地下开采对山体边坡影响的数值模拟分析

黄 敏

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南长沙 410012)

地下开采对山体边坡影响的数值模拟分析

黄 敏1，2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南长沙 410012)

采用FLAC3D模拟在重力作用下矿体开挖对山体边坡的影响，研究表明，对山体边坡影响较大的区域位于17＃～20＃勘探线，对矿体影响较大的区域位于17＃～18＃勘探线，这与矿山生产现状基本吻合，表明在上部采场开采过程中应注意山体边坡的稳定性。

地下开采；边坡稳定性；数值模拟

0 工程概况

国内某铜矿矿体为多层、缓倾斜-倾斜、中厚-厚矿体,沿走向和倾向上矿体的产状和厚度变化很大,且厚大部分多靠近地表。针对矿体的不同产状,目前采矿方法主要为底盘漏斗空场法、房柱法和全面法等。该铜矿矿体为硫化矿,围岩以大理岩为主。按照设计要求分为上、下2个采场进行开采,3150标高以上为上部采场,3150标高以下为下部采场,采场勘探线剖面图如图1所示。经过多年的开采,山体边坡稳定性受到破坏,曾出现过较大的滑坡灾害。为真实地反映矿山地下开采对山体边坡所造成的影响,运用三维数值模拟软件进行模拟分析。

通过建立符合实际的三维模型,并采用FLAC3D数值模拟软件对开采过程进行数值模拟研究,模拟主要目的是分析矿体回采过程中山体边坡应力、位移分布演化及塑性区的发展过程。

图1 采场勘探线剖面

1 数值模型

在现场调查及提供的平、剖面图的基础上,建立数值计算模型,由于岩土工程问题的复杂性,数值模拟计算不可能考虑到所有因素,需要作一定简化,根据圣维南原理以及相关理论分析可知:模型范围的选择只需要重点考虑工程地质体区域轮廓线尺寸的2.5～3倍,开挖后产生的应力和位移对此范围之外的影响甚微,可忽略不计。最终建立好的FLAC3D单元体模型见图2,模型共划分不274590节点, 207840个单元,x方向长为600m；y方向为长为750 m；z方向为400 m,底部标高为3000 m,顶部标高为3400 m,建模范围为0＃勘探线至27＃勘探线,模拟在重力作用及矿体开挖过程中对山体边坡的影响。

图2 FLAC3D单元体模型

根据实际开采情况,整个模拟计算过程分为3 步:原始应力平衡阶段,该步骤无任何开挖充填过程,只施加自重应力场,先开挖下部采场,最后开挖上部采场。

计算区域边界采取位移约束,即模型底部所有节点采用x、y、z 3个方向约束,模型x方向的两端采用x方向约束,模型y方向的两端采用y方向约束。模型坡面为自由边界。约束后的模型见图1。数值计算只考虑重力作用,选取重力加速度为9.8 m/s2,方向垂直向下,选用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型,并赋材料力学参数(见表1)。

表1 材料力学参数

2 模拟计算与分析

通过模拟计算可知,在初始应力平衡状态下,模型中仅有自重应力场作用,主应力从上往下依次增大,主应力线呈水平状态,最大主应力-28.5 MPa,最小主应力0.653 MPa,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1.2 m到模型底部的1.5 cm。从位移矢量图来看(见图3),山体边坡坡面位移竖直向下,可知山体边坡处于稳定状态下。

图3 原始状态下13＃勘探线上位移矢量

由图4可以看出,下部采场开采以后,应力变化不大。山体边坡和矿体均发生了位移,最大位移8 cm,山体边坡最大位移位于16＃～20＃勘探线,矿体最大位移位于17＃～18＃勘探线。下部采场矿体开挖后,塑性区和原始状态相比,塑性区面积扩大,山体边坡和矿体均受到开挖扰动,其稳定性均有所降低。从位移矢量图上看(见图5),位移方向指向凌空面,说明山体受开挖扰动,出现了滑坡趋势,山体稳定性降低。

由图6可以看出,上部采场矿体开采以后,山体边坡和矿体位移继续增大,最大位移分别达到18 cm和14 cm,山体最大位移位于17＃～20＃勘探线,矿体最大位移位于17＃～18＃勘探线,与实际情况相符合。上部采场矿体开挖后,塑性区发生了变化,塑性区面积扩大,山体和矿体均受到开挖扰动,其稳定性均有所降低。从位移矢量图上看(见图6),位移方向指向凌空面,加之位移较大,山体出现了滑坡,这与实际开采情况基本一致。

图4 下部采场开挖后山体最大位移分布

图5 下部采场开挖后13＃勘探线位移矢量

图6 上部采场开挖后山体最大位移分布

3 结 论

采用FLAC3D数值模拟软件对矿段地下开采现状进行了再现模拟研究,从应力、位移和塑性区综合分析来看,开采至今,对山体影响较大的区域位于17＃～20＃勘探线,对矿体影响较大的区域位于17＃～18＃勘探线,这与矿山生产现状基本吻合。因此,在上部采场开采过程中应注意山体边坡的稳定性。

[1]邓红卫,朱和玲,周科平,等.基于FLAC3D数值模拟的前后处理优化研究[J].矿业研究与开发,2007,28(2):60-62.

[2]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电社出版社,2009.

[4]封凡忠,马云龙.FLAC3D技术在边坡稳定性分析上的应用[J].山西建筑,2010,36(26):97-98.

[5]李 博,杨志强,高 谦.深凹露天转地下开采对高陡边坡稳定性影响数值分析[J].矿业研究与开发,2015,35(2):65-68.

[6]刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例及应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[7]周伟永,饶运章,汪 弘,等.基于FLAC3D的采场稳固性数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2014,34(2):13-17.

2014-02-17)

黄 敏(1985-)，男，湖南长沙人，硕士，助理工程师，主要从事采矿技术及工程，Email:huangmin923923＠163. com。