FLAC3D数值模拟露天转地下边坡及采场稳定性研究

李启航，李小双，2，3，耿加波，罗 浪

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000)

根据前人运用数值模拟方法在矿山岩体力学中的研究和探索[1-7]，本文拟利用FLAC3D数值模拟分析方法，对缓倾斜薄至中厚磷矿床在单一地下开采及露天转地下开采两种不同开挖方式下坡高对采场顶板、围岩的稳定性及矿压活动规律的影响。对未来的磷矿山地下开采工作具有一定的技术参考价值。

1 FLAC3D软件简介

FLAC3D是在FLAC基础上研发的能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析的软件[8]。FLAC3D具有比较完善的后处理功能，对于数据和结果的处理比较容易实现。近年来，国内外诸多科研工作者利用FLAC3D软件对采矿过程中围岩及边坡稳定性、采场结构参数优化、巷道与工作面的时空关系等一系列复杂力学问题展开了大量的研究，并取得了许多重要的研究成果[9]。

2 模型的构建及计算方案

2.1 基本假设

本文的数值模拟主要对应力与变形进行分析研究。

1)岩性的假设

假设岩石有各向同性、均质的特性，应力与应变符合摩尔-库伦准则。

2)水平构造应力的假设

开挖区域矿体构造简单，假设水平构造应力不予考虑。

3)矿房结构的简化

将数值模型中的巷道、天井、斜井、联络巷以及溜井等矿房结构简化为实体。

2.2 模型几何尺寸

以云南晋宁周边典型的缓倾斜薄至中厚磷矿床为研究背景，以层状岩质边坡与地下采场围岩及其上覆岩体组成的复合采动系统为研究对象。两组边坡模型尺寸分别为：200 m边坡模型尺寸水平(X)方向长度为600 m，走向(Y)方向长度为300 m，垂直(Z)方向为350 m，整个模型共包含544 833个节点和526 550个单元；300 m边坡模型尺寸水平(X)方向长度为600 m，走向(Y)方向长度为300 m，垂直(Z)方向为450 m，整个模型共包含623 934个节点和603 550个单元。在模型计算时简化岩体应力场，不考虑其他构造应力的作用，只考虑自身重力影响，因此只对模型施加-9.8 m/s2的反向应力加速度。两种方案的单一地下开采及露天转地下开采三维模型如图1所示。

图1 不同边坡高度下单一地下开采与露天转地下开采三维模型图Fig.1 3D model diagram of single underground mining and open-pit conversion to underground mining under different slope heights

2.3 模型计算本构关系

本次数值模拟采用弹塑性本构模型，FLAC3D岩石材料破坏准则采用摩尔-库伦屈服准则来描述岩体的强度特征。

2.4 模型岩体参数

根据实地调研和相关岩石力学试验研究结果，数值模拟计算所采用的磷矿岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数

2.5 矿山开采方式

根据矿山实际情况，选取境界矿柱厚度24m，由于整个地下开采矿体倾向长度为348 m，垂直开采深度为84.2 m。因此设置3个开采阶段，每个开采阶段包含7个矿房和6个矿柱，单一开采阶段沿矿层倾向长度为106 m，垂向深度为25 m，阶段与阶段之间设置15 m的阶段矿柱。同时选取每步开挖的矿房10 m，矿柱6 m，且矿柱为连续型矿壁。另外，考虑到模型的边界效应，沿模型开挖方向(模型Y方向)两侧各留50 m边界影响区域。开采顺序为分阶段开采，先沿矿层倾向逐一开采每个阶段的矿房，待矿房开采完毕后再沿倾向对矿柱进行逐一回采，回采完毕后即进入下一阶段矿体的开挖。采场俯视图如图2所示。

图2 采场俯视图Fig.2 Top view of stope

2.6 数值模拟计算方案

本文展开了两种模拟方案：方案1)先进行单一的露天开挖，待露天开挖结束后再转入地下开采；方案2)在同样地质地貌条件下，直接进行地下开采。利用FLAC3D数值模拟软件分析计算得到不同开采阶段的应力分布情况及数值大小来揭示露天终了边坡在坡角一定的条件下，不同边坡高度对地下采场的影响以及边坡与地下开采耦合作用下覆岩采动响应特征。

3 计算结果及分析

3.1 露天边坡安全系数

为了确定在地下开采前边坡是否安全稳定需要对矿山露天终了边坡的安全系数进行求解[10]。求解结果如表2所示。

表2 边坡安全系数

边坡稳定性安全系数是指沿指定滑裂面的抗滑力与滑动力的比值，比值大于1时坡体稳定；等于1时坡体处于极限平衡状态；小于1时坡体发生破坏。由表2可知，两种不同坡高的边坡均整体稳定，但随着边坡高度增加，边坡发生滑移破坏的可能性增大。在不同开采阶段下，根据FLAC3D数值模拟最大垂直应力的结果可知：在本文模拟实验环境中不考虑滑坡风险。

3.2 坡高200 m模型分析

由图3可知，第一阶段矿体开挖完毕后，由于受到阶段矿体的开挖卸荷，两种开采方案的地下采场最大垂直应力均出现在采空区前后两端，此时采区两侧及露天转地下开采形成的露天终了边坡坡脚处形成了局部的应力集中区域。第二阶段矿体开挖完毕后，单一地下开采最大垂直应力仅出现在两个采空区的阶段矿柱上。第三阶段矿体开挖完毕后，其应力相较第二阶段再一次释放，应力降低区域的范围再次扩大。在不同开采阶段下，根据FLAC3D数值模拟最大垂直应力的结果可知：采空区两侧第一阶段到第三阶段单一地下开采最大垂直应力由20.9 MPa增加到28.8 MPa再增加到40.0 MPa；露天转地下开采最大垂直应力由19.4 MPa增加到26.5 MPa再增加到39.3 MPa；采空区顶板第一阶段到第三阶段单一地下开采最大垂直应力由4.0 MPa增加到4.3 MPa再增加到4.7 MPa；露天转地下开采最大垂直应力由4.2 MPa减少到3.9 MPa再增加到4.6 MPa；通过最大垂直应力数值变化特点，三个不同开采阶段下单一地下开采最大垂直应力比露天转地下开采都要大。从第一阶段到第三阶段开挖，随着矿体开挖埋深的增加，采空区顶板岩体向下沉降，导致间柱顶部剪切塑性区范围扩大，但未到达边坡临空面，此时地下采场及整个岩体相对稳定。

图3 单一地下开采(图左)与露天转地下开采(图右)各阶段开挖后垂直应力分布特征Fig.3 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

3.3 坡高300 m模型分析

由图4可知，第一阶段矿体开挖完后，单一地下开采最大垂直应力分布在采空区前后两端，由于接近露天边坡的临空面，露天转地下开采的最大垂直应力只出现在采空场的前端，第二阶段矿体开挖完毕后，单一地下开采最大垂直应力仅出现在两个采空区的阶段矿柱右下侧，露天转地下开采最大垂直应力出现在二阶段采场前后两端。第三阶段矿体开挖完毕后，单一地下开采最大垂直应力出现在两个间柱右下侧部位，露天转地下开采最大垂直应力仅出现在第二个阶段矿柱的右下侧。在不同开采阶段下，根据FLAC3D数值模拟最大垂直应力的结果可知：采空区两侧第一阶段到第三阶段单一地下开采最大垂直应力由24.8 MPa增加到35.7 MPa再增加到44.5 MPa；露天转地下开采最大垂直应力由20.3 MPa增加到26.5 MPa再增加到31.8 MPa；采空区顶板第一阶段到第三阶段单一地下开采最大垂直应力由3.9 MPa增加到4.0 MPa再增加到4.7 MPa；露天转地下开采最大垂直应力由4.1 MPa减少到3.8 MPa再增加到4.8 MPa。

图4 单一地下开采(图左)与露天转地下开采(图右)各阶段开挖后垂直应力分布特征Fig.4 The vertical stress distribution features after each stage of excavation in single underground mining(picture left)and open-pit to underground mining(picture right)

随着工作面的开挖推进，两种开采方案下的最大垂直应力也跟着动态前移，当露天开采完成后，露天边坡坡脚附近出现应力集中区域，单一地下开采在三个不同开采阶段最大垂直应力都比露天转地下开采大。从第一阶段到第三阶段采场塑性区已经发育充分，贯通至边坡临空面，整个地下采场及边坡体已处于失稳状态，极易造成整个采场及边坡失稳垮塌。

4 结论

当地下矿体开挖不断推进时，采场顶板最大垂直应力点也沿着矿层倾向而动态前移。单一地下开采的顶板垂直应力相较于露天转地下开采更大。露天转地下开采的终了边坡越高，边坡对采场覆层的影响效应越明显。露天转地下开采，坡高为200 m时，岩体比较稳定，坡高为300 m时，第三阶段采空区覆岩体已处于失稳状态极易发生边坡垮塌现象。因此在相似环境下的磷矿山开采工作中，建议控制露天边坡高度在200 m以内。