某矿采空区稳定性三维有限元数值模拟.pdf

第6 2 卷第3 期 2010 年8 月 有色金属 N o n f e U F O U SM e t a l s V o L6 2 ，N o ．3 A u g ．201 0 某矿采空区稳定性三维有限元数值模拟 陈赞成1 ，侯克鹏2 ，杨八九2 1 ．北京科技大学金属矿床高效开采与安全教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 摘 要在矿山地质资料、采空区形态及采空区轮廓周边岩石力学参数研究的基础上，利用三维有限元对采空区稳定性进行 数值模拟。模拟结果表明某矿采空区在处理前及强制放顶后都是相对稳定的，采空区对矿山开采的安全性没有太大的影响。 关键词采矿工程；采空区；数值模拟；稳定性；地下开采 中图分类号T D 3 2 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 1 0 0 3 0 1 4 2 0 4 某矿在开采初期受到群采和招商引资引进的投 资主体过多等因素的限制，矿山建设缺乏统一规划， 投资商各自为政，形成了无序建设和生产，对矿山生 产安全、资源合理开采和环境保护产生了严重的潜 在危害。过去乱采乱挖使得开采后顶板围岩滞后冒 落而形成巨大采空区。采空区稳定性研究分析不仅 关系着某矿能否在采空区未处理之前安全生产的问 题，而且也关系着选用强制放顶处理采空区之后井 下采矿作业的安全性问题。根据某矿的实际情况， 采用三维有限元方法对采空区放顶前后的稳定性进 行数值模拟⋯。 1 三维有限元程序 采用的3 D 一 程序是为岩土工程应用而开发的 三维连续介质有限单元法程序。软件在国内外地下 岩土工程领域都拥有大量的用户，由于具有相当广 泛的使用基础，从而使该软件业已成为该领域一个 事实上的行业标准，并得到广大用户的好评。3 D 一 程序是完全基于W i n d o w s 平台开发的应用程序， 主要模拟岩土工程结构在三维应力、应变条件下的 力学行为。主要功能有 1 能计算三维岩土工程 问题； 2 能模拟分步开挖，并可考虑多种开挖因素 影响； 3 可考虑不同材料的本构关系 线弹性、弹 塑性 和屈服准则； 4 可以采用多种荷载输入方 式，既可以在端点处以点荷载形式施加，也可以在补 线上以线荷载或在面上以面荷载形式施加； 5 使 收稿日期“ 2 0 1 0 0 5 0 5 作者简介陈赞成 1 9 8 0 一 ，男，甘肃宁县人，博士生，主要从事采 矿工程、爆破工程及其矿井通风等方面的研究。 用能再现曲面并可确保高计算精度的2 0 节点等参 单元，单元类型包括固体单元、外壳单元、锚杆单元、 梁单元等； 6 采用改进反复法 P C C G 法 ，具有高 运算速度和高运算精度； 7 具有强大前处理和后 处理功能，将快速建模，网格的自动生成与分析。 2 数值分析结果与讨论 2 ．1 工程地质背景 某矿矿体主要呈似层状一透镜状，主要分布在 2 1 0 0 2 3 0 0 m 标高，为埋深2 0 0 ～5 0 0 m 的隐伏矿 体。平面上主要分布在P 8 7 线至P 9 2 线之间，长约 5 0 0 7 0 0 m ，宽2 0 0 3 0 0 m ，厚5 0 4 8 1 3 ．9 4 m ，属于 较规则至不规则。采空区围岩基本为灰岩角砾岩。 2 ．2 计算参数选择 为了选择数值模拟参数，使模拟的结果真实，对 采空区轮廓周边围岩进行了室内力学参数测试，主 要岩体力学参数见表l 。 2 ．3 计算模型 根据某矿采空区的形态及特点，结合岩石力学 相关理论，建立三维有限元模型，模型长宽高为 1 2 0 0 m 1 0 0 0 m 8 0 0 m ，即沿矿体走向取8 0 0 m 模 型中戈方向 ，垂直矿体走向取1 0 0 0 m 方向 ，沿 垂直方向取1 0 0 0 m Y 方向 ，共计1 1 5 0 0 0 个节点， 2 1 2 8 5 个2 0 节点三维等参元单元。模拟单元网格 划分图及采空区形态模型图分别见图1 和图2 。 本次模拟采用采空区的实体形态进行模拟，由‘ 于采空区的边界形态在局部比较复杂。现根据本次 模拟结果，对两种状态下采空区的稳定性分别叙述。 “ ”表示应力为拉应力，位移为与坐标轴同向，如 在采场底板表示底板位移鼓出，顶板表示位移下沉， 万方数据 第3 期陈赞成等某矿采空区稳定性三维有限元数值模拟 1 4 3 采场边壁表示位移向采空区移动。“一”表示应力应力单位为M P a ，位移单位为m 。 为压应力，位移为与坐标轴反向。在数值模拟图中 表1 岩块力学性质 T a b l e1R o c km e c h a n i cp a r a m e t e r s 图1有限元模型网格划分图 F i g ．1D i a g r a mo f3Df i n i t ee l e m e n tc o m p u t e r m ；d e l 鲥dc u t t i n g 图2原始采空区形态及强制放顶后 采空区形态示意图 F i g ．2D i a g r a mo fs h a p eo fo r i g i n a lg o ba n d g o ba f t e rf o r c e dr o o fc a v n g 2 ．4 原始模型计算结果 在模拟的第一步即不进行任何开挖充填，矿体 中仅有自重应力场作用，最大主应力从模型的顶部 向下依次增大，最大主应力线呈水平状态，但在矿体 所在位置，由于矿岩参数不同，在该处发生一定的应 力集中现象，最大主应力为一1 8 ．5 8 8 M P a ，见图3 。 整个模型位移垂直向下，位移从上部到下部依次减 小，最大位移从上部1 0 1 m i l l 到模型底部的1 l m i l l ，见 图4 。整个模型的安全率大于1 1 ．4 9 ，如图5 所示。 图3 最大主应力分布图 F i g ．3D i a g r a mo fm a x i m a mm a i ns t r e s sd i s t r i b u t i o n 该步骤无任何开挖充填过程，给所构建的模拟 施加自重力及构造应力，在整个模型中形成自重应 力场及构造应力场，为后续开挖及分析奠定基础。 该步上部位移较大，相当于模型在重力条件下的压 实过程和固结作用。 图4 垂直方向位移分布图 F i g ．4D i a g r a mo fv e r t i c a ld i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n 2 ．5 采空区稳定性分析 某矿现实开采过程中，采空区已经形成。所以 运用计算机模拟，应该将原有矿体开挖，使之形成采 空区。由模拟的结果可知，在采空区的上盘引起一 定的应力集中，最大压应力达1 1 ．6 4 3 M P a ，同时引起 万方数据 图5 安全幸分布囤 r 较大的扎应山，由{ 大选27 8 3 M n 怛没有超过上 箍嗣村帕抗拉强度，最大丰n 山分布址l q6 ，同样由 r 岩傩的玎挖．在采窄区的L 黜， I 起新的位移，垂直 位移最大为4 m m ，址人位移见蝌7 ，采宅ⅨI 盘的安 全牟均夫j - I5 ，远远 于临界状态时的l0 ，见图8 在采宅医的上盘只n2 2 4 0 m 和2 2 6 0 m 中段r 艘有一 定的螭性Ⅸm 现．见矧9 ，这々扦挖矿体及边界、拐角 处容易H { 现塑性厦有一定关系．所“从戊力、位移、安 全串及塑性Ⅸ等方卣分析_ I ；| I 认为采空区是稳定的。 ；辱、 圈6 采空区上盘最大主应力分布图 F 】 61 】．t Er 。I Ⅲlrm ．tx ⋯ m 1 ．1 l n 、lr fH } I rJ I - 【】⋯⋯J r 【1 ⋯‘n H l 】c J r 州 F i gRD 1 4 ⋯o r p h * a k t yr a t J of m I 『i I ’u I Ⅲ ∞6 2 固9 采空区上盘里岩塑性区分布图 F ％9 D i a g r a m I Ⅱw a I l ⅢEkp 1 8 } Ⅲz o “t d i tr l b u t en fg o h ⅢI o rw a l l 有所尘化．最大压应力反而降低为89 2 8 M I ～，而拉 鹿力有鞍太的增加，局部逃到42 9 7 川～，主坚出现 在2 2 4 0 m 中段和2 2 6 0 m 巾段之司，其他部他拉血力 值均小j ’2 ，也没有超过上盘阿岩的抗拉强度，主臆 力分啦蛆刚l O 同样由干岩体的扦挖，在采卒区的 l ’船引起新的位移分配，垂直化移增肌l 为5 r a m ，她 图I 】，强制放顶后采空区f 艘的安卡车仍然人于 I5 远远人于临界状态时的10 ，见图I2 ，这与强制 放现前没有尘化，这也畦驯r 强制放顶时空区顶饭 的稳定性影响不大n 采空K 的上盘H 在2 2 4 0 m 豢霹 图7 采空E 垂直方向位移分布图 7 i g r a m “Ⅳ IJ 帅i 【{ i I ’I ’㈦{ m fn I I l Ⅲr _ f _ _ j m 26 强制放丽后采空E 稳定性分析 率步骤娃拄州吐} l 要，K ，埘秉审R j 盘顾饭进 行强制艘顶从模拟坫粜町知，采宅| ，c _ 的l ’船J t 山 图l O 强制放] 页】页后采空区上盘 最大主应力分布图 】￡】f 】‘r ．T _ fr l t 】1x l I T 。d n l l t l “I ⋯tr I ，do _ tr _ b tJ l lJ l n rg 一，} ’“PJ ’⋯I l “f l ‘f rc I I 】r 】】r 【；l l _ l Ⅷ 藿一 篷 万方数据 第3 期陈赞成等某矿采空区稳定性三维有限元数值模拟 1 4 5 和2 2 6 0 m 中段上盘及2 2 8 0 m 上盘顶部有一定的塑 性区出现见图1 3 ，但范围较小，没有向周边发展的 趋势。所以综合应力、位移、安全率及塑性区等方面 的分析都认为该采空区是稳定的。 图1 1强制放顶后采空区上盘垂直 方向位移分布图 F i g ．11D i a g r a mo fg o bv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o na f t e rf o r c e dr o o fc a v i n g 图1 2 强制放顶后采空区上盘安全率分布图 F i g ．1 2 d i a g r a mo fg o bs a f e t yr a t i od i s t r i b u t i o n a f t e rf o r c e dr o o fc a v i n g 参考文献 图1 3强制放顶后采空区上盘塑性区分布图 F i g ．13D i a g r a mo fw a l lr o c kp l a s t i cz o n ed i s t r i b u t e o fg o bu p p e rw a l la f t e rf o r c e dr o o fc a v i n g 3 结论与建议 采用三维有限元对某矿采空区进行模拟，经过 对空区上盘位移、应力、塑性区及安全率的分析，论 证采空区上盘局部边界和拐角会出现一定的塑性 区，而整个上盘是趋于稳定的。在强制放顶后，出现 塑性区的部位与放顶前有所吻合，且应力、位移、安 全率也无较大变化，表明采空区顶板强制放顶对上 盘岩体的稳定性影响不大，放顶后空区上盘围岩继 续处于稳定性状态。 [ 1 ] 钟刚。韩方建．平水铜矿采空区稳定性数值分析[ J ] 金属矿山，2 0 0 4 ，3 8 1 0 - [ 2 ] 胡永泉．冶山铁矿北矿区下部矿体矿岩稳定性数值模拟[ J ] ．矿业快报，2 0 0 3 ，4 1 2 1 3 。3 1 3DF i n i t eE l e m e n tN u m e r i c a lS i m u l a t i o no nG o bS t a b i l i t yo fS o m eM i n e C H E NZ a n 。c h e n g ’，H O UK e - p e n 9 2 ，Y A N GB a - j i u 2 1 ．K e yL a bo fC h i n e s eM i n i s t r yo fE d u c a t i o nf o rH i g h e f f w i e n tM i n i n ga n dS a f e t y 矽M e t a lD e p o s i t ， U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i f i n g ，B e i f i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．F a c u l t yo fL a n dR e s o u r c eE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ．K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e dont h ei n v e s t i g a t i o no fm i n eg e o l o g i c a ld a t a ，s h a p eo fg o ba n dm e c h a n i cp a r a m e t e r so fr o c ka r o u n dt h e g o bo fs o m em i n e ，t h eg o bs t a b i l i t yi s s i m u l a t e db y3DF i n i t eE l e m e n tN u m e r i c a lS i m u l a t i o ns o f t w a r e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h eg o bi sa tt h er e l a t i v es t a b i l i z a t i o nc o n d i t i o nb e f o r et h eg o bd i s p o s a la n da f t e rf o r c e dr o o fc a v i n ga n dt h e g o bh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h es a f e t yo fm i n i n g ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；g o b ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t a b i l i t y ；u n d e r g r o u n dm i n i n g 万方数据