礦山圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析與研究

汪輝+++米春元

摘 要：結(jié)合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應(yīng)力、沉降及塑性區(qū)狀況，評價了圍巖破壞機理及穩(wěn)定性。結(jié)果表明：隧道開挖后圍巖產(chǎn)生了一定的塑性區(qū)破壞，且地表產(chǎn)生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數(shù)值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導(dǎo)致涌水事故。

關(guān)鍵詞：鐵礦；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應(yīng)用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優(yōu)點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區(qū)內(nèi)沿走向每隔100m設(shè)4m厚間柱，間柱不回收。在盤區(qū)沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關(guān)于耦合的研究較多，各有優(yōu)勢，本文根據(jù)流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設(shè)計

此次我們研究的地區(qū)是大賈莊礦區(qū)大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區(qū)點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內(nèi)劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內(nèi)劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網(wǎng)格，按照不同的巖土力學(xué)參數(shù)，劃分不同的巖土介質(zhì)組，再導(dǎo)入三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關(guān)的圖件。

4 計算結(jié)果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應(yīng)力場分布特征

圖5、6、7、8是應(yīng)力云圖，由礦體開挖應(yīng)力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應(yīng)力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應(yīng)力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應(yīng)力也越來越大，底部采場間柱z方向應(yīng)力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應(yīng)力圖見圖6、7。

4.3 塑性區(qū)分布特征

由塑性網(wǎng)格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區(qū)以及附近的圍巖都出現(xiàn)了一定的塑性區(qū)，需適當(dāng)加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產(chǎn)生的擾動使孔隙水發(fā)生滲流，圖中流體矢量可發(fā)現(xiàn)，由于強、弱風(fēng)化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發(fā)生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結(jié)論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側(cè)逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍?zhí)端淼赖牧鞴恬詈戏治鯷J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J].水利與建筑工程學(xué)報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術(shù)才，陳衛(wèi)忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）endprint

摘 要：結(jié)合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應(yīng)力、沉降及塑性區(qū)狀況，評價了圍巖破壞機理及穩(wěn)定性。結(jié)果表明：隧道開挖后圍巖產(chǎn)生了一定的塑性區(qū)破壞，且地表產(chǎn)生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數(shù)值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導(dǎo)致涌水事故。

關(guān)鍵詞：鐵礦；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應(yīng)用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優(yōu)點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區(qū)內(nèi)沿走向每隔100m設(shè)4m厚間柱，間柱不回收。在盤區(qū)沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關(guān)于耦合的研究較多，各有優(yōu)勢，本文根據(jù)流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設(shè)計

此次我們研究的地區(qū)是大賈莊礦區(qū)大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區(qū)點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內(nèi)劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內(nèi)劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網(wǎng)格，按照不同的巖土力學(xué)參數(shù)，劃分不同的巖土介質(zhì)組，再導(dǎo)入三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關(guān)的圖件。

4 計算結(jié)果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應(yīng)力場分布特征

圖5、6、7、8是應(yīng)力云圖，由礦體開挖應(yīng)力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應(yīng)力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應(yīng)力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應(yīng)力也越來越大，底部采場間柱z方向應(yīng)力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應(yīng)力圖見圖6、7。

4.3 塑性區(qū)分布特征

由塑性網(wǎng)格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區(qū)以及附近的圍巖都出現(xiàn)了一定的塑性區(qū)，需適當(dāng)加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產(chǎn)生的擾動使孔隙水發(fā)生滲流，圖中流體矢量可發(fā)現(xiàn)，由于強、弱風(fēng)化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發(fā)生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結(jié)論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側(cè)逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍?zhí)端淼赖牧鞴恬詈戏治鯷J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J].水利與建筑工程學(xué)報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術(shù)才，陳衛(wèi)忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）endprint

摘 要：結(jié)合唐山鐵礦的施工過程，利用ANSYS有限元分析軟件及有限差分軟件FLAC3D 對鐵礦圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，分析了鐵礦圍巖的應(yīng)力、沉降及塑性區(qū)狀況，評價了圍巖破壞機理及穩(wěn)定性。結(jié)果表明：隧道開挖后圍巖產(chǎn)生了一定的塑性區(qū)破壞，且地表產(chǎn)生了一定的沉降。由于對該礦山進行了流固耦合數(shù)值模擬研究，從研究成果看隔水層有效的阻止了滲流，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，容易導(dǎo)致涌水事故。

關(guān)鍵詞：鐵礦；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前國際巖土界應(yīng)用非常廣泛的一種軟件，它吸取了有限單元法和離散單元法的優(yōu)點并克服其缺點，并有強大的前后處理器。FLAC的基本原理同于離散單元法。它不僅能處理一般的大變形問題，而且能模擬的圖形能直觀的看出變形情況。

1.1 概況

本文研究對象為大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)長度200m，寬為礦體厚度，高100m，盤區(qū)內(nèi)沿走向每隔100m設(shè)4m厚間柱，間柱不回收。在盤區(qū)沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48m。

目前關(guān)于耦合的研究較多，各有優(yōu)勢，本文根據(jù)流固耦合作用機制，采用FLAC3D 進行模擬與研究。

2 采礦設(shè)計

此次我們研究的地區(qū)是大賈莊礦區(qū)大賈莊礦段，它位于D46線以南、D38線以北的南北兩端礦體，采用機械化盤區(qū)點柱式上向分層充填采礦方法。

階段高度100m，在階段內(nèi)劃分分段，分段高度自下而上依次為15m、20m、15m、15m、20m、15m，每個分段內(nèi)劃分為4～5個分層，每個分層高度4m，空頂距1.5m，采場凈空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys軟件建立了模型，并劃分了網(wǎng)格，按照不同的巖土力學(xué)參數(shù)，劃分不同的巖土介質(zhì)組，再導(dǎo)入三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D中進行計算，以下為相關(guān)的圖件。

4 計算結(jié)果的分析

4.1 位移場特征

由圖4可以看出，開挖中間對稱處位移最大，為25cm，而里對稱線越遠，位移越小，且兩邊對稱，地面沉降影響范圍大致為開挖面中線左右一倍開挖面寬度。

4.2 應(yīng)力場分布特征

圖5、6、7、8是應(yīng)力云圖，由礦體開挖應(yīng)力圖（圖5）可以看出，填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大，為40MPa；安全頂板下的采場開挖附近z方向應(yīng)力最大值為20.0MPa；其他部分由上至下應(yīng)力越來越大，是由于垂直方向重力不斷增大，z方向應(yīng)力也越來越大，底部采場間柱z方向應(yīng)力最大值為35MPa（見圖8）。y方向、x方向應(yīng)力圖見圖6、7。

4.3 塑性區(qū)分布特征

由塑性網(wǎng)格劃分圖（圖9）可以看出，第四系，礦體開挖區(qū)以及附近的圍巖都出現(xiàn)了一定的塑性區(qū)，需適當(dāng)加強間柱尺寸。

4.4 滲流矢量分布特征

由滲流矢量分布圖（圖10）可以看出，開挖產(chǎn)生的擾動使孔隙水發(fā)生滲流，圖中流體矢量可發(fā)現(xiàn)，由于強、弱風(fēng)化層形成的隔水層有效的防止了孔隙水滲流的發(fā)生，但開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中，這個需要注意。

5 結(jié)論

（1）隨著開挖位移的逐漸增大，礦體頂面位移最大，往兩側(cè)逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零。

（2）填充體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大。

（3）由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動，開挖擾動引起的裂隙使部分孔隙水從頂板中滲流到采場中。

參考文獻

[1] 吉小明，王宇會，陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陳健云，李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28（4）：441- 446.

[3] 楊永香，劉泉聲，焦玉勇.龍?zhí)端淼赖牧鞴恬詈戏治鯷J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，張偉.裂隙巖體的流固耦合研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J].水利與建筑工程學(xué)報，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李術(shù)才，陳衛(wèi)忠，等.廈門海底隧道的流固耦合分析[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（3）：397- 401.

作者簡介：

第一作者：汪輝，男，（1990.10.15—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）endprint