金山店铁矿采区围岩及回填体稳定性数值模拟及分析.pdf

2 0 0 2年 1 2月 第 3 1 卷第 6期 有色矿 山 No n f e r r o u s M i n e s De c． ， 2 0 02 Vo 1 ． 31 NO． 6 金 山店铁矿采 区围岩及 回填体稳定性数值模拟及分析 姜 谙 男1 ，赵德 孝 ，鲁炳 强2 ，唐 国友2 1 ． 东北大学 ，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 ． 金 山店铁矿 ，湖北 黄 石 4 3 5 1 1 6 [ 关键 词 】F L A C； 差 分法 ；稳 定性 分析 [ 摘要】采用 F L AC对金山店铁矿 一2 0 0 m阶段西区回填体和采场围岩受力状况进行数值模拟， 分析 了其稳 定性， 为该矿确定矿床开采与采准巷道参数的选择提供了可靠的理论依据。该方案简单易行。 在处理矿山类似问 题时， 与传统的受力分析方法相比， 具有较大的优势。 [ 中图分类号】TD 6 7 9 [ 文献标识码】A [ 文章编号】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 6 0 0 0 6 0 3 Nu me r i c a l s i m u l a t i o n a n d a na l y s i s o f s u r r o u n di n g r o c ks a n d b a c k f i l l i n g s t a b i l i t y i n mi n i n g a r e a o f J i n s h a n d i a n I r o n M i n e J I ANG An n a n ，Z HAO De x i a o ，LU Bi n g q i a n g 2 ，TANG Gu o y o u 1 ． No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ，C h i n a； 2 ． J i n s h a n d i a n I r o n Mi n e ，Hu a n g s h i 4 3 5 1 1 6 ，C h i n a Ke y wo r ds FLAC；m e t h o d o f di f f e r e nc e；s t a b i l i t y a n a l y s i s Ab s t r a c t Th e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f wa l l r o c k a n d f i l l i n g f o r c e s i t u a t i o n i n J i n s h a n d i a n i r o n mi n e we s t r e g i o n 一 2 0 0m a r e c or r i e d o u t by FLAC s o f t a nd i t s s t a b i l i t y i s a n a l y s e d， wh i c h p r o v i d e s r e l i a b l e t h e o r y f ou n d a t i o n t o s e l e c t h a u l a g e p a r a me t e r s o f mi n i n g a n d mi n i n g p r e p a r a t i o n．Th e p r o j e c t i s s i mp l e a n d f e a s i b i l i t y ，wh i c h h a s a d v a n t a ge c o m p a r i ng wi t h c o nv e n t i o na l a na l yz i n g me t h o d i n d e a l wi t h a n a l o go u s p r ob l e m o f mi n e． 1 F L AC概述 F L AC F a s t L a g r a n g i a n An a l y s i s o f C o n t i n u a 。 连 续介质快速拉格朗 日分析 软件是 围岩 稳定性 分析 常用的软件之一， 适用于解 大变形非线性 的岩土力 学的问题 。F L AC程序可以模拟不同加载条件下的 地应力场生成、 边坡或地 下硐室开挖 、 混凝土衬砌 、 锚杆或锚索设置、 地下渗流等。 F L AC程序采用 的是快 速拉格 朗 日方法 ， 它基 于显式差分法来求解运动方程和动力方程。程序将 计算区域 内的介 质划分为若 干个 二维单元， 单元之 间用节点相互连接。对某一个 节点施加荷载之后， [ 收稿 日期 】2 0 0 2 0 7 1 5 [ 修订 日期 】2 0 0 2 0 9 2 3 [ 作者 简介 】姜谙 男 1 9 7 1一 ， 男， 山东烟 台人。东 北大 学 资源 与土木 工程学 院， 在读 博 士 。研究方 向 矿 山系统 工 程 和岩石力学 。 该节点的运动方程可以写成时间步长 △￡的有限差 分形式。 在某个微 小的时段 内， 作用于该节点的荷载 只对周 围的若干节点 例如相邻节点 有影响。根据 单元节点的速度变化和 时段 △￡ ， 程序可求 出单元之 间的相对位移， 进而可以求 出单元应变 ； 根据单元材 料的本构方 程即 可求 出单元应 力。随着 时段 的增 长， 这 一过 程 将扩 展 到整 个 计算 范 围， 直到 边界。 F L A C程序将计算单 元之 间的不平衡力， 将此不平 衡力重新加到各节点上， 再进行下一步的迭代运算， 直到不平衡力足够小或者各节点的位移趋于平衡为 图 1 F L A C程序 中的计算循环示 意图 维普资讯 第 6期 姜谙男等 金山店铁矿采区围岩及 回填体稳定性数值模拟及分析 7 止。图 1为 F L A C程序的计算循环示意图。 2 西 区 一2 0 0 m 开采模型的建立及数 值模拟 从岩石力学 角度， 对金 山店铁矿张 福山． 矿床前 进式开采方式的可行性及工 艺参数进行验证 ， 找 出 薄弱环节 以进行重点保护 ， 对该矿 的正常生产具有 至关重要 的意义。为此， 采用 F L AC软件对采场矿 岩进行数值模拟， 并分析其稳定性。数值模拟时， 必 须先建立一个尽可能反映研究对象真实力学特征的 模型， 设 定准确的边界条件， 并将数值模拟 的计算结 果结合现场实际因素进行分析， 从而指导工程实践。 采场 围岩稳定性研究是 一个 比较复杂 的问题 ， 由于 矿块布置及地质结构 不同， 造 成了围岩应力分布 的 多样性和复杂性 ， 给模 型的建立带来 困难。在模型 建立的过程中， 既要将模型简化， 又要力求使模型较 全面反映研 究对象 的 力学特 征。金 山店铁矿 西 区 一 、二 、 三采区 一1 3 0 m 阶段以上矿体 已采完， 目前正 在 一2 0 0 m 阶段进行开采 ， 根据生产计 划安排， 西 区 一 2 0 0 m 以上的矿 体在 2 0 0 2年采完． 采空区逐渐 用 回填废石充满。从 2 0 0 2年开始， 西区在 一2 0 0 m 水 平以下进行作业。先根据上述区域情况划分单元网 络 ， 然后结合所研究 区域 内的各种矿岩的分布及物 理力学性质来设定有关单元格的力学性质。计算所 用的有关 岩石的物理力学参数见表 1 。在生产的过 程中， 矿体围岩及采 空区 回填废石的松散体 的应力 将会发生变化， 这些变化对 其围岩稳定性造成极大 的影响， 可运用 F L A C软 件对其进行随 时间变 化的 追踪分析。 表 1 研究涉 及的矿岩 物理力学参 数表 在 F L AC软件模拟过程 中， 软件 自动追踪模型 中的每个点的状 态变化， 并对每个 点的应力状态进 行记录， 计算结束后 ， 自动 生成应力等值 线分 布图， 显示模型中的应力分布状况 ， 为直 观分析和推断受 力状况提供基础。在 f l a c 编译 环境下运行所编制 的 程序 ， 可 以得到开挖 后的模块 和 嬲 方 向、 Y Y方 向、 x y方向的应力分布 图及最大主应 力和 最小主应力 分布图。其中， Y Y方 向和 x y方 向等值线 充填 图如 图 2和 图 3所示。 图 2 Y Y方向应力等值线充填图 3 脆性拉伸与剪切破坏分析 数值模拟结果显示， 在采场顶部底板 中央有拉 图 3 x y方向应力等值线充填图 应力集中现象， 如果围岩发生拉伸破坏 ， 由此处引发 回采进路变形破坏 的可能性最大 。从 F L A C形成的 应力等值线图中不难 看出， 应力集 中分 布在空 区两 帮以及顶部底板与 两帮的交汇处， 其最大 值为压应 力 ； 由于 回填松散介质本身的不均匀性 ， 以及 回填松 散介质与坚硬 围岩 交汇处的材料性 质变 化， 在这些 地方形成 了较大 的应力集 中区。所以， 围岩可 能在 两帮及顶部底板 与两帮交汇处发 生剪切破坏， 从 而 可能导致整个矿块 四周围岩 的冒落。这与常规的定 性分析方法得到的结论是吻合的。 为能 够更准 确地研 究矿块 采空 区围岩 的稳 定 性 ， 判断顶部底板是 否会发 生拉伸破坏及 围岩是否 维普资讯 8 有 色 矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 会发生剪切破坏 ， 在 已经分 析出的应 力集中 区里取 几个关键部位的单 元格进行监 测， 考察单 元格的应 力状态， 共取 1 0个 测点， 均 分布在采 空区顶部底板 与两 帮交汇的部位 以及采空 区顶 部底 板 中央。 测点 的单元格位置 见表 2 ， 测点 的应 力值 由 F L AC计算 得 到 。 表 2 各监 测单元 格应力及 剪切强 度表 注 测点 5 、 6位于顶邵底 板中央。 应用莫 尔强 度理论计 算各单元格的抗剪强度， 并与实际的剪应力进行 比较 ， 来分 析围岩是否在应 力集 中部位发生剪切破坏 ， 从而 判断围岩的稳定程 度。如 已知作用在某一个水平面上的正应力和剪应 力， 便可根据该岩石 的强度 曲线判 断能否沿该平面 发生剪切破坏 。如果 反映该平 面的正应 力 、 剪应 力 r的点落在强度 曲线上 ， 则反映刚好处于极限状 态。如果反映该平面应 力状态的点， 落在强度 曲线 之内， 则表示不会沿该面发生剪切破坏 。反之 ， 落在 强度 曲线之外 ， 则会沿该面发 生剪切破坏 。应用莫 尔强 度理论对空区围岩关键点是否会发生剪切破坏 检验 。其部分公式如下 r c C t g 1 式 中 r ， 岩石的抗剪强度 ； C 岩石的凝聚力 ； 单元格的主应力 ； 岩石的内摩擦 角； 0 { 詈 2 叶 二 式中 剪切面与最小主应力之 间的夹角 ； C C 0 ． 1 1 4 e 一 。 。 - 2 0 ． 0 2 3 式中 C 单元格的岩体抗剪强度 ； C 单元格的岩石抗剪强度。 将由 F L AC算 出的关键单元格的应力值和岩石 物理力学参数带入有关 公式进行计算 ， 得到单元格 的剪切应力值和单 元格的岩石抗 剪强 度， 然后根据 公式 3 格吉公式 将岩石强度换算成岩体强度， 列 于表 2中， 其 中 0根据式 2 应取 5 8 ． 5 0 ， 公式 3 中 的 i 取 2 。再计 算出顶部底 板 回填体 的抗拉强 度。 应力状态 1 、 3 与抗拉 、 抗压强度 的关系式如下 一 f ⋯ S ￡ 一 1 f 2 1 ／ 2 一f 式 中 S 抗剪强度 ； S 抗拉强度 ； f t g 。 计算 的结果和有关 的数据 见表 2 。根据对该表 数据 的分析可知 各单元格 的剪应 力远小于单元格 的岩体抗剪强度， 故 不会发生剪切破坏 。顶部底板 的拉应力 比岩石的抗 拉强度小得 多， 但是 因为地表 回填废 石为松散介质， 其抗拉强度近似为零， 故采场 顶部底板中部应为重点保护 区域。 4 结论 数值 模拟 结果的准确与否， 关键取决于模型 的 建立 网格划分 ， 参数赋值 和边界条件 的设 定。由 于本研 究只考虑 了重 力场存在， 并 且为便于建模亦 对复杂 的围岩和 回填 体作了适 当的简化处理。 所 以 与实际的岩体性质有一定的差别。但对于本研究的 要求而言， 其结果精 度 已具有足够 的可靠性 。借助 F L AC软件对 该采场 围岩稳定性 分析得 出的结论， 对该矿确定合理 的开采顺 序和进行采准工程的布置 具有指导意义。采用 F L AC软件 。 对矿床开采及岩 土工程等力学问题进行数值模拟， 具有经济实用、 方 便快捷 的优点。 为矿 山开 采过 程应力状态追踪及采 空 区形成过程应力状况 的分析提供一种有效手段 。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 朱建明， 徐秉业， 朱 峰等． F L A C有限差分程序及其 在矿 山工程 中应用 [ J ] ． 中国矿 业， 2 0 0 0 ， 4 ． [ 2 ] 梁海波 ， 李仲 奎 ， 谷 兆 祺 ． F L A C程 序及 其 在 我 国水 电 工程 中的应用 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 1 9 9 6 ， 9 ． [ 3 ] C o e t z e e ， H a r t ．Va r o n a e t C u n d a l l F l a c B a s i ，I T A S C A C on s u l t i n g Gr o u p ， I n c ． 1 9 9 3． 维普资讯