FLAC3D數(shù)值模擬露天轉(zhuǎn)地下邊坡及采場(chǎng)穩(wěn)定性研究

李啟航，李小雙，2，3，耿加波，羅 浪

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000)

根據(jù)前人運(yùn)用數(shù)值模擬方法在礦山巖體力學(xué)中的研究和探索[1-7]，本文擬利用FLAC3D數(shù)值模擬分析方法，對(duì)緩傾斜薄至中厚磷礦床在單一地下開(kāi)采及露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采兩種不同開(kāi)挖方式下坡高對(duì)采場(chǎng)頂板、圍巖的穩(wěn)定性及礦壓活動(dòng)規(guī)律的影響。對(duì)未來(lái)的磷礦山地下開(kāi)采工作具有一定的技術(shù)參考價(jià)值。

1 FLAC3D軟件簡(jiǎn)介

FLAC3D是在FLAC基礎(chǔ)上研發(fā)的能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析的軟件[8]。FLAC3D具有比較完善的后處理功能，對(duì)于數(shù)據(jù)和結(jié)果的處理比較容易實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多科研工作者利用FLAC3D軟件對(duì)采礦過(guò)程中圍巖及邊坡穩(wěn)定性、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、巷道與工作面的時(shí)空關(guān)系等一系列復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)了大量的研究，并取得了許多重要的研究成果[9]。

2 模型的構(gòu)建及計(jì)算方案

2.1 基本假設(shè)

本文的數(shù)值模擬主要對(duì)應(yīng)力與變形進(jìn)行分析研究。

1)巖性的假設(shè)

假設(shè)巖石有各向同性、均質(zhì)的特性，應(yīng)力與應(yīng)變符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

2)水平構(gòu)造應(yīng)力的假設(shè)

開(kāi)挖區(qū)域礦體構(gòu)造簡(jiǎn)單，假設(shè)水平構(gòu)造應(yīng)力不予考慮。

3)礦房結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

將數(shù)值模型中的巷道、天井、斜井、聯(lián)絡(luò)巷以及溜井等礦房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為實(shí)體。

2.2 模型幾何尺寸

以云南晉寧周邊典型的緩傾斜薄至中厚磷礦床為研究背景，以層狀巖質(zhì)邊坡與地下采場(chǎng)圍巖及其上覆巖體組成的復(fù)合采動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象。兩組邊坡模型尺寸分別為：200 m邊坡模型尺寸水平(X)方向長(zhǎng)度為600 m，走向(Y)方向長(zhǎng)度為300 m，垂直(Z)方向?yàn)?50 m，整個(gè)模型共包含544 833個(gè)節(jié)點(diǎn)和526 550個(gè)單元；300 m邊坡模型尺寸水平(X)方向長(zhǎng)度為600 m，走向(Y)方向長(zhǎng)度為300 m，垂直(Z)方向?yàn)?50 m，整個(gè)模型共包含623 934個(gè)節(jié)點(diǎn)和603 550個(gè)單元。在模型計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化巖體應(yīng)力場(chǎng)，不考慮其他構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮自身重力影響，因此只對(duì)模型施加-9.8 m/s2的反向應(yīng)力加速度。兩種方案的單一地下開(kāi)采及露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采三維模型如圖1所示。

圖1 不同邊坡高度下單一地下開(kāi)采與露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采三維模型圖Fig.1 3D model diagram of single underground mining and open-pit conversion to underground mining under different slope heights

2.3 模型計(jì)算本構(gòu)關(guān)系

本次數(shù)值模擬采用彈塑性本構(gòu)模型，F(xiàn)LAC3D巖石材料破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則來(lái)描述巖體的強(qiáng)度特征。

2.4 模型巖體參數(shù)

根據(jù)實(shí)地調(diào)研和相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)研究結(jié)果，數(shù)值模擬計(jì)算所采用的磷礦巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.5 礦山開(kāi)采方式

根據(jù)礦山實(shí)際情況，選取境界礦柱厚度24m，由于整個(gè)地下開(kāi)采礦體傾向長(zhǎng)度為348 m，垂直開(kāi)采深度為84.2 m。因此設(shè)置3個(gè)開(kāi)采階段，每個(gè)開(kāi)采階段包含7個(gè)礦房和6個(gè)礦柱，單一開(kāi)采階段沿礦層傾向長(zhǎng)度為106 m，垂向深度為25 m，階段與階段之間設(shè)置15 m的階段礦柱。同時(shí)選取每步開(kāi)挖的礦房10 m，礦柱6 m，且礦柱為連續(xù)型礦壁。另外，考慮到模型的邊界效應(yīng)，沿模型開(kāi)挖方向(模型Y方向)兩側(cè)各留50 m邊界影響區(qū)域。開(kāi)采順序?yàn)榉蛛A段開(kāi)采，先沿礦層傾向逐一開(kāi)采每個(gè)階段的礦房，待礦房開(kāi)采完畢后再沿傾向?qū)ΦV柱進(jìn)行逐一回采，回采完畢后即進(jìn)入下一階段礦體的開(kāi)挖。采場(chǎng)俯視圖如圖2所示。

圖2 采場(chǎng)俯視圖Fig.2 Top view of stope

2.6 數(shù)值模擬計(jì)算方案

本文展開(kāi)了兩種模擬方案：方案1)先進(jìn)行單一的露天開(kāi)挖，待露天開(kāi)挖結(jié)束后再轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采；方案2)在同樣地質(zhì)地貌條件下，直接進(jìn)行地下開(kāi)采。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析計(jì)算得到不同開(kāi)采階段的應(yīng)力分布情況及數(shù)值大小來(lái)揭示露天終了邊坡在坡角一定的條件下，不同邊坡高度對(duì)地下采場(chǎng)的影響以及邊坡與地下開(kāi)采耦合作用下覆巖采動(dòng)響應(yīng)特征。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 露天邊坡安全系數(shù)

為了確定在地下開(kāi)采前邊坡是否安全穩(wěn)定需要對(duì)礦山露天終了邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行求解[10]。求解結(jié)果如表2所示。

表2 邊坡安全系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是指沿指定滑裂面的抗滑力與滑動(dòng)力的比值，比值大于1時(shí)坡體穩(wěn)定；等于1時(shí)坡體處于極限平衡狀態(tài)；小于1時(shí)坡體發(fā)生破壞。由表2可知，兩種不同坡高的邊坡均整體穩(wěn)定，但隨著邊坡高度增加，邊坡發(fā)生滑移破壞的可能性增大。在不同開(kāi)采階段下，根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬最大垂直應(yīng)力的結(jié)果可知：在本文模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不考慮滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 坡高200 m模型分析

由圖3可知，第一階段礦體開(kāi)挖完畢后，由于受到階段礦體的開(kāi)挖卸荷，兩種開(kāi)采方案的地下采場(chǎng)最大垂直應(yīng)力均出現(xiàn)在采空區(qū)前后兩端，此時(shí)采區(qū)兩側(cè)及露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采形成的露天終了邊坡坡腳處形成了局部的應(yīng)力集中區(qū)域。第二階段礦體開(kāi)挖完畢后，單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力僅出現(xiàn)在兩個(gè)采空區(qū)的階段礦柱上。第三階段礦體開(kāi)挖完畢后，其應(yīng)力相較第二階段再一次釋放，應(yīng)力降低區(qū)域的范圍再次擴(kuò)大。在不同開(kāi)采階段下，根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬最大垂直應(yīng)力的結(jié)果可知：采空區(qū)兩側(cè)第一階段到第三階段單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由20.9 MPa增加到28.8 MPa再增加到40.0 MPa；露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由19.4 MPa增加到26.5 MPa再增加到39.3 MPa；采空區(qū)頂板第一階段到第三階段單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由4.0 MPa增加到4.3 MPa再增加到4.7 MPa；露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由4.2 MPa減少到3.9 MPa再增加到4.6 MPa；通過(guò)最大垂直應(yīng)力數(shù)值變化特點(diǎn)，三個(gè)不同開(kāi)采階段下單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力比露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采都要大。從第一階段到第三階段開(kāi)挖，隨著礦體開(kāi)挖埋深的增加，采空區(qū)頂板巖體向下沉降，導(dǎo)致間柱頂部剪切塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，但未到達(dá)邊坡臨空面，此時(shí)地下采場(chǎng)及整個(gè)巖體相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 單一地下開(kāi)采(圖左)與露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采(圖右)各階段開(kāi)挖后垂直應(yīng)力分布特征Fig.3 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

3.3 坡高300 m模型分析

由圖4可知，第一階段礦體開(kāi)挖完后，單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力分布在采空區(qū)前后兩端，由于接近露天邊坡的臨空面，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的最大垂直應(yīng)力只出現(xiàn)在采空?qǐng)龅那岸耍诙A段礦體開(kāi)挖完畢后，單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力僅出現(xiàn)在兩個(gè)采空區(qū)的階段礦柱右下側(cè)，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在二階段采場(chǎng)前后兩端。第三階段礦體開(kāi)挖完畢后，單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)間柱右下側(cè)部位，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力僅出現(xiàn)在第二個(gè)階段礦柱的右下側(cè)。在不同開(kāi)采階段下，根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬最大垂直應(yīng)力的結(jié)果可知：采空區(qū)兩側(cè)第一階段到第三階段單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由24.8 MPa增加到35.7 MPa再增加到44.5 MPa；露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由20.3 MPa增加到26.5 MPa再增加到31.8 MPa；采空區(qū)頂板第一階段到第三階段單一地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由3.9 MPa增加到4.0 MPa再增加到4.7 MPa；露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最大垂直應(yīng)力由4.1 MPa減少到3.8 MPa再增加到4.8 MPa。

圖4 單一地下開(kāi)采(圖左)與露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采(圖右)各階段開(kāi)挖后垂直應(yīng)力分布特征Fig.4 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

隨著工作面的開(kāi)挖推進(jìn)，兩種開(kāi)采方案下的最大垂直應(yīng)力也跟著動(dòng)態(tài)前移，當(dāng)露天開(kāi)采完成后，露天邊坡坡腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，單一地下開(kāi)采在三個(gè)不同開(kāi)采階段最大垂直應(yīng)力都比露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采大。從第一階段到第三階段采場(chǎng)塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)育充分，貫通至邊坡臨空面，整個(gè)地下采場(chǎng)及邊坡體已處于失穩(wěn)狀態(tài)，極易造成整個(gè)采場(chǎng)及邊坡失穩(wěn)垮塌。

4 結(jié)論

當(dāng)?shù)叵碌V體開(kāi)挖不斷推進(jìn)時(shí)，采場(chǎng)頂板最大垂直應(yīng)力點(diǎn)也沿著礦層傾向而動(dòng)態(tài)前移。單一地下開(kāi)采的頂板垂直應(yīng)力相較于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采更大。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的終了邊坡越高，邊坡對(duì)采場(chǎng)覆層的影響效應(yīng)越明顯。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采，坡高為200 m時(shí)，巖體比較穩(wěn)定，坡高為300 m時(shí)，第三階段采空區(qū)覆巖體已處于失穩(wěn)狀態(tài)極易發(fā)生邊坡垮塌現(xiàn)象。因此在相似環(huán)境下的磷礦山開(kāi)采工作中，建議控制露天邊坡高度在200 m以內(nèi)。