FLAC3D數值模擬露天轉地下邊坡及采場穩定性研究

李啟航，李小雙，2，3，耿加波，羅 浪

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000)

根據前人運用數值模擬方法在礦山巖體力學中的研究和探索[1-7]，本文擬利用FLAC3D數值模擬分析方法，對緩傾斜薄至中厚磷礦床在單一地下開采及露天轉地下開采兩種不同開挖方式下坡高對采場頂板、圍巖的穩定性及礦壓活動規律的影響。對未來的磷礦山地下開采工作具有一定的技術參考價值。

1 FLAC3D軟件簡介

FLAC3D是在FLAC基礎上研發的能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析的軟件[8]。FLAC3D具有比較完善的后處理功能，對于數據和結果的處理比較容易實現。近年來，國內外諸多科研工作者利用FLAC3D軟件對采礦過程中圍巖及邊坡穩定性、采場結構參數優化、巷道與工作面的時空關系等一系列復雜力學問題展開了大量的研究，并取得了許多重要的研究成果[9]。

2 模型的構建及計算方案

2.1 基本假設

本文的數值模擬主要對應力與變形進行分析研究。

1)巖性的假設

假設巖石有各向同性、均質的特性，應力與應變符合摩爾-庫倫準則。

2)水平構造應力的假設

開挖區域礦體構造簡單，假設水平構造應力不予考慮。

3)礦房結構的簡化

將數值模型中的巷道、天井、斜井、聯絡巷以及溜井等礦房結構簡化為實體。

2.2 模型幾何尺寸

以云南晉寧周邊典型的緩傾斜薄至中厚磷礦床為研究背景，以層狀巖質邊坡與地下采場圍巖及其上覆巖體組成的復合采動系統為研究對象。兩組邊坡模型尺寸分別為：200 m邊坡模型尺寸水平(X)方向長度為600 m，走向(Y)方向長度為300 m，垂直(Z)方向為350 m，整個模型共包含544 833個節點和526 550個單元；300 m邊坡模型尺寸水平(X)方向長度為600 m，走向(Y)方向長度為300 m，垂直(Z)方向為450 m，整個模型共包含623 934個節點和603 550個單元。在模型計算時簡化巖體應力場，不考慮其他構造應力的作用，只考慮自身重力影響，因此只對模型施加-9.8 m/s2的反向應力加速度。兩種方案的單一地下開采及露天轉地下開采三維模型如圖1所示。

圖1 不同邊坡高度下單一地下開采與露天轉地下開采三維模型圖Fig.1 3D model diagram of single underground mining and open-pit conversion to underground mining under different slope heights

2.3 模型計算本構關系

本次數值模擬采用彈塑性本構模型，FLAC3D巖石材料破壞準則采用摩爾-庫倫屈服準則來描述巖體的強度特征。

2.4 模型巖體參數

根據實地調研和相關巖石力學試驗研究結果，數值模擬計算所采用的磷礦巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

2.5 礦山開采方式

根據礦山實際情況，選取境界礦柱厚度24m，由于整個地下開采礦體傾向長度為348 m，垂直開采深度為84.2 m。因此設置3個開采階段，每個開采階段包含7個礦房和6個礦柱，單一開采階段沿礦層傾向長度為106 m，垂向深度為25 m，階段與階段之間設置15 m的階段礦柱。同時選取每步開挖的礦房10 m，礦柱6 m，且礦柱為連續型礦壁。另外，考慮到模型的邊界效應，沿模型開挖方向(模型Y方向)兩側各留50 m邊界影響區域。開采順序為分階段開采，先沿礦層傾向逐一開采每個階段的礦房，待礦房開采完畢后再沿傾向對礦柱進行逐一回采，回采完畢后即進入下一階段礦體的開挖。采場俯視圖如圖2所示。

圖2 采場俯視圖Fig.2 Top view of stope

2.6 數值模擬計算方案

本文展開了兩種模擬方案：方案1)先進行單一的露天開挖，待露天開挖結束后再轉入地下開采；方案2)在同樣地質地貌條件下，直接進行地下開采。利用FLAC3D數值模擬軟件分析計算得到不同開采階段的應力分布情況及數值大小來揭示露天終了邊坡在坡角一定的條件下，不同邊坡高度對地下采場的影響以及邊坡與地下開采耦合作用下覆巖采動響應特征。

3 計算結果及分析

3.1 露天邊坡安全系數

為了確定在地下開采前邊坡是否安全穩定需要對礦山露天終了邊坡的安全系數進行求解[10]。求解結果如表2所示。

表2 邊坡安全系數

邊坡穩定性安全系數是指沿指定滑裂面的抗滑力與滑動力的比值，比值大于1時坡體穩定；等于1時坡體處于極限平衡狀態；小于1時坡體發生破壞。由表2可知，兩種不同坡高的邊坡均整體穩定，但隨著邊坡高度增加，邊坡發生滑移破壞的可能性增大。在不同開采階段下，根據FLAC3D數值模擬最大垂直應力的結果可知：在本文模擬實驗環境中不考慮滑坡風險。

3.2 坡高200 m模型分析

由圖3可知，第一階段礦體開挖完畢后，由于受到階段礦體的開挖卸荷，兩種開采方案的地下采場最大垂直應力均出現在采空區前后兩端，此時采區兩側及露天轉地下開采形成的露天終了邊坡坡腳處形成了局部的應力集中區域。第二階段礦體開挖完畢后，單一地下開采最大垂直應力僅出現在兩個采空區的階段礦柱上。第三階段礦體開挖完畢后，其應力相較第二階段再一次釋放，應力降低區域的范圍再次擴大。在不同開采階段下，根據FLAC3D數值模擬最大垂直應力的結果可知：采空區兩側第一階段到第三階段單一地下開采最大垂直應力由20.9 MPa增加到28.8 MPa再增加到40.0 MPa；露天轉地下開采最大垂直應力由19.4 MPa增加到26.5 MPa再增加到39.3 MPa；采空區頂板第一階段到第三階段單一地下開采最大垂直應力由4.0 MPa增加到4.3 MPa再增加到4.7 MPa；露天轉地下開采最大垂直應力由4.2 MPa減少到3.9 MPa再增加到4.6 MPa；通過最大垂直應力數值變化特點，三個不同開采階段下單一地下開采最大垂直應力比露天轉地下開采都要大。從第一階段到第三階段開挖，隨著礦體開挖埋深的增加，采空區頂板巖體向下沉降，導致間柱頂部剪切塑性區范圍擴大，但未到達邊坡臨空面，此時地下采場及整個巖體相對穩定。

圖3 單一地下開采(圖左)與露天轉地下開采(圖右)各階段開挖后垂直應力分布特征Fig.3 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

3.3 坡高300 m模型分析

由圖4可知，第一階段礦體開挖完后，單一地下開采最大垂直應力分布在采空區前后兩端，由于接近露天邊坡的臨空面，露天轉地下開采的最大垂直應力只出現在采空場的前端，第二階段礦體開挖完畢后，單一地下開采最大垂直應力僅出現在兩個采空區的階段礦柱右下側，露天轉地下開采最大垂直應力出現在二階段采場前后兩端。第三階段礦體開挖完畢后，單一地下開采最大垂直應力出現在兩個間柱右下側部位，露天轉地下開采最大垂直應力僅出現在第二個階段礦柱的右下側。在不同開采階段下，根據FLAC3D數值模擬最大垂直應力的結果可知：采空區兩側第一階段到第三階段單一地下開采最大垂直應力由24.8 MPa增加到35.7 MPa再增加到44.5 MPa；露天轉地下開采最大垂直應力由20.3 MPa增加到26.5 MPa再增加到31.8 MPa；采空區頂板第一階段到第三階段單一地下開采最大垂直應力由3.9 MPa增加到4.0 MPa再增加到4.7 MPa；露天轉地下開采最大垂直應力由4.1 MPa減少到3.8 MPa再增加到4.8 MPa。

圖4 單一地下開采(圖左)與露天轉地下開采(圖右)各階段開挖后垂直應力分布特征Fig.4 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

隨著工作面的開挖推進，兩種開采方案下的最大垂直應力也跟著動態前移，當露天開采完成后，露天邊坡坡腳附近出現應力集中區域，單一地下開采在三個不同開采階段最大垂直應力都比露天轉地下開采大。從第一階段到第三階段采場塑性區已經發育充分，貫通至邊坡臨空面，整個地下采場及邊坡體已處于失穩狀態，極易造成整個采場及邊坡失穩垮塌。

4 結論

當地下礦體開挖不斷推進時，采場頂板最大垂直應力點也沿著礦層傾向而動態前移。單一地下開采的頂板垂直應力相較于露天轉地下開采更大。露天轉地下開采的終了邊坡越高，邊坡對采場覆層的影響效應越明顯。露天轉地下開采，坡高為200 m時，巖體比較穩定，坡高為300 m時，第三階段采空區覆巖體已處于失穩狀態極易發生邊坡垮塌現象。因此在相似環境下的磷礦山開采工作中，建議控制露天邊坡高度在200 m以內。