矿山围岩稳定性的数值模拟分析与研究

汪辉+++米春元

摘 要：结合唐山铁矿的施工过程，利用ANSYS有限元分析软件及有限差分软件FLAC3D 对铁矿围岩稳定性进行数值模拟研究，分析了铁矿围岩的应力、沉降及塑性区状况，评价了围岩破坏机理及稳定性。结果表明：隧道开挖后围岩产生了一定的塑性区破坏，且地表产生了一定的沉降。由于对该矿山进行了流固耦合数值模拟研究，从研究成果看隔水层有效的阻止了渗流，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，容易导致涌水事故。

关键词：铁矿；数值模拟；围岩稳定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟的图形能直观的看出变形情况。

1.1 概况

本文研究对象为大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200m，宽为矿体厚度，高100m，盘区内沿走向每隔100m设4m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向平均划分为4个采场，每个采场长48m。

目前关于耦合的研究较多，各有优势，本文根据流固耦合作用机制，采用FLAC3D 进行模拟与研究。

2 采矿设计

此次我们研究的地区是大贾庄矿区大贾庄矿段，它位于D46线以南、D38线以北的南北两端矿体，采用机械化盘区点柱式上向分层充填采矿方法。

阶段高度100m，在阶段内划分分段，分段高度自下而上依次为15m、20m、15m、15m、20m、15m，每个分段内划分为4～5个分层，每个分层高度4m，空顶距1.5m，采场净空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys软件建立了模型，并划分了网格，按照不同的岩土力学参数，划分不同的岩土介质组，再导入三维有限差分数值模拟软件FLAC3D中进行计算，以下为相关的图件。

4 计算结果的分析

4.1 位移场特征

由图4可以看出，开挖中间对称处位移最大，为25cm，而里对称线越远，位移越小，且两边对称，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。

4.2 应力场分布特征

图5、6、7、8是应力云图，由矿体开挖应力图（图5）可以看出，填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大，为40MPa；安全顶板下的采场开挖附近z方向应力最大值为20.0MPa；其他部分由上至下应力越来越大，是由于垂直方向重力不断增大，z方向应力也越来越大，底部采场间柱z方向应力最大值为35MPa（见图8）。y方向、x方向应力图见图6、7。

4.3 塑性区分布特征

由塑性网格划分图（图9）可以看出，第四系，矿体开挖区以及附近的围岩都出现了一定的塑性区，需适当加强间柱尺寸。

4.4 渗流矢量分布特征

由渗流矢量分布图（图10）可以看出，开挖产生的扰动使孔隙水发生渗流，图中流体矢量可发现，由于强、弱风化层形成的隔水层有效的防止了孔隙水渗流的发生，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，这个需要注意。

5 结论

（1）随着开挖位移的逐渐增大，矿体顶面位移最大，往两侧逐渐减少，开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为零。

（2）填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大。

（3）由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中。

参考文献

[1] 吉小明，王宇会，阳志元.隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟[J].岩土力学，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陈健云，李静.渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固藕合分析[J].防灾减灾工程学报，2008，28（4）：441- 446.

[3] 杨永香，刘泉声，焦玉勇.龙潭隧道的流固耦合分析[J].采矿与安全工程学报，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，张伟.裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望[J].水利与建筑工程学报，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李术才，陈卫忠，等.厦门海底隧道的流固耦合分析[J].岩土工程学报，2004，26（3）：397- 401.

作者简介：

第一作者：汪辉，男，（1990.10.15—），中国地质大学（武汉）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中国地质大学（武汉）endprint

摘 要：结合唐山铁矿的施工过程，利用ANSYS有限元分析软件及有限差分软件FLAC3D 对铁矿围岩稳定性进行数值模拟研究，分析了铁矿围岩的应力、沉降及塑性区状况，评价了围岩破坏机理及稳定性。结果表明：隧道开挖后围岩产生了一定的塑性区破坏，且地表产生了一定的沉降。由于对该矿山进行了流固耦合数值模拟研究，从研究成果看隔水层有效的阻止了渗流，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，容易导致涌水事故。

关键词：铁矿；数值模拟；围岩稳定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟的图形能直观的看出变形情况。

1.1 概况

本文研究对象为大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200m，宽为矿体厚度，高100m，盘区内沿走向每隔100m设4m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向平均划分为4个采场，每个采场长48m。

目前关于耦合的研究较多，各有优势，本文根据流固耦合作用机制，采用FLAC3D 进行模拟与研究。

2 采矿设计

此次我们研究的地区是大贾庄矿区大贾庄矿段，它位于D46线以南、D38线以北的南北两端矿体，采用机械化盘区点柱式上向分层充填采矿方法。

阶段高度100m，在阶段内划分分段，分段高度自下而上依次为15m、20m、15m、15m、20m、15m，每个分段内划分为4～5个分层，每个分层高度4m，空顶距1.5m，采场净空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys软件建立了模型，并划分了网格，按照不同的岩土力学参数，划分不同的岩土介质组，再导入三维有限差分数值模拟软件FLAC3D中进行计算，以下为相关的图件。

4 计算结果的分析

4.1 位移场特征

由图4可以看出，开挖中间对称处位移最大，为25cm，而里对称线越远，位移越小，且两边对称，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。

4.2 应力场分布特征

图5、6、7、8是应力云图，由矿体开挖应力图（图5）可以看出，填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大，为40MPa；安全顶板下的采场开挖附近z方向应力最大值为20.0MPa；其他部分由上至下应力越来越大，是由于垂直方向重力不断增大，z方向应力也越来越大，底部采场间柱z方向应力最大值为35MPa（见图8）。y方向、x方向应力图见图6、7。

4.3 塑性区分布特征

由塑性网格划分图（图9）可以看出，第四系，矿体开挖区以及附近的围岩都出现了一定的塑性区，需适当加强间柱尺寸。

4.4 渗流矢量分布特征

由渗流矢量分布图（图10）可以看出，开挖产生的扰动使孔隙水发生渗流，图中流体矢量可发现，由于强、弱风化层形成的隔水层有效的防止了孔隙水渗流的发生，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，这个需要注意。

5 结论

（1）随着开挖位移的逐渐增大，矿体顶面位移最大，往两侧逐渐减少，开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为零。

（2）填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大。

（3）由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中。

参考文献

[1] 吉小明，王宇会，阳志元.隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟[J].岩土力学，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陈健云，李静.渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固藕合分析[J].防灾减灾工程学报，2008，28（4）：441- 446.

[3] 杨永香，刘泉声，焦玉勇.龙潭隧道的流固耦合分析[J].采矿与安全工程学报，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，张伟.裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望[J].水利与建筑工程学报，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李术才，陈卫忠，等.厦门海底隧道的流固耦合分析[J].岩土工程学报，2004，26（3）：397- 401.

作者简介：

第一作者：汪辉，男，（1990.10.15—），中国地质大学（武汉）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中国地质大学（武汉）endprint

摘 要：结合唐山铁矿的施工过程，利用ANSYS有限元分析软件及有限差分软件FLAC3D 对铁矿围岩稳定性进行数值模拟研究，分析了铁矿围岩的应力、沉降及塑性区状况，评价了围岩破坏机理及稳定性。结果表明：隧道开挖后围岩产生了一定的塑性区破坏，且地表产生了一定的沉降。由于对该矿山进行了流固耦合数值模拟研究，从研究成果看隔水层有效的阻止了渗流，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，容易导致涌水事故。

关键词：铁矿；数值模拟；围岩稳定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟的图形能直观的看出变形情况。

1.1 概况

本文研究对象为大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200m，宽为矿体厚度，高100m，盘区内沿走向每隔100m设4m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向平均划分为4个采场，每个采场长48m。

目前关于耦合的研究较多，各有优势，本文根据流固耦合作用机制，采用FLAC3D 进行模拟与研究。

2 采矿设计

此次我们研究的地区是大贾庄矿区大贾庄矿段，它位于D46线以南、D38线以北的南北两端矿体，采用机械化盘区点柱式上向分层充填采矿方法。

阶段高度100m，在阶段内划分分段，分段高度自下而上依次为15m、20m、15m、15m、20m、15m，每个分段内划分为4～5个分层，每个分层高度4m，空顶距1.5m，采场净空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys软件建立了模型，并划分了网格，按照不同的岩土力学参数，划分不同的岩土介质组，再导入三维有限差分数值模拟软件FLAC3D中进行计算，以下为相关的图件。

4 计算结果的分析

4.1 位移场特征

由图4可以看出，开挖中间对称处位移最大，为25cm，而里对称线越远，位移越小，且两边对称，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。

4.2 应力场分布特征

图5、6、7、8是应力云图，由矿体开挖应力图（图5）可以看出，填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大，为40MPa；安全顶板下的采场开挖附近z方向应力最大值为20.0MPa；其他部分由上至下应力越来越大，是由于垂直方向重力不断增大，z方向应力也越来越大，底部采场间柱z方向应力最大值为35MPa（见图8）。y方向、x方向应力图见图6、7。

4.3 塑性区分布特征

由塑性网格划分图（图9）可以看出，第四系，矿体开挖区以及附近的围岩都出现了一定的塑性区，需适当加强间柱尺寸。

4.4 渗流矢量分布特征

由渗流矢量分布图（图10）可以看出，开挖产生的扰动使孔隙水发生渗流，图中流体矢量可发现，由于强、弱风化层形成的隔水层有效的防止了孔隙水渗流的发生，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，这个需要注意。

5 结论

（1）随着开挖位移的逐渐增大，矿体顶面位移最大，往两侧逐渐减少，开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为零。

（2）填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大。

（3）由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中。

参考文献

[1] 吉小明，王宇会，阳志元.隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟[J].岩土力学，2007，28（s）：379- 384.

[2] 李建波，陈健云，李静.渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固藕合分析[J].防灾减灾工程学报，2008，28（4）：441- 446.

[3] 杨永香，刘泉声，焦玉勇.龙潭隧道的流固耦合分析[J].采矿与安全工程学报，2006，23（3）：268- 291.

[4] ITASCAConsultingGroup Inc. FLAC3DUSE'S GUIDE[M].USA，2002.

[5] 刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 李地元，李夕兵，张伟.裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望[J].水利与建筑工程学报，2007，5（1）：1- 5.

[7] 李廷春，李术才，陈卫忠，等.厦门海底隧道的流固耦合分析[J].岩土工程学报，2004，26（3）：397- 401.

作者简介：

第一作者：汪辉，男，（1990.10.15—），中国地质大学（武汉）

第二作者：米春元，男，（1988.12.28—），中国地质大学（武汉）endprint