吳昊燕,張愛(ài)民,王志遠(yuǎn)(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)值模擬憑借高效、安全、低成本的優(yōu)勢(shì)在礦山開采設(shè)計(jì)、工程研究中的地位愈加突出。目前廣泛應(yīng)用的采礦巖石力學(xué)的數(shù)值分析方法主要包括有限元法、邊界元法、有限差分法、離散元法等?；谟邢薏罘址‵LAC3D的礦山開采數(shù)值模擬[1-9]為解決地表沉降、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、采場(chǎng)穩(wěn)定性分析、礦柱設(shè)置等工程和科學(xué)問(wèn)題提供了重要的研究手段。這些研究一般針對(duì)某個(gè)問(wèn)題建立局部區(qū)域模型,或簡(jiǎn)化礦體模型、回采順序進(jìn)行模擬,與實(shí)際工程存在一定的出入。本文通過(guò)建立深井大規(guī)模進(jìn)路充填開采礦山大模型,對(duì)比了三種不同開采模擬方式的擾動(dòng)效應(yīng)。

2 FLAC3D數(shù)值計(jì)算

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua,連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是由Itasca國(guó)際集團(tuán)公司開發(fā)出的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序。軟件可以計(jì)算巖土體在各種外荷載作用下產(chǎn)生的變形、應(yīng)力、穩(wěn)定性,尤其擅長(zhǎng)計(jì)算巖土體破壞后的大變形和峰后特性等問(wèn)題。

利用FLAC3D進(jìn)行礦山開采巖石力學(xué)數(shù)值分析的主要步驟包括前處理、過(guò)程計(jì)算和后處理:

(1)建立三維巖體模型。根據(jù)地質(zhì)模型及設(shè)計(jì)開采范圍構(gòu)建礦體、圍巖、斷層等巖體模型。

(2)網(wǎng)格劃分。結(jié)合采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序?qū)﹃P(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

(3)材料賦予。對(duì)不同分組的礦巖體進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)賦予。

(4)條件輸入。包括初始地應(yīng)力條件參數(shù)、邊界條件設(shè)置、本構(gòu)模型選擇等。

(5)模型計(jì)算。主要包括開挖和充填的設(shè)置。

(6)結(jié)果輸出。

眾所周知,前處理過(guò)程中材料參數(shù)、邊界條件、力學(xué)條件、網(wǎng)格模型等輸入條件決定著數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度。受到計(jì)算速度和存儲(chǔ)能力的限制,不得不對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和網(wǎng)格粗化處理,導(dǎo)致的直接后果是計(jì)算精度的犧牲。

然而在計(jì)算過(guò)程中,礦山開采模擬與實(shí)際礦山生產(chǎn)開采匹配度同樣對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生較大影響。本文針對(duì)模型計(jì)算這一環(huán)節(jié)中的開采仿真度進(jìn)行研究,在保證同等前處理?xiàng)l件下設(shè)置中段開采、盤區(qū)開采和進(jìn)路開采三種不同維度的開采模擬方式。

3 多維度開采模擬研究

3.1 工程背景

金川鎳礦是世界著名的多金屬共生的大型硫化銅鎳礦床之一,發(fā)現(xiàn)于1958年,集中分布在龍首山下長(zhǎng)6.5 km、寬500 m的范圍內(nèi)。金川二礦區(qū)是承擔(dān)著金川礦區(qū)主力生產(chǎn)任務(wù)的礦區(qū),通過(guò)機(jī)械化生產(chǎn)使得年產(chǎn)量達(dá)400萬(wàn)t以上。在金川礦體中的1#礦體是二礦區(qū)主要進(jìn)行開采的礦體,金川二礦區(qū)是較早利用下向充填采礦法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采的礦山,并通過(guò)各種支護(hù)手段進(jìn)行礦山安全的維護(hù)管理。

金川二礦區(qū)按50 m分成一個(gè)回風(fēng)中段,2015年已掘中段為1 350 m、1 300 m、1 250 m、1 200 m、1 150 m、1 000 m、850 m。中段之間的分段高度為20 m,分為5個(gè)分層,每層高4 m。盤區(qū)方向垂直于礦體,寬100 m,盤區(qū)間全部開采。盤區(qū)上、下分層寬4 m、高4 m,分層進(jìn)路寬5 m、高4 m,進(jìn)路長(zhǎng)不超過(guò)50 m。盤區(qū)開采順序?yàn)橄壬媳P后下盤,先兩翼后中間,后退式開采。開采礦體范圍位于6行至25行之間,采用機(jī)械化下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法。根據(jù)礦體走向和形態(tài)變化,靈活劃分工區(qū)和盤區(qū),全區(qū)目前共有6個(gè)工區(qū),其中一、二、三工區(qū)位于1 000 m中段,且各工區(qū)均包含有3個(gè)盤區(qū);四、五工區(qū)位于850 m中段,且四工區(qū)包含4個(gè)盤區(qū);五工區(qū)包含3個(gè)盤區(qū);六工區(qū)位于1 150 m中段,其主要包含Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ這3個(gè)盤區(qū)。二礦區(qū)整體開采縱投影如圖1所示。

圖1 金川二礦區(qū)盤區(qū)分布圖

3.2 模型概況

將金川二礦區(qū)1#礦體6～24行采區(qū)的地質(zhì)模型導(dǎo)入FLAC3D,并劃分圍巖、超基性巖、貧礦、富礦分組。模型地表簡(jiǎn)化為平面考慮,模型尺寸為垂直礦體走向方向x軸 2 880 m,沿礦體走向y軸4 160 m,垂直方向z軸1 728 m,其中礦體最小單元尺寸細(xì)化至4 m,單元逐漸向外放大,圍巖單元尺寸32 m,共生成約334余萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。導(dǎo)入開拓系統(tǒng)模型標(biāo)定地下主要工程與采區(qū)位置關(guān)系,模型情況如圖2所示。

圖2 金川二礦區(qū)數(shù)值模型

綜合現(xiàn)有研究報(bào)告,富礦、貧礦、圍巖、充填體的巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 模型礦巖體物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)金川礦區(qū)最近研究成果,二礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力,最大主應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|向,與礦體走向垂直。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,在模型內(nèi)部施加階梯地應(yīng)力條件。本構(gòu)模型選擇摩爾庫(kù)倫模型。

3.3 中段回采模擬

按50 m分一個(gè)中段,各中段開采完成后進(jìn)行充填,主要分單中段、雙中段、三中段三種采充形式,共分6個(gè)采充階段。中段回采模擬示意如圖3所示,回采順序見表2。

圖3 中段回采示意圖

表2 中段回采模擬順序表

3.4 盤區(qū)回采模擬

沿礦體走向按100 m劃分一個(gè)盤區(qū),盤區(qū)開采模擬示意圖如圖4所示。盤區(qū)回采順序參照中段回采表2,自上而下,盤區(qū)隔一采一。

圖4 盤區(qū)回采模擬示意圖

3.5 進(jìn)路回采模擬

沿礦體走向每5 m劃分一條進(jìn)路,進(jìn)路回采模擬示意如圖5所示,回采順序參照中段回采表2,自上而下每4 m一采,進(jìn)路隔一采一。

圖5 進(jìn)路開采模擬示意圖

4 結(jié)果分析

為便于展示開采充填過(guò)程對(duì)圍巖及重要水平、中段的影響,現(xiàn)取14行剖面及1 000 m水平剖面做結(jié)果分析。

4.1 最大主應(yīng)力

當(dāng)開采至812 m水平,此時(shí)1 000 m水平礦柱回收完畢,850 m水平礦柱高56 m。圖6至圖8所示分別為14行剖面中段、盤區(qū)和進(jìn)路三個(gè)不同層級(jí)回采模擬的最大主應(yīng)力分布。中段回采模擬時(shí),850 m水平礦柱表現(xiàn)為卸壓狀態(tài),應(yīng)力集中于812 m以下,呈月牙形分布,最高達(dá)94.1 MPa;盤區(qū)回采模擬時(shí),850 m水平礦柱卸壓狀態(tài)不顯著,應(yīng)力水平與周邊圍巖相近,應(yīng)力同樣集中于812 m以下,呈月牙形分布,但應(yīng)力集中程度小于中段回采模擬,最高達(dá)93.8 MPa;進(jìn)路回采模擬時(shí),850 m水平礦柱表現(xiàn)為應(yīng)力集中,另有812 m水平近上盤礦巖交界處局部小范圍應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力高達(dá)94.1 MPa。

圖6 中段開采模擬最大主應(yīng)力

圖8 進(jìn)路開采模擬最大主應(yīng)力

綜合對(duì)比三種仿真層級(jí)的開采模擬,發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力數(shù)值相差無(wú)幾,但是應(yīng)力集中程度和分布區(qū)域相差較大。對(duì)于上下盤圍巖應(yīng)力的影響也不同,中段和盤區(qū)開采模擬時(shí),上盤圍巖卸壓范圍較大,進(jìn)路開采模擬時(shí),上盤圍巖卸壓范圍較小。

4.2 塑性區(qū)

當(dāng)開采至812 m水平,此時(shí)1 000 m水平礦柱回收完畢,850 m水平礦柱高56 m。圖9至圖11所示分別為中段、盤區(qū)和進(jìn)路三個(gè)不同層級(jí)回采模擬的塑性區(qū)分布。中段回采模擬時(shí),富礦體的開采對(duì)周邊貧礦和圍巖影響較大,塑性區(qū)范圍最大;盤區(qū)回采模擬時(shí),富礦體的開采對(duì)周邊貧困和圍巖影響略小,塑性區(qū)范圍較中段回采模擬時(shí)小;進(jìn)路回采模擬時(shí),富礦體的開采對(duì)周邊貧礦及圍巖幾乎無(wú)影響,塑性區(qū)范圍最小。

圖9 中段開采模擬塑性區(qū)分布

圖10 盤區(qū)開采模擬塑性區(qū)分布

圖11 進(jìn)路開采模擬塑性區(qū)分布

4.3 豎向位移

當(dāng)開采至756 m水平,此時(shí)850 m水平礦柱回收完畢,圖12至圖14所示分別為14行剖面中段、盤區(qū)和進(jìn)路三個(gè)不同層級(jí)回采模擬的豎向位移分布。中段回采模擬時(shí),最大沉降是1.03 m,最大隆起是0.58 m;盤區(qū)回采模擬時(shí),最大沉降是0.85 m,最大隆起是0.52 m;進(jìn)路回采模擬時(shí),最大沉降是0.32 m,最大隆起是0.19 m。

圖12 中段回采豎向位移

圖13 盤區(qū)回采豎向位移

圖14 進(jìn)路回采豎向位移

三種回采模擬方式均表現(xiàn)出上盤圍巖沉降,下盤圍巖隆起的基本趨勢(shì),但是中段回采模擬時(shí)的豎向位移值最大,進(jìn)路回采模擬時(shí)的豎向位移值最小。取標(biāo)志性測(cè)點(diǎn)14行風(fēng)井1 000 m水平處豎向位移進(jìn)行對(duì)比。中段回采時(shí),14行風(fēng)井底部豎向隆起約0.18 m;盤區(qū)回采時(shí),14行風(fēng)井底部豎向隆起約0.1 m;進(jìn)路回采時(shí),14行風(fēng)井底部豎向隆起約0.08 m。14行剖面豎向位移對(duì)比見表3。

表3 14行剖面豎向位移對(duì)比

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際礦山設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的巖石力學(xué)模擬問(wèn)題,通過(guò)FLAC3D按照中段、盤區(qū)和進(jìn)路開采三種仿真維度模擬了大規(guī)模進(jìn)路充填開采金川二礦區(qū)的開采過(guò)程。應(yīng)力集中、塑性區(qū)及豎向位移結(jié)果表明,不同的開采仿真維度對(duì)應(yīng)不同的力學(xué)響應(yīng)。開采模擬越細(xì),開采擾動(dòng)越小,數(shù)值模擬與實(shí)際開采的匹配程度越高,結(jié)果表現(xiàn)為應(yīng)力集成程度、塑性區(qū)范圍、豎向位移越小。因此除前處理階段網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置外,在計(jì)算階段仍需注重提高開采過(guò)程的模擬精細(xì)程度。