基于Flac3D的露天轉地下開采崩落巖石移動角的確定

摘要：某露天轉地下開采礦山設計采用無底柱分段崩落采礦法開采。為保證礦山的安全生產，減少對地表周圍地理和環境產生的影響，采用Flac3D礦業軟件，建立礦石回采模型，施加邊界條件，分析回采空區彈塑性變化及巖石移動情況，圈定巖石移動范圍，確定巖石移動角為65°。模擬結果可為礦山的深部開采與安全生產提供理論支撐。

關鍵詞：巖石移動角;Flac3D礦業軟件;無底柱分段崩落采礦法;露天轉地下;數值模擬

中圖分類號：TD853.36文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）11-0053-04doi：10.11792/hj20211110

礦山地下開采作業會打破巖石的原始平衡狀態，引起周圍巖石的變形、破壞和崩落，并最終導致地表發生移動和陷落。某礦山露天開采已接近尾聲，擬轉入地下開采。地下開采主要采用無底柱分段崩落采礦法。崩落采礦法允許地表塌陷，但是地表巖石移動圈不能影響各類建（構）筑物的安全與正常使用[1]。為保證礦山的安全生產，減少礦山對周圍地理和環境產生的影響，需分析回采空區彈塑性變化及圍巖移動情況，科學合理地確定巖石移動角，用以圈定巖石移動范圍。

1工程概況

該礦山位于內蒙古自治區烏拉特后旗，地處內蒙古高原陰山山脈狼山北坡，海拔高度1 900 ～2 100 m。礦區范圍內東南高，西北低，地貌為低山丘陵區。礦區地處中溫帶，屬高原大陸性氣候，礦區及近圍屬干旱地區，附近無河流及其他地表水體。年平均溫度為6.7 ℃，封凍期為10月到次年5月，無霜期120 d，最深凍土為2.3 m。年降雨量平均為190 mm，年日照3 180 h，對照烈度為7度，四季多風，平均風速為5.4 m/s，風力一般為4～5級。地震動峰值加速度（g）為0.10。

該礦山露天開采將于2025年結束，最低開采水平為1 708 m。露天轉地下開采后，開采的礦體主要分布在11勘探線—31勘探線1 200 m標高以上。礦區工程地質條件簡單，水文地質條件簡單，環境地質條件簡單。地下開采擬采用主井+副井+斜坡道開拓方案，生產規模為300萬t/a，設置中央進風井及東、西2個回風井，主要采礦方法為無底柱分段崩落采礦法，階段高度為120 m，分段高度為15 m，礦石回采率為85 %。

2礦巖物理力學性質

礦體頂底板圍巖是以千枚巖、二云母石英片巖、碳質板巖為主的塊狀巖類，地層巖性較單一，巖體構造以塊狀構造為主，巖石強度高，局部破碎帶強度低，巖體局部穩定性較差，深部采礦局部可能有坍塌、冒頂、片幫等不良工程地質現象發生，部分地段需支護。

礦區構造的一個顯著特點是后期構造繼承和疊加改造早期構造。同時礦床北側存在逆沖斷層（Ⅱ—F3），實測長近1 900 m，寬5～10 m;走向近東西，傾向南，傾角65°～70°。由于斷層產出在含礦層中，又為大角度逆沖斷層，并使斷層兩側的巖層產生強烈的拖曳褶曲，深部原巖可能殘存一定應力。

根據該礦體賦存情況及現有數據，確定礦巖物理力學指標，結果見表1。

3模型建立與數值模擬分析

Flac3D是由美國ITASCA公司開發的仿真計算軟件，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。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動（大變形模式）。Flac3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。因此，本文采用Flac3D礦業軟件建立礦石回采模型，分析回采空區彈塑性變化及巖石移動情況，以期為礦山深部開采與安全生產提供理論支撐。3.1三維模型建立

使用19勘探線地質剖面圖（見圖1）作為依據，建立Flac3D網格模型。本次計算模型的長度設置為1 000 m，高度參照實際地表地形建立，減少應力邊界和位移邊界效應帶來的影響。

模擬時，將礦區內力學性質相近的巖石歸并為一個巖層。計算模型邊界條件為：模型兩端x方向的位移固定，即邊界水平位移為零;模型底部y方向的位移固定，即底部邊界水平、垂直位移為零;模型頂部（即地表）為自由邊界。

3.2力學模型及參數確定

巖石是一種脆性材料，當荷載達到屈服強度后將發生破壞、弱化，屬于彈塑性體[2]。本次模擬中，選擇莫爾-庫侖準則作為彈塑性材料的屈服判據準則。

針對采空區及周圍巖體情況，在模型制作時進行了適當的簡化處理;其力學參數依據巖塊力學性質測試結果，并考慮巖體的結構效應、地下水等因素，對巖塊力學按照巖體質量分類法進行適當的修正。

為符合開采實際，模擬計算從形成初始應力場開始。模擬過程中，通過模擬開挖將開挖空間的實單元變成空單元。未開挖的模型見圖2。

3.3模擬計算

利用建立的模型進行模擬計算，通過逐步擴大采空區面積計算采空區圍巖移動和變形引起的地表破壞變形的范圍，由于沿勘探線方向礦石回采的長度為50～350 m，大多在150 m左右，故本次模擬開挖地下采空區長度為150 m，高度為勘探線位置礦體垂直高度。x方向和y方向的應力等值線和位移等值線見圖3～6。

另外，分別設置地下模擬開挖采空區長度為50 m、250 m、350 m的模型進行模擬計算，將所得的y方向位移等值線圖與150 m開挖范圍的等值線圖進行對比分析，結果見圖7～9。

3.4模擬結果及分析

x方向的應力分布見圖3。由圖3可知，x方向的應力集中主要出現在采空區頂板位置，表現為拉應力。由圖4可知：y方向的應力分布表現為向下的壓應力，最大值為35 MPa，分布在采空區的兩端。

由于巖體的抗拉強度遠小于抗壓強度，故可以初步推斷，回采形成采空區后，頂板拉應力集中，首先出現破壞，繼而向下冒落，冒落的高度也隨采空區的增大逐漸增大。采空區兩幫長期存在壓應力集中，兩幫圍巖穩定性也會隨之降低，出現巖石片落的情況。由于下部巖體的冒落，上部巖體失去底部支撐，巖體內部裂隙逐漸發育擴大，巖塊間相互作用力減小，在重力及地應力的作用下發生錯動，并擴展到地表，形成地表移動帶。

目前，國內對建（構）筑物破壞等級標準采用水平變形和傾斜變形來評判，而采取數值模擬計算的地表位移值應進行轉換[3]。回采后x或y方向的位移等值線圖見圖5～9，由x、y位移等值線圖可以很直觀地看出地表發生移動變形的范圍。參照規程，一般磚石結構地表傾斜的臨界值為3 mm/m，其計算見式（1）、圖10。

iAB=sB-sAlAB=ΔsABlAB（1）

式中：iAB為坡度;sB為B點位移（m）;sA為A點位移（m）;ΔsAB為A、B兩點的位移（m）;lAB為A、B兩點的距離（m）。

取sA=0作為地表移動帶的邊界點來進行地表移動帶的圈定，圈出來的地表移動帶滿足測量規程的要求。通過對Flac3D礦業軟件模擬計算出的y方向的位移圖進行測量，測量結果為不同開采面積下地表發生移動的移動角范圍：①開挖長度為50 m時，地表發生移動的移動角為70°;②開挖長度為150 m時，地表發生移動的移動角為68°;③開挖長度為250 m時，地表發生移動的移動角為66°;④開挖長度為350 m時，地表發生移動的移動角為65°。由于選取sA=0，實際巖石移動角至少要大于65°。因此，模擬結果表明，采用65°的巖石移動角圈定地表移動帶的范圍是可行的。

4結語

該礦山礦體及圍巖穩定性較好，工程地質條件簡單，設計采用無底柱分段崩落采礦法，不可避免地會引起上覆巖層及地表產生連續的移動和變形，從而影響周圍的地理環境。采用Flac3D礦業軟件建立礦山回采模型，通過施加邊界條件，對礦山回采空區進行數值模擬，在不同回采空區長度下模擬得出地表發生位移的移動角范圍，科學合理地確定了該礦山地下開采的巖石移動角為65°，為礦山的深部開采與安全生產提供理論支撐。

[參 考 文 獻]

[1]宋釗剛，胡靜云.崩落法開采地表塌陷坑沉降變形監測研究[J].采礦技術，2021（1）：84-88.

[2]黃志安，張英華，李世波，等.采空區上覆巖層“三帶”的界定準側和仿真確定[J].北京科技大學學報，2006，28（7）：609-611.

[3]劉飛，熊賢亮.某螢石礦開采巖層移動角數值模擬研究[J].現代礦業，2018，34（4）：171-177.

Determination of caved rock displacement angle

in the transition from openpit to underground mining based on Flac3D Xu Hongkai

（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：A mine in the transition from openpit to underground mining is designed to use pillarless sublevel? caving mining method.In order to ensure the safe production of mine and reduce the impact on the geography and environment around the surface，an ore extraction model was established with Flac3D mining software，and boundary conditions were introduced.The elasticplastic changes in the minedout area and the rock displacement were analyzed.The movement range of the rock was delineated，and the rock displacement angle was determined to be 65°.The simulation results can provide technical support for deep mining and safe production for mines.

Keywords：rock displacement angle;Flac3D mining software;pillarless sublevel caving mining method;transition from openpit to underground mining;numerical simulation

收稿日期：2021-05-20; 修回日期：2021-09-08

作者簡介：許宏凱（1989—），男，山東濟南人，工程師，從事金屬礦山采礦工程設計工作;濟南市高新開發區舜華路1969號，山東省冶金設計院股份有限公司，250101;Email：sdmxhk@163.com