易理德熊　毅王卓雄（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030；2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶　400030）

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基于FLAC3D數(shù)值模擬的某礦山不同采礦方法對比★

易理德1，2熊毅1，2王卓雄1，2
（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400030）

摘要：以云南某緩傾斜薄至中厚磷礦體露天轉(zhuǎn)地下開采為工程背景，根據(jù)賦存條件、礦體厚度、礦層傾角和地質(zhì)勘探線剖面，確定主要兩種采礦方法為崩落法和充填法，采用有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬方法對采場出現(xiàn)位移的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出了充填法開采沉降位移影響范圍明顯減小，對于緩傾斜薄至中厚礦體，開采方法也是露天轉(zhuǎn)地下，為其選擇及優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬，充填法，位移，崩落法

0　引言

20世紀(jì)80年代初宋振騏院士等［1，2］根據(jù)多次現(xiàn)場實(shí)地監(jiān)測的數(shù)據(jù)，得到了把巖層的運(yùn)動作為中心，預(yù)測預(yù)報(bào)、控制設(shè)計(jì)和控制效果判斷三位一體的實(shí)用礦壓理論體系。這個理論說明了如何確定地采礦山巷道的合理位置的方法以及預(yù)防和控制礦山災(zāi)害事故的理論和技術(shù)。

80年代錢鳴高等院士［3-5］從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出關(guān)鍵層理論。關(guān)鍵層理論將開采礦壓、巖層移動以及地表沉陷等方向的研究統(tǒng)一為有機(jī)整體，并且得到了采動影響下巖體的變化規(guī)律。

近幾十年來，計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來越普遍，發(fā)展自然突飛猛進(jìn)，這樣就推進(jìn)了數(shù)值計(jì)算方法在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，包括采礦工程學(xué)科，極大地促進(jìn)了采礦工程學(xué)科的發(fā)展［6-9］。目前越來越多的工程采用數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測相結(jié)合的手段指導(dǎo)現(xiàn)場工程實(shí)踐。這也說明了數(shù)值模擬分析仍然是有效的研究方法［10-14］。

本論文以云南某緩傾斜薄至中厚磷礦體露天轉(zhuǎn)地下開采為工程背景，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬，對上下盤礦層開挖回采時的變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1　模型建立

1.1模型尺寸與本構(gòu)模型

模型沿底寬度524 m礦坑延伸到地下170 m，沿走向以采場60 m長度的設(shè)計(jì)和布局，考慮邊界效應(yīng)，最小開挖長度的3倍～5倍，70 m預(yù)留礦柱，因此，總長度200 m。幾何模型圖見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，不同圍壓條件下的巖石具有明顯的彈塑性變形特征，包括塑性破壞、破壞和剪切破壞。因此該計(jì)算采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型。

1.2巖層參數(shù)選取和模擬開挖充填過程

1）巖層參數(shù)選取。由室內(nèi)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得出礦體及圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1　巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

圖2為賦屬性后模型效果圖。

2）模擬開挖充填過程。該模型中崩落法開挖分上盤和下盤開挖，先是上盤開挖，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進(jìn)行，這樣依次開挖直至上盤開挖完畢，再進(jìn)行下盤開挖，和上盤開挖方式一樣，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進(jìn)行，這樣依次開挖直至上盤開挖完畢。

圖1　幾何模型圖

圖2　賦屬性后模型效果圖

該模型中充填法開挖充填過程是：分上盤和下盤開挖充填，先是上盤開挖，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進(jìn)行，在開挖下一步前充填上一個被開挖的礦房。這樣依次開挖充填直至上盤開挖充填完畢，再進(jìn)行下盤開挖充填，和上盤開挖方式一樣，沿走向分四步開挖礦房，共60 m，每步沿走向開挖15 m，而每個礦房又沿傾向分五步開挖，共50 m，每步10 m，并且采用上向式方法進(jìn)行，在開挖下一步前充填上一個被開挖的礦房。這樣依次開挖充填直至上盤開挖充填完畢。

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）上盤礦開采影響下位移規(guī)律分析（見圖3～圖6）。

圖3　上盤礦開采時垂直位移分布（崩落法）

圖4　上盤礦開采時水平位移分布（崩落法）

從圖3～圖6可知，隨著上盤礦的開采，崩落法中，上盤頂板向采空區(qū)的垂直沉降達(dá)到0. 5 m，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 2 m，上盤底板向上鼓起達(dá)到0. 4 m左右，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 2 m；而充填法中，上盤頂板向采空區(qū)的垂直沉降達(dá)到0.3 m，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 15 m，上盤底板向上鼓起達(dá)到0. 2 m左右，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 075 m。很明顯，預(yù)留隔離頂柱50 m上盤礦開挖后，相對于崩落法而言，充填法的各種變形量幾乎減小了1/2。

圖5　上盤礦開采時垂直位移分布（充填法）

圖6　上盤礦開采時水平位移分布（充填法）

2）下盤礦開采影響下位移分布規(guī)律分析（見圖7～圖10）。

圖7　下盤礦開采時垂直位移分布（崩落法）

圖8　下盤礦開采時水平位移分布（崩落法）

圖9　下盤礦開采時垂直位移分布（充填法）

圖10　下盤礦開采時水平位移分布（充填法）

從圖7～圖10可知，隨著下盤礦的開采，崩落法中，上盤頂板向采空區(qū)的垂直沉降達(dá)到0. 6 m，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 25 m，下盤底板向上鼓起達(dá)到0. 3 m左右，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 25 m；而充填法中，上盤頂板向采空區(qū)的垂直沉降達(dá)到0. 35 m，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 19 m，下盤底板向上鼓起達(dá)到0. 15 m左右，向采空區(qū)的水平移動變形達(dá)到0. 2 m。很明顯，預(yù)留隔離頂柱50 m下盤礦開挖后，相對于崩落法而言，充填法的各種變形量幾乎減小了1/2。

3　結(jié)語

歸納總結(jié)FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果，可以作出以下幾點(diǎn)小結(jié)：

1）模擬計(jì)算模型整體穩(wěn)定，無大規(guī)模大范圍下沉及破壞現(xiàn)象，豎直方向上頂板卸壓范圍未波及露天坑坑底，說明卸壓影響較小。

2）在上下盤開挖的過程中，崩落法中的隔離層垂直位移最大達(dá)到0. 3 m，而充填法中的隔離層垂直位移最大達(dá)到0. 15 m，僅是崩落法的1/2。

3）通過數(shù)值模擬崩落法和充填法這兩種采礦方法，從應(yīng)力分析來看，上盤礦和下盤礦開采過程中，充填法比崩落法的應(yīng)力要小；從位移分析來看，上盤礦和下盤礦開采過程中，充填法的垂直和水平位移等各種變形量幾乎減小了1/2；所以從本次數(shù)值模擬結(jié)果來看，充填法比崩落法要優(yōu)化很多。

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Comparative study of different mining methods in a mine based on FLAC3D numerical simulation★

Yi Lide1，2Xiong Yi1，2Wang Zhuoxiong1，2
（1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2. College of Resources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

Abstract：To Yunnan a slow inclined thin and medium thick phosphorus ore open-pit to underground mining engineering background，combined with seam occurrence condition，ore body thickness，obliquity and geological prospecting line profile，primary caving method and the method of filling two mining method，using the finite difference software FLAC3D numerical simulation method of displacement behavior were studied，it is concluded that fill mining method mining subsidence displacement effects are reduced obviously. This paper provides a basis for the selection and optimization of open pit underground mining method for similar gently inclined thin to medium thick phosphorus ore body.

Key words：numerical simulation，filling method，displacement，caving method

中圖分類號：TD802

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0069-02

收稿日期：2016-01-20★：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201510611057）

作者簡介：易理德（1990-），男，在讀碩士