打开文本图片集

摘要：三维数值模拟分析在现代矿山开采设计中有着举足轻重的作用，对提高矿山开采安全性有着重要意义。为了研究现有采空区对回采方案的的安全可靠性影响，本文利用3Dmine软件和FLAC3D软件对某地下矿的采空区进行了三维建模，并对阶段高28m，顶柱10m，间柱宽7m的回采方案进行了数值模拟分析，确定了该回采方案是经济、合理的。

关键词  Flac3d软件  地下开采  采空区  数值模拟分析

1、引言

地下采矿形成采空区后，采空区周围矿岩体便处于悬空状态，由于开采破坏了岩体的原始应力状态从而引起地应力的重新分布，在一定空区条件下，原岩应力变化后的应力集中超过影响区域内岩体的自承成立时，就会导致采空区、采场、巷道等发生大量岩石冒落，导致上覆岩体失去原有的平衡，引起上覆岩体的移动、变形甚至破坏。

为了保证回采工作的安全，就必须确定合理的回采结构参数，特别是在受到历史遗留采空区影响前提下，综合分析采场稳定性是非常必要的。

2、采场模型前处理

2.1 三维建模

本次研究结合矿山的工程地质条件、矿体赋存条件及所用采矿方法的特点，构建三维模型，主要考虑因素和建模措施包括：1、利用矿山现有采空区构建三维模型，采空区上部留设30m厚保安矿柱。2、结合矿山多年开采及邻近矿山经验，确定采场结构参数，本次研究选择一个中段，取阶段高28m，顶柱10m，间柱宽7m的回采方案。3、利用3Dmine等比例按现状构建三维模型，影响区域范围按5倍的空区规模。

经过上述考虑后，建立的模型总体尺寸均为长1000m，宽800m，Z轴自山体地表+680m至地下-80m，岩体按5m×5m、矿体2.5m×2.5m的单元格进行划分，模型大约有12万个单元体。模型建成后，按分组导入FLAC3D中进行属性赋值、开挖、计算等，并进行后处理分析。

2.2 岩石力学参数选取

本次研究选用现场岩石力学实验所确定的力学参数，并按照试验结果进行了模拟折减，模型中岩体力学参数见下表。

2.3 原岩应力场及模型边界确定

原岩应力的准确性直接关系到计算结果的可靠性，因为地下工程开挖所引起的岩体应力变化和产生的岩体位移都是在一定的初始应力状态下发生的。本次研究按常规方式进行测算。假设岩体为连续、均质的各向同性体，可以得到自重应力场如下：

式中：、、—X、Y、Z方向的自重应力;

—上覆岩层的容重;

—岩体距离地表的距离;

—泊松比

根据地应力的分类以及分布规律结合该矿区的地质情况和工程地质调查，参照以往的数值研究工作，开采范围出露地表，矿山基础报告没有交代矿区范围内的大型构造等情况，理论上没有较大的构造应力，而且空区埋藏较浅，故本次模型的初始应力场仅考虑自重应力。其余部分按周边岩体接触的相应面前后及左右方向均施加水平方向约束，在模型底部施加垂直方向的约束，模型顶面为自由面。

2.4 数值模拟分析步骤

相应的数值计算步骤均按下述情况进行：

1、计算模型初始应力场，按前述建模方法与步骤建立各方案模型，按照主应力与垂直深度的变化关系形成初始应力场，使模型达到初始应力平衡状态。

2、现状采空区开挖模拟，在初始应力平衡状态下，开始开挖模型中已按采空区现状建立的空区组群;利用软件计算分析依原空区形成顺序依次开挖后形成的新的应力平衡状态情况，为后续二次应力平衡分析提供依据。

3、采场开采模拟，按照设定的中段内开采顺序，分步开挖相应的矿房，每开挖一次进行新的应力变化达到平衡的状态计算，直至所有矿房均开采完毕。

4、模拟稳定性，充分分析计算结果，对影响区域的顶板、间柱进行稳定性分析。

3、数值计算结果分析

3.1 应力分布规律

总体上，采空区围岩压应力集中在8～30Mpa之间，主应力方向基本处于受压状态;顶板受拉区域范围约40%，拉应力在0.5～4.8Mpa之间。围岩内的压应力和拉应力数值均在矿、岩体的稳定承受范围内。矿山现有状态下采空区处于稳定状态。总体而言，保安顶柱下的点柱各项应力值大，在上部开采过程中，其基本处于应力拉压的交织富集区。

3.2 位移比较分析

总体上，整个模型的最大Z方向沉降在2.7cm之内、X、Y方向的错动位移在1.8cm以内，相对于保安矿柱、间柱、点柱等的总厚度而言可视为岩体处于弹性变形阶段。保安矿柱上部开采及已有的采空区叠加加重了保安矿柱及其下部直接点柱的应力集中程度，致使该区域压应力峰值相对集中、出现最大沉降范围。

综合位移值表中数据分析，方案的位移错动、沉降范围可控，位移震级量级小，发展趋势不明显，基本可以在在开采结束后，无地震等较大外因作用下，可长期保持缓慢的变化趋势，可以基本认定整个采空区群趋于稳定。

3.3 塑性区分布规律

由塑性区的区域分布来看，模型塑性变形发展趋势小，不会形成贯穿性破坏区。塑性区主要集中分布于保安矿柱及其下部点柱上面，这与上面的应力分析及位移分析结果一致，表明采场的可能失稳部位主要是保安矿柱及其下部点柱。

从不同视角观察模型的塑性区域可知，拉伸、剪切破坏叠加破坏区的体积占保安矿柱及其下部点柱总体积不超过0.5%。总体而言，基本可以认为，塑性区分布情况良好，采空区整体稳定性可控。

4、结论

结合上述应力、位移、塑性区分析，本次研究计划回采的区域范围所选用的采场结构参数可靠，在生产过程中采场内根据现场地质情况，在相对条件较差区域留设不规则点柱，对整体稳定性的提升具有帮助。现有采空区的稳定性良好，开采影响的区域留设30m保安矿柱，具有安全可靠性，总体而言，通过数值模拟分析，推荐的采矿方案具有可行性，开采结束后与现有采空区一并形成的新的采空区群稳定性较好。

参考文献

[1] 孙国权，李娟，胡杏保，基于FLAC3D程序的采空区稳定性分析[J].金属矿山，2007，29-32.

[2] 高远，徐坤明，徐涛，等，利用3DMine建模、FLAC3D数值模拟对山东金岭铁矿铁山矿地下空区稳定性分析[J]，2013第二届3DMine用户大会3DMine应用论文集，2013，8-58.

[3] 张云亮，三维可视化技术在矿山开采设计中的应用[J]，采矿工程，2020，63-65.