基于FLAC3D的采空区变形及充填模拟

郦　霞　蒋仲安　陈举师

(北京科技大学土木与环境工程学院)



基于FLAC3D的采空区变形及充填模拟

郦霞蒋仲安陈举师

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要利用FLAC3D软件，模拟了西石门铁矿中深部开采后采空区的变形及充填效果。通过分析模拟结果，得出采空区形变规律以及充填后的变形改善效果，以此选择了合理的采空区充填方案，为空区的稳定性评价和治理提供了科学依据。

关键词采空区FLAC3D数值模拟充填效果

地下矿体在开采中应力平衡被打破，当顶板和底板的应力超出其强度极限就会产生形变和移动，直至垮落塌陷[1-2]。为了能持续安全地回收矿产资源，需对规模较大的矿山空区进行采场应力应变分布规律分析，以选择合理的充填方案。由于采空区地应力和应力、应变之间的复杂关系，用解析方法确定顶板安全厚度、矿柱几何尺寸难度大且不可靠[3-4]，而数值模拟法可有效地避免和克服了这一难题。本文利用FLAC3D软件,模拟了西石门铁矿采空区的稳定性，确定采空区应力应变分布规律，并分析了充填后的效果。

1西石门铁矿采空区现状

1.1工程概况

西石门铁矿位于河北省武安市境内，矿床埋藏较深且形态复杂，按自然赋存位置划分为中、南、北三区，各区段的采矿方法有所区别。中区0 m水平以下矿体厚度为5～10 m，最大处为25 m厚，走向长约465 m，沿倾向延伸最大175 m，赋存标高为-75～0 m，矿体厚度变化较大，矿岩均不稳固。圈定的塌陷区包含村庄，如欲保护地表村庄，根据岩石力学分析，需留矿柱矿量达60%以上，大大减少了可采矿量，矿山服务年限大大缩短，因此，0 m以下均使用充填法回采。

1.2采空区特征

西石门铁矿矿体多以块状构造及稠密浸染状构造为主，稳定性相对较好，但矿体下部或变薄分叉时，矽卡岩矿物增多，稳定性较差。采空区顶板以灰岩为主，底板以矽卡岩及闪长岩为主，其中矽卡岩的稳定性较差。

西石门铁矿中区岩体点荷载强度测试结果显示，空区顶板稳定的灰岩属碎裂结构，稳定性稍差；底板闪长岩属块状结构，稳定性一般，而矽卡岩则属松散结构，不稳定，是造成工程失稳、引起频繁地压活动的主要原因[5]。岩石力学参数如表1所示。

表1　岩石力学参数

2采空区变形模拟

根据中区0 m以下矿体产状，在垂直标高上从下向上回采，分段高度10 m，将-60 m分段作为首采分段，-40，-70 m为运输水平。采用点柱式上向分层充填采矿法采矿，沿矿体走向划分4个盘区。盘区长99 m，矿体水平厚度为宽度，每个盘区内沿矿体走向分3个采场，采场长33 m，宽为矿体的水平厚度。在采场中沿矿体走向按11 m间距布置永久损失的规则矿柱(点柱)，尺寸为4 m×4 m。采场布置如图1所示。

图1　采场布置(单位：m)

2.1采空区模型

根据中区采空区实际情况，运用FLAC3D建立几何模型(见图2)，模型的单元类型全部采用八节点六面体实体单元，每个节点含X、Y、Z方向3个自由度。

图2　中区采空区几何模型

为保证单元形状整齐而不产生畸形，选择均布网格，该模型计算范围465 m×175 m×75 m，单个网格最小跨度1 m，共计15 000个单元体，选用库伦-摩尔模型，力学参数参考表1。

2.2边界和开挖

根据西石门中区采空区资料，给固定模型X方向两端及Y方向底部[6-7]赋原始地应力参数，对矿体单元体施加NULL材料模拟开挖过程，并允许应力重新分布。针对中区采空区特点，通过控制变量法，按不同开采长度、纵向深度、厚度开挖进行模拟[8]。

在没有回采状态下，使位移和速度在重力状态下归零，按开采顺序进行模拟，并记录采空区变形情况。

2.3结果分析

采空区应力和位移等值线见图3～图4，结合数值模拟结果及矿区地质条件和采空区开采状况，对采空区形变进行综合分析。

图3　中区采空区位移等值线云图

据图3所示，随着X、Y方向的开挖，采空区形变范围明显增大，X方向整体位移变化为蝶状，相对于开挖中心，水平位移两侧对称但方向相反，位移在矿柱与矿体交接处最大，达到27.3 cm；同样的，随着X、Y方向开挖进度的变化，Z方向位移形变区域明显增大，整体呈碗状，且形变区域内分段密度明显增多，竖直方向位移在底板和顶板中心处较为集中，并且向两侧衰减，最大位移达到46.4 cm。

X方向应力及Z方向应力云图见图4。从图4可以看出，位移与应力变化的关系及X与Z方向的受力情况，X方向应力集中分布在矿柱与顶板衔接处并呈两侧对称，受力整体向上凸起，最大处应力为9.31 MPa。

此时Z方向应力在一定开采范围内与自重应力规律基本相同，增率与各分层岩体重度成正比，整体呈凹型变化，超出该范围后，Z方向应力集中在矿柱中心处，应力最大值为12.24 MPa，顶板与底板受力明显较大。

3充填效果模拟

结合工程实际，选择隔一采一的充填方式，即每个盘区中一个采场采矿，一个充填一个采准，第一个采场采后即进行充填，采矿与充填交替进行。

图4　中区采空区应力云图

根据充填后位移云图(图5)可以看出，采用该方案充填之后，X方向形变区域虽无明显变化，但该区域内的形变已经相当小，基本趋于一致，整体仍呈蝶状对称，中心处基本为零，最大区域仍集中在点柱附近，充填工作面内的位移也集中在点柱上，但此时位移减小到14.6 cm，充填工作面内中心位移相对较小，两侧较大，相对于未充填时位移明显减小，Z方向各分区面积明显增大，但形变显著减小，整体仍呈茧形辐射状对称，从中心向两侧对称衰减，同时远离Z方向原点，但位移最大仍在底板和顶板处，为29.8 cm。充填后工作面内的位移也由两壁与周围岩体连接，整体较为集中，且同样明显减小。

图5　充填后位移等值线云图

图6　充填后应力等值线云图

充填后应力云图见图6。从图6可以看出，采用该方案充填后，X方向应力区域虽无明显缩小，但该区域内的应力分级明显变密，工作面周围应力显著减小基本趋于整体化，整体应力分布呈驼峰状，中心处集中受力并向两侧递减，应力最大区域仍集中在工作面顶板和底板处，达到7.44 MPa，工作面内的应力明显减小，与被充填工作面周围岩体受力大小十分接近，与原未充填时相比，该工作面受力变化十分显著。

此时Z方向应力区域虽无明显缩小，但该区域内的应力分级有所减少，工作面周围应力有所减小，尤其体现在工作面矿柱和底板周围处，整体应力分布呈凹型对称，点柱处集中受力并分别向两侧递减，应力最大区域仍集中在工作面顶板底板及中心处，最大处10.84 MPa同时底板向上隆起，顶板向下塌陷，工作面内的应力有所减小，与被充填工作面周围岩体受力形成整体，相对于原未充填的该工作面而言，受力变化十分明显。

4结论

通过FLAC3D数值模拟的结果可以看出，西石门铁矿中区采场回采后，空区处于基本稳定状态。一旦有外力干扰或者暴露时间过长，中区采场矿柱因集中受力易产生大变形，而使采空区塌陷。

通过建立有限差分模型，模拟了采空区尺寸对其变形的影响，结果表明，当开采厚度及宽度增加时，采空区变形区域增大，空区水平和竖直方向位移值显著增大，反映在矿柱上的受力变化十分明显。针对该矿中区的模拟显示，采空区位移形变值在充填之后减小，隔一采一的充填方式对采空区形变控制效果显著。

参考文献

[1]李想，朱为民，谢晓斌.FLAC3D在某铁矿采空区稳定性分析中的应用[J].中国矿山工程，2012，41(1)：25-29.

[2]李培现，谭志祥，王磊，等.FLAC在老采空区地基稳定性评价中的应用研究[J].煤矿安全，2009，40(10)：11-14.

[3]王海峰.基于FLAC的采空区地表变形及充填效果模拟分析[D].北京:中国地质大学，2011.

[4]叶昀，蒋仲安，俞杨明，等.西石门铁矿深部巷道支护参数的优化设计[J].矿业工程，2014，12(2):43-45.

[5]吴启红，唐佳，杨有莲.某矿山多层采空区群稳定性的FLAC3D数值分析[J].矿冶工程，2011，31(6):13-16.

[6]王伟东，曲华，张培鹏，等.充填采煤法控制地表下沉数值模拟[J].煤矿安全，2014，45(10)：181-183，186.

[7]陈平.大冶垴窖铁矿的采场数值模拟及采空区塌陷预测[D].武汉：武汉科技大学，2011.

[8]武崇福，刘东彦，方志.FLAC3D在采空区稳定性分析中的应用[J].河南理工大学学报：自然科学版，2007，26(2):136-140.

(收稿日期2015-10-09)

Simulation of Deformation and Filling of Goaf Based on FLAC3D

Li XiaJiang ZhonganChen Jushi

(School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing)

AbstractThe deformation and filling effects of the goaf in Xishimen iron mine is simulated based on FLAC3Dsoftware,the deformation regularity and deformation improvement effects are obtained. Based on analyzing above research results, the reasonable filling scheme can be selected to provide the scientific basis for the evaluation of goaf stability and treatment.

KeywordsGoaf, FLAC3D, Numerical simulation, Filling effect

郦霞(1990—)，女，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。