基于Flac3D的露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采崩落巖石移動(dòng)角的確定

摘要：某露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山設(shè)計(jì)采用無(wú)底柱分段崩落采礦法開(kāi)采。為保證礦山的安全生產(chǎn)，減少對(duì)地表周?chē)乩砗铜h(huán)境產(chǎn)生的影響，采用Flac3D礦業(yè)軟件，建立礦石回采模型，施加邊界條件，分析回采空區(qū)彈塑性變化及巖石移動(dòng)情況，圈定巖石移動(dòng)范圍，確定巖石移動(dòng)角為65°。模擬結(jié)果可為礦山的深部開(kāi)采與安全生產(chǎn)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：巖石移動(dòng)角;Flac3D礦業(yè)軟件;無(wú)底柱分段崩落采礦法;露天轉(zhuǎn)地下;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）11-0053-04doi：10.11792/hj20211110

礦山地下開(kāi)采作業(yè)會(huì)打破巖石的原始平衡狀態(tài)，引起周?chē)鷰r石的變形、破壞和崩落，并最終導(dǎo)致地表發(fā)生移動(dòng)和陷落。某礦山露天開(kāi)采已接近尾聲，擬轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。地下開(kāi)采主要采用無(wú)底柱分段崩落采礦法。崩落采礦法允許地表塌陷，但是地表巖石移動(dòng)圈不能影響各類(lèi)建（構(gòu)）筑物的安全與正常使用[1]。為保證礦山的安全生產(chǎn)，減少礦山對(duì)周?chē)乩砗铜h(huán)境產(chǎn)生的影響，需分析回采空區(qū)彈塑性變化及圍巖移動(dòng)情況，科學(xué)合理地確定巖石移動(dòng)角，用以圈定巖石移動(dòng)范圍。

1工程概況

該礦山位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特后旗，地處內(nèi)蒙古高原陰山山脈狼山北坡，海拔高度1 900 ～2 100 m。礦區(qū)范圍內(nèi)東南高，西北低，地貌為低山丘陵區(qū)。礦區(qū)地處中溫帶，屬高原大陸性氣候，礦區(qū)及近圍屬干旱地區(qū)，附近無(wú)河流及其他地表水體。年平均溫度為6.7 ℃，封凍期為10月到次年5月，無(wú)霜期120 d，最深凍土為2.3 m。年降雨量平均為190 mm，年日照3 180 h，對(duì)照烈度為7度，四季多風(fēng)，平均風(fēng)速為5.4 m/s，風(fēng)力一般為4～5級(jí)。地震動(dòng)峰值加速度（g）為0.10。

該礦山露天開(kāi)采將于2025年結(jié)束，最低開(kāi)采水平為1 708 m。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后，開(kāi)采的礦體主要分布在11勘探線—31勘探線1 200 m標(biāo)高以上。礦區(qū)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，環(huán)境地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。地下開(kāi)采擬采用主井+副井+斜坡道開(kāi)拓方案，生產(chǎn)規(guī)模為300萬(wàn)t/a，設(shè)置中央進(jìn)風(fēng)井及東、西2個(gè)回風(fēng)井，主要采礦方法為無(wú)底柱分段崩落采礦法，階段高度為120 m，分段高度為15 m，礦石回采率為85 %。

2礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

礦體頂?shù)装鍑鷰r是以千枚巖、二云母石英片巖、碳質(zhì)板巖為主的塊狀巖類(lèi)，地層巖性較單一，巖體構(gòu)造以塊狀構(gòu)造為主，巖石強(qiáng)度高，局部破碎帶強(qiáng)度低，巖體局部穩(wěn)定性較差，深部采礦局部可能有坍塌、冒頂、片幫等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生，部分地段需支護(hù)。

礦區(qū)構(gòu)造的一個(gè)顯著特點(diǎn)是后期構(gòu)造繼承和疊加改造早期構(gòu)造。同時(shí)礦床北側(cè)存在逆沖斷層（Ⅱ—F3），實(shí)測(cè)長(zhǎng)近1 900 m，寬5～10 m;走向近東西，傾向南，傾角65°～70°。由于斷層產(chǎn)出在含礦層中，又為大角度逆沖斷層，并使斷層兩側(cè)的巖層產(chǎn)生強(qiáng)烈的拖曳褶曲，深部原巖可能殘存一定應(yīng)力。

根據(jù)該礦體賦存情況及現(xiàn)有數(shù)據(jù)，確定礦巖物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

3模型建立與數(shù)值模擬分析

Flac3D是由美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的仿真計(jì)算軟件，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。通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)（大變形模式）。Flac3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。因此，本文采用Flac3D礦業(yè)軟件建立礦石回采模型，分析回采空區(qū)彈塑性變化及巖石移動(dòng)情況，以期為礦山深部開(kāi)采與安全生產(chǎn)提供理論支撐。3.1三維模型建立

使用19勘探線地質(zhì)剖面圖（見(jiàn)圖1）作為依據(jù)，建立Flac3D網(wǎng)格模型。本次計(jì)算模型的長(zhǎng)度設(shè)置為1 000 m，高度參照實(shí)際地表地形建立，減少應(yīng)力邊界和位移邊界效應(yīng)帶來(lái)的影響。

模擬時(shí)，將礦區(qū)內(nèi)力學(xué)性質(zhì)相近的巖石歸并為一個(gè)巖層。計(jì)算模型邊界條件為：模型兩端x方向的位移固定，即邊界水平位移為零;模型底部y方向的位移固定，即底部邊界水平、垂直位移為零;模型頂部（即地表）為自由邊界。

3.2力學(xué)模型及參數(shù)確定

巖石是一種脆性材料，當(dāng)荷載達(dá)到屈服強(qiáng)度后將發(fā)生破壞、弱化，屬于彈塑性體[2]。本次模擬中，選擇莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則作為彈塑性材料的屈服判據(jù)準(zhǔn)則。

針對(duì)采空區(qū)及周?chē)鷰r體情況，在模型制作時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理;其力學(xué)參數(shù)依據(jù)巖塊力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，并考慮巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、地下水等因素，對(duì)巖塊力學(xué)按照巖體質(zhì)量分類(lèi)法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

為符合開(kāi)采實(shí)際，模擬計(jì)算從形成初始應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)始。模擬過(guò)程中，通過(guò)模擬開(kāi)挖將開(kāi)挖空間的實(shí)單元變成空單元。未開(kāi)挖的模型見(jiàn)圖2。

3.3模擬計(jì)算

利用建立的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)逐步擴(kuò)大采空區(qū)面積計(jì)算采空區(qū)圍巖移動(dòng)和變形引起的地表破壞變形的范圍，由于沿勘探線方向礦石回采的長(zhǎng)度為50～350 m，大多在150 m左右，故本次模擬開(kāi)挖地下采空區(qū)長(zhǎng)度為150 m，高度為勘探線位置礦體垂直高度。x方向和y方向的應(yīng)力等值線和位移等值線見(jiàn)圖3～6。

另外，分別設(shè)置地下模擬開(kāi)挖采空區(qū)長(zhǎng)度為50 m、250 m、350 m的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，將所得的y方向位移等值線圖與150 m開(kāi)挖范圍的等值線圖進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖7～9。

3.4模擬結(jié)果及分析

x方向的應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。由圖3可知，x方向的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在采空區(qū)頂板位置，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。由圖4可知：y方向的應(yīng)力分布表現(xiàn)為向下的壓應(yīng)力，最大值為35 MPa，分布在采空區(qū)的兩端。

由于巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故可以初步推斷，回采形成采空區(qū)后，頂板拉應(yīng)力集中，首先出現(xiàn)破壞，繼而向下冒落，冒落的高度也隨采空區(qū)的增大逐漸增大。采空區(qū)兩幫長(zhǎng)期存在壓應(yīng)力集中，兩幫圍巖穩(wěn)定性也會(huì)隨之降低，出現(xiàn)巖石片落的情況。由于下部巖體的冒落，上部巖體失去底部支撐，巖體內(nèi)部裂隙逐漸發(fā)育擴(kuò)大，巖塊間相互作用力減小，在重力及地應(yīng)力的作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，并擴(kuò)展到地表，形成地表移動(dòng)帶。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)建（構(gòu)）筑物破壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用水平變形和傾斜變形來(lái)評(píng)判，而采取數(shù)值模擬計(jì)算的地表位移值應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]?；夭珊髕或y方向的位移等值線圖見(jiàn)圖5～9，由x、y位移等值線圖可以很直觀地看出地表發(fā)生移動(dòng)變形的范圍。參照規(guī)程，一般磚石結(jié)構(gòu)地表傾斜的臨界值為3 mm/m，其計(jì)算見(jiàn)式（1）、圖10。

iAB=sB-sAlAB=ΔsABlAB（1）

式中：iAB為坡度;sB為B點(diǎn)位移（m）;sA為A點(diǎn)位移（m）;ΔsAB為A、B兩點(diǎn)的位移（m）;lAB為A、B兩點(diǎn)的距離（m）。

取sA=0作為地表移動(dòng)帶的邊界點(diǎn)來(lái)進(jìn)行地表移動(dòng)帶的圈定，圈出來(lái)的地表移動(dòng)帶滿足測(cè)量規(guī)程的要求。通過(guò)對(duì)Flac3D礦業(yè)軟件模擬計(jì)算出的y方向的位移圖進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為不同開(kāi)采面積下地表發(fā)生移動(dòng)的移動(dòng)角范圍：①開(kāi)挖長(zhǎng)度為50 m時(shí)，地表發(fā)生移動(dòng)的移動(dòng)角為70°;②開(kāi)挖長(zhǎng)度為150 m時(shí)，地表發(fā)生移動(dòng)的移動(dòng)角為68°;③開(kāi)挖長(zhǎng)度為250 m時(shí)，地表發(fā)生移動(dòng)的移動(dòng)角為66°;④開(kāi)挖長(zhǎng)度為350 m時(shí)，地表發(fā)生移動(dòng)的移動(dòng)角為65°。由于選取sA=0，實(shí)際巖石移動(dòng)角至少要大于65°。因此，模擬結(jié)果表明，采用65°的巖石移動(dòng)角圈定地表移動(dòng)帶的范圍是可行的。

4結(jié)語(yǔ)

該礦山礦體及圍巖穩(wěn)定性較好，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)采用無(wú)底柱分段崩落采礦法，不可避免地會(huì)引起上覆巖層及地表產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)和變形，從而影響周?chē)牡乩憝h(huán)境。采用Flac3D礦業(yè)軟件建立礦山回采模型，通過(guò)施加邊界條件，對(duì)礦山回采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同回采空區(qū)長(zhǎng)度下模擬得出地表發(fā)生位移的移動(dòng)角范圍，科學(xué)合理地確定了該礦山地下開(kāi)采的巖石移動(dòng)角為65°，為礦山的深部開(kāi)采與安全生產(chǎn)提供理論支撐。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]宋釗剛，胡靜云.崩落法開(kāi)采地表塌陷坑沉降變形監(jiān)測(cè)研究[J].采礦技術(shù)，2021（1）：84-88.

[2]黃志安，張英華，李世波，等.采空區(qū)上覆巖層“三帶”的界定準(zhǔn)側(cè)和仿真確定[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（7）：609-611.

[3]劉飛，熊賢亮.某螢石礦開(kāi)采巖層移動(dòng)角數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2018，34（4）：171-177.

Determination of caved rock displacement angle

in the transition from openpit to underground mining based on Flac3D Xu Hongkai

（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：A mine in the transition from openpit to underground mining is designed to use pillarless sublevel? caving mining method.In order to ensure the safe production of mine and reduce the impact on the geography and environment around the surface，an ore extraction model was established with Flac3D mining software，and boundary conditions were introduced.The elasticplastic changes in the minedout area and the rock displacement were analyzed.The movement range of the rock was delineated，and the rock displacement angle was determined to be 65°.The simulation results can provide technical support for deep mining and safe production for mines.

Keywords：rock displacement angle;Flac3D mining software;pillarless sublevel caving mining method;transition from openpit to underground mining;numerical simulation

收稿日期：2021-05-20; 修回日期：2021-09-08

作者簡(jiǎn)介：許宏凱（1989—），男，山東濟(jì)南人，工程師，從事金屬礦山采礦工程設(shè)計(jì)工作;濟(jì)南市高新開(kāi)發(fā)區(qū)舜華路1969號(hào)，山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，250101;Email：sdmxhk@163.com