韋文蓬，梁東強，馮思成，李鴻飛

(1.中信大錳礦業(yè)有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；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)

廣西大新錳礦存在采空區(qū)體積龐大，存在時間較長的問題，采空區(qū)穩(wěn)定性問題成為礦山亟待解決的難題[1-3]，常規(guī)的采空區(qū)模糊定性分析不能準確反映采空區(qū)穩(wěn)定性，本文采用3DMine[4-5]、Surfer、Rhino、ANSYS和Flac3d[6-7]等工具，結合礦山采空區(qū)實際情況，對礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了詳細的數值模擬分析。礦區(qū)采空區(qū)平面分布見圖1。

圖1 大新錳礦采空區(qū)分布平面示意

1 數值建模

以3DMine為基礎，Surfer軟件和Rhino造型軟件為依托，將所構建的地表、礦體、空區(qū)和礦柱經過這些若干軟件不同功能的耦合以及各種不同格式的轉換，最終組合出ANSYS-workbench中可識別的犀牛模型，利用ANSYS進行礦區(qū)模型構建和網格劃分，經轉換后導入Flac3d之中，完成建模。數值建模流程見圖2。

圖2 大新錳礦采空區(qū)穩(wěn)定性數值模擬建模分析流程

1.1 3Dmine建模

采用3DMine軟件的表面建模功能構建地表面模型，并生成面模型層面點集，見圖3。

圖3 地表模型和層面點集

1.2 Surfer點數據處理及Rhino建模

將在Excel預處理后的點數據導入Surfer，生成等高線文件，經surfer多次處理后，導出txt格式文件，將txt文件導入Rhino中，生成礦體表面、空區(qū)表面等面模型，生成組合面模型。將組合模型導出iges文件。Surfer點處理和Rhino建模結果見圖4。

圖4 surfer數據處理和Rhino建模

1.3 ANSYS建模與網格劃分

將Rhino導出的iges格式文件里的組合模型導入ANSYS軟件中，利用‘Generate’、‘Extrude’、‘Slice’、‘Boolean’等功能生成包含礦柱、礦體以及空區(qū)的實體模型，再采用Mesh模塊進行模型網格最優(yōu)化劃分，ANSYS建模和網格劃分結果見圖5。

圖5 實體建模與網格劃分

將網格劃分后的模型導出dat格式單元和節(jié)點文件，經數據轉換工具生成Flac3d文件，在Flac3d中打開此文件，即可進行數值模擬計算。

2 Flac3d有限差分法數值模擬

2.1 破壞判據

2.1.1 圍巖強度理論

巖體破壞主要分為拉伸破裂和剪切破壞兩種類型。在低圍壓下呈拉伸破裂，圍壓增高后，出現剪切破裂。由于單用一種強度理論，不可能解釋所有情況下巖石的破壞問題，針對巖體在不同應力條件下發(fā)生的破壞現象和破壞形式，采用的判據有抗拉破壞準則、Mohr-Coulomb準則和抗拉強度準則進行評判。

材料的抗剪強度用Mohr-Coulomb準則[8]來表示：

τ=σ·tanφ+C

(1)

式(1)中，τ為材料的抗剪強度；σ為斜截面上的正應力；φ為材料的內摩擦角；C為材料的凝聚力。

材料在拉應力狀態(tài)下時，采用拉破壞強度準則。最大拉應力準則常用于脆性材料的受拉破壞，設σ1，材料抗拉強度為f1，則準則為：

f=σ1-f1=0

(2)

如果拉應力超過材料的抗拉強度(f≥0)，材料將發(fā)生拉破壞。

2.1.2 容許極限位移量判據

甯瑜琳[9]給出了巖體位移量與其對地下采場大跨度開挖不進行支護或臨時支護條件下巖體穩(wěn)定性關系，見表1。

表1 巖體位移量與巖體穩(wěn)定性關系

2.1.3 塑性區(qū)貫通法

陳欣等[10]給出了塑性區(qū)貫法失穩(wěn)的判據表達形式：

φ(Ai)<0

(3)

式(3)中，φ為屈服面；Ai為由局部區(qū)φj組成的機構。

屈服區(qū)域是由幾個局部屈服區(qū)φj連通而形成的，可以表示為：Aj=φj∪φm∪…φn，即只要某幾個局部屈服區(qū)φj能構成一個破壞區(qū)域使工程失去整體穩(wěn)定性，則這幾個局部屈服區(qū)即可構成一個Ai，當屈服區(qū)連通形成任意一個Ai時，結構整體失穩(wěn)。

2.2 礦巖物理力學參數確定

通過現場取樣，進行了室內巖石力學試驗，獲取了礦區(qū)頂板、底板、礦體和夾層的密度、抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、體積模量、剪切模量、粘聚力、內摩擦角等參數，采用多種方法對巖石力學參數進行折減。數值模擬模型物理力學參數見表2。

表2 折減后礦巖體物理力學參數匯總

2.3 初始條件

本研究計算模型上表面為地表，邊界條件的采用自由邊界，底面采用固定約束，x和y方向邊界施加鉸支約束，即模型在計算過程中不產生邊界法線方向的位移，而可允許其它方向的位移[11]。在模擬計算的過程中將自重應力場設置為初始應力場。

2.4 結果分析

2.4.1 中部采區(qū)頂板及礦柱數值模擬結果分析

中部采區(qū)14線應力分析結果和位移分析結果見圖6～7，塑性區(qū)分布狀況見圖8。

圖6 中部采區(qū)主應力云圖

圖7 中部采空區(qū)位移云圖

圖8 中部采空區(qū)塑性區(qū)分布

中部采區(qū)數值模擬結果顯示：礦塊回采后，上部覆巖拉應力最大1.1 MPa，下沉量最大為13.6 mm；礦柱出現壓應力最大值10.2 MPa，空區(qū)底鼓變形最大值為15.4 mm。空區(qū)上下盤圍巖水平位移最大值為12.1 mm?；夭山Y束后，采場頂板和礦柱區(qū)域因受較大的剪應力進入塑性狀態(tài)，且下部中段個別礦柱內塑性區(qū)已貫通，礦柱將屈服破壞。

2.4.2 西北采區(qū)頂板及礦柱數值模擬結果分析

西北采區(qū)應力分析結果和位移分析結果見圖9～10，塑性區(qū)分布狀況見圖11。

圖11 西北采區(qū)塑性區(qū)分布

圖9 西北采區(qū)主應力云圖

西北采區(qū)數值分析結果顯示：西北采區(qū)礦塊回采結束后，采空區(qū)頂底板拉應力集中，最大值為1.01 MPa，礦柱內出現了不同程度的應力集中分布區(qū)，最大壓應力為19.11 MPa。最大下沉量出現在上盤區(qū)域，且下沉量為8.6 mm。地表下沉量最大值為7.8 mm。當礦床回采結束后，采場出現了塑性區(qū)，下部的點柱塑性區(qū)已貫通，點柱將屈服破壞。

圖10 西北采空區(qū)位移云圖

3 結 論

1)基于3Dmine-Rhino-Ansys-Flac3d分析方法可以對采空區(qū)穩(wěn)定性進行較為合理的半定量分析，從而為礦區(qū)治理采空區(qū)的實踐提供理論依據。

2)穩(wěn)定性分析表明：中部采空區(qū)和西北采空區(qū)頂板及上部覆巖呈現拉應力，礦柱內呈現壓應力集中現象，采空區(qū)間柱塑性區(qū)貫通，可能會造成失穩(wěn)，建議礦區(qū)應減少采空區(qū)暴露時間，盡快對采空區(qū)進行充填或加固。