FLAC3D在地下礦山采場穩定性分析中的應用

羅黎明

（江西銅業集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

對于地下礦山而言，采場穩定與否是礦山持續高效開采的關鍵，直接關系到整個礦山的安全發展［1-4］，特別是在深部采礦中，每一步開挖都會引起應力的積聚和釋放，容易造成采場的冒頂和片幫。因此，開展地下礦山采場穩定性分析具有十分重要的現實意義。

隨著巖石力學理論以及有限元分析軟件技術的發展，運用數值模擬手段分析采場穩定性已經是一種成熟有效的方法［5-8］，在各類巖體工程力學分析中得到廣泛應用。劉曉明［9］采用Phase2對上向水平分層充填回采的整個過程進行了分步模擬，得到回采過程中采場頂底板應力及位移隨時間的變化規律，并對不同圍巖地質狀況下采場分層回采結果進行了研究；李興國［10］運用數值分析手段對露坑聯合開采的采場進行了穩定性分析，得到采場圍巖的應力分布、位移變化規律及變形特征；王新民［11］運用ANSYS軟件對典型帶狀礦體的回采采場穩定性進行了研究分析，同時在充分結合成本、效率的條件下實現了采場結構參數優化。本文運用FLAC3D軟件對云南某礦自然條件下和錨桿支護條件下采場的穩定性進行了數值模擬對比分析，以驗證錨桿支護作為頂板穩定性控制措施的可行性，同時為回采礦體時采場結構尺寸設計提供依據，以期提高地下礦山生產的安全性。

2 工程概況

云南某礦是大型錫銅多金屬礦床，埋深偏大，品位偏低，主體為緩傾斜至傾斜的薄至中厚礦體，屬于典型的大型貧礦。其賦存于花崗巖內蝕變帶中，蝕變帶走向南北，傾向西，走向長1200m、寬350～690m，賦存標高850～1900m之間。礦種以錫銅礦化為主，局部具鎢礦化。礦體產于花崗巖與大理巖接觸界面以內15～60m的花崗巖內蝕變帶中，礦體主要形態是脈狀，礦脈以近東西向產出，大多傾向北，傾角30～60°之間，礦脈寬度為0.4～1.5m。礦區地層巖性總體較單一，主要以堅硬厚大的碳酸鹽巖及花崗巖為主，巖體穩較固，礦體頂底板巖層抗壓強度高，穩固性較好。礦體受花崗巖表面形態的控制，多產于花崗巖接觸帶產狀陡緩變化部位，呈似層狀、透鏡狀產出，以錫銅礦化為主，礦石類型主要有矽卡巖硫化礦、致密塊狀硫化礦。

3 數值模擬計算

3.1 模型構建

精準的數值計算模型是分析結果可靠的前提。為準確構建地下采場數值分析模型，充分反映現實采場的應力應變特征，掌握其回采過程中的穩定性狀態，根據采礦方案設計中采場的二維斷面圖以及地表等高線，利用3Dmine、MIDAS/GTS等三維可視化軟件構建地表及地下采場的三維實體模型，最后根據MIDAS/GTS和FLAC3D組織網格模型的數據結構特點，轉化得到FLAC3D中三維網格分析計算模型如圖1所示。

圖1 數值計算三維網格模型

3.2 礦巖物理力學參數

為準確獲取研究區域圍巖的巖石力學參數，確保數值分析結果可靠，在室內巖石力學實驗的基礎上，結合現場工程地質調查和巖體質量評價結果，對室內實驗的巖石力學結果進行了折減處理，具體結果如表1所示。

表1 礦巖物理力學參數

4 結果分析

4.1 自然條件下數值模擬方案及結果分析

根據現場工程地質調查和生產實際情況，對采場的極限暴露面積進行了初步的估計，并設計了三種數值模擬方案，模擬方案如表2所示。

表2 自然條件下采場極限暴露面積模擬方案

由于三維有限元數值計算結果給出的信息量非常大，本次模擬主要從最大主應力應力、最小主應力、位移及塑性區分布情況四個方面進行分析，模擬結果統計如表3所示。

表3 自然條件下數值模擬結果

從表3可知，方案一及方案二條件下，不管是采場頂板所受的最大壓應力還是其最大拉應力，均在巖體的強度范圍內，且塑性區較為零星，沒有貫通，表明當采場頂板暴露面積小于400m2時，采場頂板屬于穩定狀態；而方案三，當采場頂板暴露面積增加至500m2時，其頂板所受所受最大壓應力為77.11MPa，最大拉應力達到8.98MPa，均超過了圍巖的強度范圍，并且圍巖塑性區較多呈貫通狀，說明此時采場頂板屬于不穩定狀態故可判定自然條件下采場的極限暴露面積為400m2。

4.2 錨桿支護條件下數值模擬方案及結果分析

為了進行對比分析，根據自然條件下（無任何支護）采場極限暴露面積的模擬結果，對在有錨桿支護的條件下，采場的極限暴露面積進行模擬計算，模擬方案及錨桿參數設置分別如表4和表5所示。

表4 錨桿支護條件下采場極限暴露面積模擬方案

表5 錨桿主要參數

其中：emod——彈性模量，E； pretension——錨桿自由段施加的預緊力，kN；

gr_k——單位長度上水泥漿剛度kg[kN/m2]；gr_per——水泥漿外圈周長，pg[m]；gr_coh——單位長度上水泥漿的粘結力cg[kN/m]； xcarea——橫截面積，A[m2]。

錨桿支護采用垂直頂板布置方式，布設間距為5m*4m，其他參數指標如表5所示。方案五錨桿支護示意圖如圖2所示：

圖2 錨桿支護示意圖

為了與自然條件下采場模擬對比及進行錨桿支護作用下采場穩定性分析，主要統計采場開挖后采場的位移，所受最大主應力及最小主應力等相關模擬結果值及塑性區分布情況，錨桿支護下數值模擬結果如表6所示。

表6 錨桿支護下數值模擬結果

由表6可得，方案四中采場的最大拉應力為4.911MPa，而最大壓應力為50.611MPa，均沒有超過頂板圍巖的抗拉、抗壓強度，且整體位移量較小，塑性區也較少，表明采場頂板暴露面積為500m2時是穩定的；當采場頂板暴露面積增加至600m2時，采場頂板所受的最大壓、拉應力均有所增大，雖然最大壓應力仍小于抗壓強度76.1MPa，但是采場頂板所受的最大拉應力已經基本達到臨界抗壓強度，表明此時采場臨界穩定狀態；當采場頂板暴露面積達到700m2時，頂板巖體的最大壓應力及最大拉應力均超過強度范圍，并且塑性區已經貫通，表明采場處于不穩定狀態。因此，根據以上數值模擬結果，在采用錨桿支護的情況下采場的極限暴露面積為600m2。

同時，對比分析方案三和方案四可得，采用錨桿支護采場后，采場頂板所受最大壓應力由未支護的77.11MPa降至50.61MPa，采場頂板所受最大拉應力由未支護的8.98MPa減小為4.91MPa，頂板的豎向下沉量從未支護的 22.13mm 減小到 14.12mm，且塑性區明顯減少，由未支護的貫通變為不貫通。說明采用錨桿支護作為頂板穩定性控制措施，能夠減小頂板壓力，控制頂板位移變形和巖體冒落。

5 結論

（1）充分利用3Dmine、MIDAS/GTS及FLAC3D軟件的建模優勢，構建了貼近實際的地表及地下采場三維實體模型，為地下礦山采場穩定性研究提供了模型基礎。

（2）運用FLAC3D軟件對無支護及錨桿支護兩種工況下開挖采場的穩定性進行了數值分析研究，得到自然條件下（無支護）采場的極限暴露面積為400m2，錨桿支護條件下采場的極限暴露面積為600m2；錨桿支護能夠有效的降低采場圍巖所受的壓、拉應力，控制圍巖變形，是控制圍巖穩定、保障地下礦山安全生產的有力措施。

（3）錨桿支護只是采場頂板穩定控制的措施之一，地下工程巖體情況復雜多變，不同的工程情況應根據現場實際進行合理的方案選擇。