采矿方法对地表影响的数值模拟预测研究.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南冶金 YUNNAN MET ALL URGY J u n ．2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u r a 2 2 2 采矿方法对地表影 响的数值模拟预测研究 成建 ，康永红 ，吴 东 昆明冶金研究院 ，云南昆明6 5 0 0 3 1 摘要采用对岩体介质材料有很好适应性 的 F L A C 3 D三维有限差分 软件模拟计算用不 同采 矿方 法开 采矿 体 过程中地表沉降量 ，进而通过 比较选取最为合适 的采矿方法 ，尽量确保地 表建筑物的安全。 关键词采矿方法；地表沉降；数值模拟；有限差分 ；F L A C 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 - - 0 3 0 8 2 0 1 0 0 3 - 0 0 0 6 - 0 3 St u d y o n Fo r e c a s t i n g t h e Effe c t o f Di ffe r e n t M i n i ng M e t h o d s o n Gr o u nd S u rfa c e b y Nu me r i c a l Si mu l a t i o n C HE NG J i a n ， K ANG Yo n g h o n g，W U Do n g K u n mi n g Me t a l l u r g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ，K u n m i n g ，Y u n n a n 6 5 0 0 3 1 ，C h i n a ABSTRACT T h e s e t t l e me n t o f g r o u n d s u r f a c e d u rin g t h e o r e e x t r a c t i o n wit h d i f f e r e n t mi n i n g me t h o ds c o u l d b e c a l c u l a t e d wi t h t h e F L AC s o f t wa l o f t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e d i ff e r e n c e s i mu l a t i o n s ， wh i c h ma i n t a i n s g o o d a d a p t a b i l i t y t o ma t e r i a l s o f t h e o r e b o d y ． T h e n 。 a f t e r c o mp a r i s o n， t h e mo s t a p p r o p ri a t e mi n i n g me t h o d wa s s e le c t e d， a n d t h e s afe t y o f t h e s t r u c t u res o n t h e g r o u n d s u r f a c e was e n s u red as mu c h as p o s s i b l e ． KEY W ORDSmi n i n g me t h od ；g r o u n d s u i f a c e s e t t l e me n t ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；fi n i t e d i ff e ren c e ；FL AC ‘ 地下矿体的开采必产生次生应力场并引起岩体 中的应力重新分布，使原岩应力的平衡状态遭到破 坏。当采空 区暴露面积达到一定范围后 ，如果采取 的治理措施不当，其破坏和冒落影响到顶板岩层的 整体稳定性并波及到地表 ，会出现地表移动和不均 匀沉降，甚至在地表出现不同规模的塌陷坑 ，威胁 地表建筑物的安全。采用 不 同的采矿方法开采矿 体，对采空区的稳定性有很大的影响。因此 ，预测 矿体开采对地表建筑物的破坏程度 以及选取恰 当的 采矿方法显得尤为关键 。 1 F L A C 如软件的简介 现代岩石力学数值模拟仿真分析具有费用 比物 理模型低 ，且 能 预测 回采过程 的地压 活动 规律、 空区稳定性状态及对地表沉降量进行定量计算等优 6 收稿 日期 2 0 1 0 - -0 2 - - 0 3 作者简介 成建 1 9 8 1 一 ，男 ，湖北咸宁人 ，助理工程师。 点，已广泛应用于采矿及地下工程 的研 究和设计 中。虽然数值模拟方法至今仍未达到十分完善的地 步，但毫无疑问 ，数值模拟方法为岩土工程和采矿 工程的岩石力学研究提供 了强有力的工具。 F L A C 软件采用 拉格朗 日算法 ，它将计算 区 域划分为若干四面体单元 ，每个单元在给定的边界 条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单 元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格 可以随着材料 的变形而变形。这种算法非常适合于 模拟大变形问题。三维快速拉格朗t 3 分析采用了显 式有限差分格式来求解场的控制微分方程 ，并应用 了混合单元离散模型 ，可 以准确地 模拟材料的屈 服 、塑性流动、软化直至大变形 ，尤其在材料的弹 塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域具 有其独到的优点⋯。 成建 ，等采矿方法对地表影响的数值模 拟预测研究 2 模 型的建立 由于 F L A C 软件在模型建立 以及单元网格划 分等前处理问题上存在不足，造成了其建模 的不便 性，特别是对于受采动影响下地质结构复杂的矿 山 工程建模及划分网格非常不便 。因此 ，借助建模与 网格划分功能强大的 A N S Y S软件进行建模 ，参照 文献⋯根据对 F L A C 如与 A N S Y S单元数据关系的分 析，利用 V i s u a l B a s i c 语言编写 的 F L A C 一A N S Y S 接 口程 序 包 ，通 过 接 口程 序 数 据 转 化 来 实 现 F L A C 如模型的 自动生成 J ，本文以某铁铜矿为例 ， 选取一个典型剖面 2 1 5线剖面见图 1 进行 了计 算与分析，建立的模型如图2 。 注 l j叠系 中统月山组三段 ，2 一三叠系 中统月山组二段 3 一矿体 ，4 一 闪长岩 图 1 2 1 5线矿体剖面 图 F i g ．1 Or e b o d y pr o fil e o f No ． 21 5 l i n e 计算模型在 A N S Y S中完成 ，网格划分后保存 单元和节 点几何 信息 ，然后通 过接 口程序转 化为 F L A C 。 的前处 理数据 格式。整个 模 型 由四面体 、 五面体和六面体混合 网格单元组成 ，并按实际材料 性质及先后开挖顺序进行分组 。 3 物理力学参数的选取 岩石的性质及岩体结构是影响和决定岩体稳定 性 的物质基础，数值计算分析问题能否获得符合实 际的结果 ，首先取决于力学参数的合理性。根据该 矿山做的地质详查报告 ，选取矿岩的物理力学参数 见 表 1 。 图 2 2 1 5线计算模型 Fi g ． 2 Ca l c u l a t i o n mo d e l o f No ． 21 5 l i ne 表 1 矿岩物理力学参数 Ta b ．1 Th e p hy s i c a l a nd me c ha n i c a l pa r a me t e r s o f o r e a nd r o c k s F L A C 。 使用的弹性常量 为体积模量 K和剪切 模量 G，它与杨氏模量 E及泊松 比 之间的转化关 系如下 K 志 1 G 2 4 计算结果及分析 本文对空场法、嗣后充填法和充填法三种不同 采矿方法进行了模拟计算 ，计算得到的位移等值云 7 2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南 冶金 YUNN AN METAL L URGY J u n．2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u m 2 2 2 图和等值线图分别见图 3至图 7 。 图 3 空场法回采结束后位移等值云 图 F i g ．3 Equ i va l e n t di s pl a c e me n t n e p h o g r a m a f t e r o pe n s t o p i ng X m I 图 4空场法回采结束后位移等值线 图 Fi g ． 4 Eq ui v a l e n t d i s p l a c e me n t l i n e g r a p h a f t e r o pe n s t o p i ng 图 5 空场采矿嗣后 充填回采结束后位移等值云图 Fi g ． 5 Equ i v a l e n t d i s p l a c e me n t ne p ho g r a m a f t e r o p e n s t o p i n g f o l l o we d b y f i l l i n g s t o pi ng 图 6 充填法回采结束后位移等值云 图 F i g ． 6 Eq u i v a l e n t di s pl a c e me n t n e p ho g r a m aft e r fil l i n g s t o p i ng 8 DI s t c r a m X 图 7 充填法 回采结束后位移等值线图 F i g ．7 Equ i v a l e nt di s pl a c e me n t l i n eg r a p h a f ter f i l l i ng s t o pi n g 下转第 l 6页 棚 舢 蛐 姗 撇 撇 鳓 帅 孝 ；瑚 2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南冶金 YUNNAN MET ALL URGY J u n ． 2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u m 2 2 2 成为我国选矿企业 深化改革和技术改造 的必 由之 路。现在已有不少选矿企业正在对现有 自动控制系 统进行改造 ，不少大型企业已实现 了部分综合 自动 化。然而就我国选矿工业的自动化水平而言 ，我国 与国际先进水平相 比较还相对落后。面对 2 1 世纪 13 趋激烈的经济竞争态势 ，实现选矿过程 的综合 自 动化 已势在 必行 。 参考文献 [ 1 ]张晓东 ，等．排 山楼金矿选矿 厂综合 自动化系统 [ J ] ．冶金 自动化 ，1 9 9 9 ， 6 2 9 - 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