的發展［6-9］。目前越來越多的工程采用數值模擬計算和現場監控監測相結合的手段指導現場工程實踐。這也說明了數值模擬分析仍然是有效的研究方法［10-14］。

本論文以云南某緩傾斜薄至中厚磷礦體露天轉地下開采為工程背景，應用FLAC3D數值模擬，對上下盤礦層開挖回采時的變形規律進行研究。

1　模型建立

1.1模型尺寸與本構模型

模型沿底寬度524 m礦坑延伸到地下170 m，沿走向以采場60 m長度的設計和布局，考慮邊界效應，最小開挖長度的3倍～5倍，70 m預留礦柱，因此，總長度200 m。幾何模型圖見圖1。

根據現場取樣和巖石力學試驗結果，不同圍壓條件下的巖石具有明顯的彈塑性變形特征，包括塑性破壞、破壞和剪切破壞。因此該計算采用摩爾—庫侖本構模型。

1.2巖層參數選取和模擬開挖充填過程

1）巖層參數選取。由室內力學性質試驗，得出礦體及圍巖力學性質參數，見表1。

表1　巖層力學性質參數表

圖2為賦屬性后模型效果圖。

2）模擬開挖充填過程。該模型中崩落法開挖分上盤和下盤開挖，先是上盤開挖，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進行，這樣依次開挖直至上盤開挖完畢，再進行下盤開挖，和上盤開挖方式一樣，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進行，這樣依次開挖直至上盤開挖完畢。

圖1　幾何模型圖

圖2　賦屬性后模型效果圖

該模型中充填法開挖充填過程是：分上盤和下盤開挖充填，先是上盤開挖，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進行，在開挖下一步前充填上一個被開挖的礦房。這樣依次開挖充填直至上盤開挖充填完畢，再進行下盤開挖充填，和上盤開挖方式一樣，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進行，在開挖下一步前充填上一個被開挖的礦房。這樣依次開挖充填直至上盤開挖充填完畢。

2　數值模擬結果分析

1）上盤礦開采影響下位移規律分析（見圖3～圖6）。

圖3　上盤礦開采時垂直位移分布（崩落法）

圖4　上盤礦開采時水平位移分布（崩落法）

從圖3～圖6可知，隨著上盤礦的開采，崩落法中，上盤頂板向采空區的垂直沉降達到0. 5 m，向采空區的水平移動變形達到0. 2 m，上盤底板向上鼓起達到0. 4 m左右，向采空區的水平移動變形達到0. 2 m；而充填法中，上盤頂板向采空區的垂直沉降達到0.3 m，向采空區的水平移動變形達到0. 15 m，上盤底板向上鼓起達到0. 2 m左右，向采空區的水平移動變形達到0. 075 m。很明顯，預留隔離頂柱50 m上盤礦開挖后，相對于崩落法而言，充填法的各種變形量幾乎減小了1/2。

圖5　上盤礦開采時垂直位移分布（充填法）

圖6　上盤礦開采時水平位移分布（充填法）

2）下盤礦開采影響下位移分布規律分析（見圖7～圖10）。

圖7　下盤礦開采時垂直位移分布（崩落法）

圖8　下盤礦開采時水平位移分布（崩落法）

圖9　下盤礦開采時垂直位移分布（充填法）

圖10　下盤礦開采時水平位移分布（充填法）

從圖7～圖10可知，隨著下盤礦的開采，崩落法中，上盤頂板向采空區的垂直沉降達到0. 6 m，向采空區的水平移動變形達到0. 25 m，下盤底板向上鼓起達到0. 3 m左右，向采空區的水平移動變形達到0. 25 m；而充填法中，上盤頂板向采空區的垂直沉降達到0. 35 m，向采空區的水平移動變形達到0. 19 m，下盤底板向上鼓起達到0. 15 m左右，向采空區的水平移動變形達到0. 2 m。很明顯，預留隔離頂柱50 m下盤礦開挖后，相對于崩落法而言，充填法的各種變形量幾乎減小了1/2。

3　結語

歸納總結FLAC3D數值模擬軟件計算結果，可以作出以下幾點小結：

1）模擬計算模型整體穩定，無大規模大范圍下沉及破壞現象，豎直方向上頂板卸壓范圍未波及露天坑坑底，說明卸壓影響較小。

2）在上下盤開挖的過程中，崩落法中的隔離層垂直位移最大達到0. 3 m，而充填法中的隔離層垂直位移最大達到0. 15 m，僅是崩落法的1/2。

3）通過數值模擬崩落法和充填法這兩種采礦方法，從應力分析來看，上盤礦和下盤礦開采過程中，充填法比崩落法的應力要小；從位移分析來看，上盤礦和下盤礦開采過程中，充填法的垂直和水平位移等各種變形量幾乎減小了1/2；所以從本次數值模擬結果來看，充填法比崩落法要優化很多。

參考文獻：

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Comparative study of different mining methods in a mine based on FLAC3D numerical simulation★

Yi Lide1，2Xiong Yi1，2Wang Zhuoxiong1，2
（1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2. College of Resources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

Abstract：To Yunnan a slow inclined thin and medium thick phosphorus ore open-pit to underground mining engineering background，combined with seam occurrence condition，ore body thickness，obliquity and geological prospecting line profile，primary caving method and the method of filling two mining method，using the finite difference software FLAC3D numerical simulation method of displacement behavior were studied，it is concluded that fill mining method mining subsidence displacement effects are reduced obviously. This paper provides a basis for the selection and optimization of open pit underground mining method for similar gently inclined thin to medium thick phosphorus ore body.

Key words：numerical simulation，filling method，displacement，caving method

中圖分類號：TD802

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0069-02

收稿日期：2016-01-20★：國家級大學生創新訓練項目（項目編號：201510611057）

作者簡介：易理德（1990-），男，在讀碩士