基于FLAC3D的大冶铁矿矿柱回采过程静力分析*

周德红

(武汉工程大学 资源与土木工程学院)



基于FLAC3D的大冶铁矿矿柱回采过程静力分析*

周德红

(武汉工程大学 资源与土木工程学院)

摘要以大冶铁矿矿柱回采过程为例，采用动力有限元法对其在动力扰动下的响应静力特征进行分析，选取压力20，30，40 MPa，采用FLAC3D对其荷载进行数值模拟分析。结果表明，矿柱模型在不同荷载下，竖向应力分布极不均匀，应力水平较高区域主要集中于模型底部，随着荷载的增大，矿柱中的竖向应力逐渐增大，矿柱底部出现明显应力集中现象；并且在3种荷载时，矿柱模型均未出现塑性区，在40 MPa竖向静荷载作用下，矿柱稳定性较好。

关键词矿柱竖向应力塑性区FLAC3D采空区

矿山采空区中任一矿柱的失稳都会导致其上部大规模采空区群的失稳，最终形成多米诺骨牌式的连锁坍塌。为了认识矿山采空区群的整体稳定性，研究承受高应力下的矿柱对动力扰动的响应有着十分重要的意义[1-3]。本文以大冶铁矿采空区矿柱作为研究对象，运用动力有限元法对其在动力扰动下的响应静力特征进行模拟分析，为矿柱回采工作提供技术依据。

1工程概况

大冶铁矿位于湖北省黄石市铁山区境内，为低山-丘陵组成的山丘-盆地地形；山脉走向NWW，与构造线走向一致；地势北高南低，低山与丘陵之间走向为NWW—SEE。铁门坎采区浅部矿体于1984年7月结束露天开采，坑底标高为-36 m。-36 m以下及挂帮矿转为地下开采。该矿区地下开采阶段高60 m，分段高12 m，采用无底柱分段崩落法开采。到2005年底，-62 m分段及以上分段已开采完毕。

-62～-50 m区段充填有大量黄泥，黄泥下泄会影响下分段采矿，对-62 m分段底柱与点柱不予开采，故不作统计。其他分段统计矿柱见表1。可知，铁门坎采区-50～-110 m区段顶底柱占84.5%，点柱占15.5%，残留矿柱约77 677 m3，矿石按4.12 t/m3计算，资源储量为32万t。从安全回采来看，-110 m 分段底柱列入下区段回收较妥，故本区段可回收矿柱约63 217 m3，资源储量为26万t。

表1　矿柱统计

2数值模型建立

根据前人研究的大冶铁矿岩体物理力学参数[4-9]，结合工程实践经验，围岩和矿体物理力学参数取值见表2。

表2　材料物理力学参数

选取直径3 m、高12 m的竖直圆形矿柱进行计算模拟分析。为了模拟竖直方向的地应力，模型上边界施加一竖直方向的静载，下边界施加位移约束。在模型上边界施加一动力荷载以考察动力扰动对矿柱的影响。圆形矿柱的静力、动力模型和计算网格分别见图1、图2。

3模拟计算方案

首先，为了考察矿柱的承载能力，计算当高径比为4∶1时，矿柱在不同静压力下的应力和变形情况。基于此，为了进行静力扰动分析，在矿柱模型的顶端

图1　矿柱模型

图2　数值模拟网格划分模型

施加一应力波荷载。计算时间取0.1 s，周期为0.01 s，采用如图3所示的正弦脉冲分布荷载。当扰动应力波的峰值分别取Pmax=10，20，30 MPa时，计算分析静载对矿柱的影响。

图3　应力波时程曲线

4矿柱静力模拟结果及分析

根据工程地质，利用FLAC3D强大的后处理功能[10-15]，对大冶铁矿矿柱回采过程静力分布模拟。不同上覆荷载下矿柱的竖向应力和塑性区分布见图4、图5。

从图4可以看出，P=20 MPa时，模型竖向应力最大值为24.15 MPa；P=30 MPa时，模型竖向应力最大值为36.23 MPa；P=40 MPa时，模型竖向应力最大值为48.3 MPa。竖向应力分布极不均匀，应力水平较高区域主要集中于模型底部。随着荷载的增大，矿柱中的竖向应力逐渐增大，且矿柱底部出现明显的应力集中现象。

从图5可以看出，P=20，30，40 MPa时，矿柱模型均未出现塑性区，在40 MPa的竖向静荷载作用下，矿柱稳定性较好。

图4　不同荷载下矿柱竖向应力分布

图5　不同荷载下矿柱塑性区分布

5结语

以大冶铁矿采空区矿柱作为研究对象，设计了数值模拟方案，采用动力有限元法综合分析采空区矿柱在动力扰动下的响应静力特征。在20,30,40 MPa荷载下，矿柱模型均未出现塑性区，竖向应力分布极不均匀，应力水平较高区域主要集中在模型底部，随着荷载增大，矿柱中的竖向应力逐渐增大，并且在40 MPa时矿柱稳定性较好。分析结果为认识采空区矿柱的力学规律和防护破坏提供了理论依据。

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(收稿日期2015-11-10)

*2015年安全生产重大事故防治关键技术科技项目(编号：hubei-0008-2015AQ)；湖北省教育厅2014年度高校青年教师深入企业行动计划项目(编号：XD2014132)；武汉工程大学2014年研究生教育教学改革研究项目(编号：yjg201407)

周德红(1978—)，男，副教授，博士，430073 湖北省武汉市洪山区雄楚大街693号。