基于ANSYS和GeoStudio耦合的充填體底板穩(wěn)定性分級

林國洪

（江西銅業(yè)股份公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

0 引 言

武山銅礦北礦帶是該礦區(qū)的主要生產(chǎn)礦帶，北礦帶主要礦體賦存于斷裂破碎帶中，礦帶礦體上盤圍巖為鐵質(zhì)黏土、高嶺土等強風化巖組；下盤圍巖為泥盆系上統(tǒng)含礫石英砂巖，與北礦帶礦體呈不整合接觸，含礫石英砂巖節(jié)理發(fā)育，在節(jié)理密集地段，巖體分割成碎塊狀，呈碎裂結構.武山銅礦現(xiàn)采用下向進路式膠結充填法回采礦體，該方法采礦作業(yè)面頂板為膠結充填體，因此膠結充填體的穩(wěn)定性對該采礦方法至關重要.膠結充填體頂板在自重應力、爆破振動等作用下經(jīng)常產(chǎn)生不同深度和角度的裂隙，從而導致充填體整體強度下降，容易發(fā)生頂板冒落事故，在開采過程中存在安全隱患，給生產(chǎn)帶來嚴重威脅.

裂隙對頂板穩(wěn)定性的影響比較復雜，它涉及到裂隙寬度、深度等諸多方面，而武山銅礦采場中出現(xiàn)的裂隙主要以垂直裂隙為主，為了研究裂隙對采場頂板穩(wěn)定性的危害程度，有必要通過數(shù)值模擬方法，對膠結充填體頂板穩(wěn)定性影響進行分類，以便礦山技術人員掌握裂隙狀態(tài)確定頂板是否需要支護[1-4].

1 模擬軟件介紹

采用 GeoStudio2007的 SIGMA/W 模塊和ANSYS軟件來模擬采場中含裂隙頂板的應力應變情況，通過2個數(shù)值軟件模擬結果的對比驗證，分析含裂隙頂板穩(wěn)定性情況.

GeoStudio2007的SIGMA/W模塊是一款用來進行結構應力和變形分析的有限元軟件，它可以分析簡單和高度復雜的問題，可應用于巖土、土木和采礦工程的分析和設計[5].

ANSYS軟件計算模塊包括結構分析 （可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力[6-7].

2 模擬準備

2.1 模型的建立及尺寸

地下工程地質(zhì)結構復雜，影響采場穩(wěn)定的因素也很多，在保證計算結果可靠性的前提下做一些假設和簡化：①模擬介質(zhì)（巖體及充填體）為理想的彈塑性體；②忽略模擬介質(zhì)變形的時間效應以及地下水對介質(zhì)的影響；③進路的受力及變形是平面應變問題；④模擬巖體及充填體為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；⑤只考慮自重應力場對模型形成的影響.

模型的幾何尺寸可根據(jù)計算目的及采礦工藝確定，工程實際中開采斷面尺寸4 m×3 m（寬×高），且地下局部開挖僅對其周圍3～5 m范圍內(nèi)有擾動影響，因此設計進路上、下、左、右模擬介質(zhì)的尺寸為進路尺寸的5倍.考慮進路長度遠遠大于進路的寬度及高度，因此可將本算例視為平面應變問題，通過分析最終確定計算模型幾何尺寸44 m×33 m（寬×高），如圖1、圖2所示.

圖1 GeoStudio計算模型示意圖

圖2 ANSYS計算模型示意圖

本次模擬目的是關注開采進路斷面含裂隙頂板在豎直方向的位移變化、塑性區(qū)覆蓋面積及出現(xiàn)位置，故網(wǎng)格在裂隙附近進行加密處理，采用網(wǎng)格基本單元長度為1 m，在裂隙位置處，裂隙在豎直方向網(wǎng)格單元長度為0.005 m，裂隙水平方向網(wǎng)格單元長度為0.001m.模型在豎直方向從上至下分為上覆圍巖層、充填體層、礦層3個主要分層，為了模擬方便，將上部巖層的重量利用加載來實現(xiàn)，加載力的大小根據(jù)上覆巖層的容重來確定[8].

2.2 本構模型及邊界條件

數(shù)值模擬涉及到的巖石、充填體均屬于彈塑性材料，可采用能考慮剪切破壞并直觀顯示主應力的Mohr-Coulomb屈服準則，Mohr-Coulomb準則的剪切破壞判據(jù)為：

其中：

式(1)、式(2)中：σ1、σ3分別為最大主應力、最小主應力；c、φ分別為材料黏聚力、內(nèi)摩擦角.fs為破壞判斷系數(shù)，當fs≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài)；當fs≤0時，材料處于彈性變形階段.

模型的左右邊界限制水平向位移，模型下邊界固定，上邊界施加上覆巖層重量[9].

2.3 充填體力學參數(shù)

模擬材料的力學參數(shù)見表1所示.

表1 巖體及充填介質(zhì)力學參數(shù)

2.4 模擬方案設計

本次數(shù)值模擬采用正交試驗設計，主要是針對不同寬度、不同深度垂直裂隙對充填體頂板穩(wěn)定性的影響.武山銅礦采場出現(xiàn)的裂隙寬度在1～3 cm范圍之內(nèi)，因此確定模擬裂隙的寬度分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm.北礦帶中段高度為50 m，分段高度為10 m，采場分層高度3.5 m，模擬裂隙深度分為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、300 cm和400 cm.

3 模擬結果分析

3.1 ANSYS結果分析

運用ANSYS模擬軟件分別得出了不同裂隙寬度、深度條件下在X方向和Y方向的拉應力以及平面拉應力[10].

受篇幅所限本文只介紹平面拉應力，通過提取ANSYS軟件計算結果中平面拉應力圖，如圖3所示.利用Matlab軟件對圖像進行處理，計算出不同裂隙寬度、深度條件下平面拉應力面積.如表2所示.

根據(jù)表2中的平面拉應力面積數(shù)據(jù)繪制了不同寬度、深度裂隙拉應力面積變化曲線見圖4.

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，裂隙深度在0～50 cm范圍內(nèi)，裂隙處所受拉應力區(qū)域面積隨著深度的增加而增大；在50～100 cm范圍內(nèi)時拉應力區(qū)域面積驟然下跌，驟變原因是在裂隙深度在100 cm時，裂隙X方向的拉應力向裂隙深處發(fā)展，靠近裂隙深處的拉應力面積在增加，而在靠近頂板位置的拉應力面積相對于裂隙深度100 cm以下的拉應力面積減??；在裂隙深度100 cm之后，隨著裂隙深度的增加而拉應力面積在增大，因此從平面拉應力面積變化趨勢看，100 cm深度是裂隙拉應力分布變化的一個分界點.

圖3 30 mm寬、100 cm深裂隙ANSYS模擬結果

表2 不同深度、寬度裂隙平面拉應力面積/m2

圖4 不同寬度不同深度裂隙拉應力面積變化曲線

3.2 GeoStudio結果分析

分析Y方向的位移以30 mm寬裂隙為例，我們發(fā)現(xiàn)30 mm寬度裂隙隨著裂隙深度的增加，Y方向的下沉位移在增大，Y方向的位移等值線由平緩逐漸向裂隙處發(fā)展，呈倒三角形.在裂隙靠近頂板位置處出現(xiàn)新的位移，并且隨著裂隙深度的增加裂隙靠近頂板位置處位移等值線區(qū)域在逐漸增加，其他寬度裂隙也呈類似狀況.模擬顯示裂隙在深度為100 cm后，裂隙頂板下沉位移在增加，因此100 cm是裂隙受力狀態(tài)的一個分界點，如圖5所示.

圖5 30 mm寬、100 cm深裂隙GeoStudio模擬結果

分析裂隙周圍塑性區(qū)分布仍以30 mm寬裂隙模擬數(shù)據(jù)為例，結果顯示相同寬度的裂隙隨著裂隙深度的增大，開采斷面上方的塑性區(qū)逐漸向裂隙附近發(fā)展，在150 cm深度時，裂隙附近塑性區(qū)向裂隙頂端位置回合；在300 cm時裂隙塑性區(qū)貫通，此時裂隙可能會引起頂板發(fā)生局部冒落，在400 cm時，裂隙頂端整體貫通，頂板會直接冒落，因此對于充填體頂板裂隙，裂隙深度為300 cm是頂板受力的一個分界點，同時在裂隙寬度較小情況下，裂隙深度是影響充填體頂板穩(wěn)定性的主要影響因素.

4 頂級穩(wěn)定性分級與支持建議

4.1 穩(wěn)定性分級

分析GeoStudio和ANSYS數(shù)值模擬結果可知，裂隙深度是裂隙受力狀態(tài)的主要影響因素，并且裂隙深度100 cm和300 cm是裂隙處受力狀態(tài)的一個分界點[11].結合武山銅礦北礦帶下向進路式膠結充填采礦法，分析不同寬度不同深度垂直裂隙的拉應力區(qū)、塑性區(qū)及位移情況，膠結充填體頂板穩(wěn)定性級別可分為三級,具體見表3.

4.2 支護建議

采場支護是指在回采過程中對采場頂板、圍巖進行加固的作業(yè)，以保障回采順利進行.對膠結充填體頂板中出現(xiàn)的裂隙進行分級，根據(jù)分級結果，確定是否需要支護[12].

表3 膠結充填體含裂隙頂板穩(wěn)定性分級

1）對于膠結充填體頂板內(nèi)出現(xiàn)的單個裂隙的級別情況可根據(jù)以下建議進行處理：Ⅰ級：根據(jù)數(shù)值計算結果，頂板下沉位移較小，且頂板處于彈性變形狀態(tài)，因此不進行支護處理，在生產(chǎn)作業(yè)期間中，繼續(xù)對該處裂隙探測，以確定裂隙是否會繼續(xù)發(fā)展.Ⅱ級：該級裂隙隨著裂隙深度的增加，拉應力區(qū)域沿著裂隙深度發(fā)展，且下沉位移逐漸增大，塑性區(qū)也在擴大，因此在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用木支護，支護間隔不大于1 m，且頂板用木垛背實，支護坑木直徑不小于Φ18 cm.Ⅲ級：該級裂隙在裂隙處出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，位移下沉明顯增大，因此在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用密集木支護，支護間隔不大于0.5 m，且頂板用木垛背實，支護坑木直徑不小于Φ18 cm，同時該進路盡快充填.

2）對膠結充填體頂板某區(qū)域密集出現(xiàn)多個裂隙級別情況時可根據(jù)以下建議進行處理：Ⅰ級：不進行支護處理，在生產(chǎn)作業(yè)期間中，繼續(xù)對該處裂隙探測，以確定裂隙是否會繼續(xù)發(fā)展.Ⅱ、Ⅲ級：在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用密集木支護，支護間隔不大于0.5 m，且頂板用木垛背實，支護坑木直徑不小于Φ18 cm，同時該進路盡快充填.

5 結 論

通過對裂隙進行分級，發(fā)現(xiàn)武山銅礦目前出現(xiàn)的裂隙多處于Ⅰ級別；位于-230 m中段E10盤區(qū)裂隙2處于Ⅱ級，說明武山銅礦多進路開采的情況下，膠結充填體頂板中出現(xiàn)裂隙屬于小概率事件，頂板的穩(wěn)定性關鍵在于充填的灰砂比.對于已經(jīng)出現(xiàn)的頂板裂隙可運用前述處理建議作為處理措施[13].

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