空區穩定性影響因素數值模擬研究

房洪亮 王宇馳

摘要： 在礦山進行地下開采時，會造成許多空區，這些空區是否穩定對礦山安全有著很大影響，為了研究研究空區穩定性的影響因素，文章運用FLAC3D數值模擬軟件建立一個簡化模型對何家采區空區進行分析，從厚跨比進行了多組模型數值模擬分析，確定了幾個因素對空區圍巖及頂板穩定的影響，對生產實際有著一定的指導作用。

Abstract： When underground mining is carried out in mines， many empty areas will be created. Whether these empty areas are stable or not has great influence on mine safety. In order to study the influencing factors of the stability of the empty area， the article uses FLAC3D numerical simulation software to establish a simplified model to analyze the empty area of Hejia mining area. Multiple sets of models numerical simulation analysis is carried out from thick-span ratio， thus determining the influence of several factors on the surrounding rock and roof stability of the empty area， and has a certain guiding effect on production practice.

關鍵詞：空區穩定性；數值模擬；內摩擦角；粘聚力；厚跨比

Key words： empty area stability；numerical simulation；internal friction angle；cohesive force；thick-span ratio

中圖分類號：TD804 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0191-02

0 引言

為便于分析問題，本文中將何家采區空區硐室圍巖應力考慮為均布壓力狀態，將圍巖體考慮成各向同性的連續均勻介質。在實際情況中空區硐室的軸向長度較長，且在該方向上不需要考慮自由面影響，可轉化為平面應變問題[1]。但FLAC3D后處理體積應變云圖與塑性區云圖用于判定松動圈范圍上簡潔明了，仍用三維計算，在厚度方向只需取一個單位網格，快捷又不會對結果產生影響。以左右邊界為模型位移邊界；模型邊界Y軸方向為整體約束，模型底部約束Z方向為滑動支座，只考慮計算精度話，模型的幾何尺寸應取實際值[2]，但為了減小邊界對空區硐室的影響，一般將左右邊界距離硐室的距離確定為3-5倍的跨度。由于硐室高2.5m模型底面對硐室影響模型較小，模型的底邊界到硐室底面取5m，如圖1所示。由于巖石多被剪切破壞，而摩爾·庫侖準則有著全面反映巖石強度特點的優點，且適用于脆性材料的剪切破壞；故采用摩爾·庫侖模型計算。控制在一定范圍空區規模、深度及圍巖的力學性質、邊界條件都影響著上覆地表承載能力。為使機械設備、車輛能夠安全或部分限制的通過，空區需有一定的承載力，所以根據現場實際情況選取最不利荷載，在空區頂部5m范圍內作用1MPa的荷載。

1 不同厚度的頂板影響分析

為了獲得頂板的安全厚度，要對不同厚度的頂板利用FLAC-3D數值模擬軟件進行模擬計算，觀察x-x方向的應力值即不同厚度頂板處水平方向的拉應力值，進而和頂板處的抗拉強度比較得出安全厚度。在此過程中，為便于分析只計算頂板在其重力作用下產生的拉應力。查閱有關資料，可以把頂板容許抗拉強度[σ]看作是其抗拉強度[7]。

在本次模擬計算中，初始頂板的厚度設為4m，以后每次計算頂板的厚度增加1m，以此類推。根據本次模擬結果，不同厚度的頂板處所對應的水平方向應力分布情況分別如下，如圖1所示。

圖1中頂板厚度取值為4-9m時，其頂板處的水平方向應力分布云圖依次如a-f各圖所示。由應力分布云圖和頂板厚度與拉應力曲線圖可以得出，頂板下表面的拉應力是不受頂板的厚度變化的影響，無論如何變化此拉應力總是存在。但是隨著頂板厚度的逐漸增大頂板處的最大拉應力的數值會隨之減小。頂板處的最大拉應力的減小量在頂板厚度在4-7m之間時比較大，但應力的減小程度會隨著頂板厚度的增加而越來越弱。

在本次的數值模擬中，當頂板的厚度為7m，頂板的抗拉強度仍然為[σ]=0.8MPa，空區初始跨度設為10m，其跨度以每次增加1m來變化。模擬計算結果顯示，當空區的跨度為15m時計算結果收斂，但當跨度為16m時計算結果卻不再收斂。而15m跨度的拉應力的值近似于頂板的抗拉強度，因此根據計算模擬結果可以得出結論：空區跨度為15m時是頂板厚度為7m的最大安全跨度。

根據上述模擬分析，當頂板厚度為7m時，13-15m的空區跨度的范圍下頂板處的拉應力值雖然小于極限值，但兩者的差距非常小，所以不能保證其安全性，不能作為空區跨度的安全范圍，綜合分析跨度范圍為10-13m時是其安全跨度。由此可知，在進行開采時不能為了增加產量隨意的加大空區的跨度，超過一定的跨度范圍將會嚴重影響空區頂板的承載能力，導致承載力降低頂板坍塌。所以在開采過程中應根據實際開采環境，對應不同的頂板厚度選取合適的空區安全跨度。

2 總結

本文通過FLAC3D數值模擬軟件建立模型，計算應力狀態和塑性區分布，研究了不同跨度情況下空區穩定性，得出如下結論：在平面頂板情況下，跨度為10m的空區頂板的安全厚度為4-7m，超過范圍頂板下表面的拉應力減小量很小，所以只增大頂板厚度沒有意義。同時不能為了增加產量隨意的加大空區的跨度，超過一定的跨度范圍將會嚴重影響空區頂板的承載能力，導致承載力降低頂板坍塌。

參考文獻：

[1]夏峰，薄景山，鄭濤，等.基于FLAC3D的矩形硐室圍巖松動圈確定[J].防災科技學院學報，2010，12（4）：66-69.

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[3]梅振宙，劉承磊，楊旭然，等.內摩擦角對地下硐室圍巖松動圈的影響[J].中國水運（下半月），2013，13（2）：233-234.

[4]王勇剛.嵌巖樁承載性狀有限元分析[J].長江科學院院報，2010，27（3）：1-5.

[5]張飛，劉德峰，王濱，等.FLAC在采空區穩定性分析中的應用[J].有色金屬（礦山部分），2013，65（05）：28-39.