基于Flac3D的露天转地下开采崩落岩石移动角的确定

摘要：某露天转地下开采矿山设计采用无底柱分段崩落采矿法开采。为保证矿山的安全生产，减少对地表周围地理和环境产生的影响，采用Flac3D矿业软件，建立矿石回采模型，施加边界条件，分析回采空区弹塑性变化及岩石移动情况，圈定岩石移动范围，确定岩石移动角为65°。模拟结果可为矿山的深部开采与安全生产提供理论支撑。

关键词：岩石移动角;Flac3D矿业软件;无底柱分段崩落采矿法;露天转地下;数值模拟

中图分类号：TD853.36文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）11-0053-04doi：10.11792/hj20211110

矿山地下开采作业会打破岩石的原始平衡状态，引起周围岩石的变形、破坏和崩落，并最终导致地表发生移动和陷落。某矿山露天开采已接近尾声，拟转入地下开采。地下开采主要采用无底柱分段崩落采矿法。崩落采矿法允许地表塌陷，但是地表岩石移动圈不能影响各类建（构）筑物的安全与正常使用[1]。为保证矿山的安全生产，减少矿山对周围地理和环境产生的影响，需分析回采空区弹塑性变化及围岩移动情况，科学合理地确定岩石移动角，用以圈定岩石移动范围。

1工程概况

该矿山位于内蒙古自治区乌拉特后旗，地处内蒙古高原阴山山脉狼山北坡，海拔高度1 900 ～2 100 m。矿区范围内东南高，西北低，地貌为低山丘陵区。矿区地处中温带，属高原大陆性气候，矿区及近围属干旱地区，附近无河流及其他地表水体。年平均温度为6.7 ℃，封冻期为10月到次年5月，无霜期120 d，最深冻土为2.3 m。年降雨量平均为190 mm，年日照3 180 h，对照烈度为7度，四季多风，平均风速为5.4 m/s，风力一般为4～5级。地震动峰值加速度（g）为0.10。

该矿山露天开采将于2025年结束，最低开采水平为1 708 m。露天转地下开采后，开采的矿体主要分布在11勘探线—31勘探线1 200 m标高以上。矿区工程地质条件简单，水文地质条件简单，环境地质条件简单。地下开采拟采用主井+副井+斜坡道开拓方案，生产规模为300万t/a，设置中央进风井及东、西2个回风井，主要采矿方法为无底柱分段崩落采矿法，阶段高度为120 m，分段高度为15 m，矿石回采率为85 %。

2矿岩物理力学性质

矿体顶底板围岩是以千枚岩、二云母石英片岩、碳质板岩为主的块状岩类，地层岩性较单一，岩体构造以块状构造为主，巖石强度高，局部破碎带强度低，岩体局部稳定性较差，深部采矿局部可能有坍塌、冒顶、片帮等不良工程地质现象发生，部分地段需支护。

矿区构造的一个显著特点是后期构造继承和叠加改造早期构造。同时矿床北侧存在逆冲断层（Ⅱ—F3），实测长近1 900 m，宽5～10 m;走向近东西，倾向南，倾角65°～70°。由于断层产出在含矿层中，又为大角度逆冲断层，并使断层两侧的岩层产生强烈的拖曳褶曲，深部原岩可能残存一定应力。

根据该矿体赋存情况及现有数据，确定矿岩物理力学指标，结果见表1。

3模型建立与数值模拟分析

Flac3D是由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件，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。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。Flac3D采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。因此，本文采用Flac3D矿业软件建立矿石回采模型，分析回采空区弹塑性变化及岩石移动情况，以期为矿山深部开采与安全生产提供理论支撑。3.1三维模型建立

使用19勘探线地质剖面图（见图1）作为依据，建立Flac3D网格模型。本次计算模型的长度设置为1 000 m，高度参照实际地表地形建立，减少应力边界和位移边界效应带来的影响。

模拟时，将矿区内力学性质相近的岩石归并为一个岩层。计算模型边界条件为：模型两端x方向的位移固定，即边界水平位移为零;模型底部y方向的位移固定，即底部边界水平、垂直位移为零;模型顶部（即地表）为自由边界。

3.2力学模型及参数确定

岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化，属于弹塑性体[2]。本次模拟中，选择莫尔-库仑准则作为弹塑性材料的屈服判据准则。

针对采空区及周围岩体情况，在模型制作时进行了适当的简化处理;其力学参数依据岩块力学性质测试结果，并考虑岩体的结构效应、地下水等因素，对岩块力学按照岩体质量分类法进行适当的修正。

为符合开采实际，模拟计算从形成初始应力场开始。模拟过程中，通过模拟开挖将开挖空间的实单元变成空单元。未开挖的模型见图2。

3.3模拟计算

利用建立的模型进行模拟计算，通过逐步扩大采空区面积计算采空区围岩移动和变形引起的地表破坏变形的范围，由于沿勘探线方向矿石回采的长度为50～350 m，大多在150 m左右，故本次模拟开挖地下采空区长度为150 m，高度为勘探线位置矿体垂直高度。x方向和y方向的应力等值线和位移等值线见图3～6。

另外，分别设置地下模拟开挖采空区长度为50 m、250 m、350 m的模型进行模拟计算，将所得的y方向位移等值线图与150 m开挖范围的等值线图进行对比分析，结果见图7～9。

3.4模拟结果及分析

x方向的应力分布见图3。由图3可知，x方向的应力集中主要出现在采空区顶板位置，表现为拉应力。由图4可知：y方向的应力分布表现为向下的压应力，最大值为35 MPa，分布在采空区的两端。

由于岩体的抗拉强度远小于抗压强度，故可以初步推断，回采形成采空区后，顶板拉应力集中，首先出现破坏，继而向下冒落，冒落的高度也随采空区的增大逐渐增大。采空区两帮长期存在压应力集中，两帮围岩稳定性也会随之降低，出现岩石片落的情况。由于下部岩体的冒落，上部岩体失去底部支撑，岩体内部裂隙逐渐发育扩大，岩块间相互作用力减小，在重力及地应力的作用下发生错动，并扩展到地表，形成地表移动带。

目前，国内对建（构）筑物破坏等级标准采用水平变形和倾斜变形来评判，而采取数值模拟计算的地表位移值应进行转换[3]。回采后x或y方向的位移等值线图见图5～9，由x、y位移等值线图可以很直观地看出地表发生移动变形的范围。参照规程，一般砖石结构地表倾斜的临界值为3 mm/m，其计算见式（1）、图10。

iAB=sB-sAlAB=ΔsABlAB（1）

式中：iAB为坡度;sB为B点位移（m）;sA为A点位移（m）;ΔsAB为A、B两点的位移（m）;lAB为A、B两点的距离（m）。

取sA=0作为地表移动带的边界点来进行地表移动带的圈定，圈出来的地表移动带满足测量规程的要求。通过对Flac3D矿业软件模拟计算出的y方向的位移图进行测量，测量结果为不同开采面积下地表发生移动的移动角范围：①开挖长度为50 m时，地表发生移动的移动角为70°;②开挖长度为150 m时，地表发生移动的移动角为68°;③开挖长度为250 m时，地表发生移动的移动角为66°;④开挖长度为350 m时，地表发生移动的移动角为65°。由于选取sA=0，实际岩石移动角至少要大于65°。因此，模拟结果表明，采用65°的岩石移动角圈定地表移动带的范围是可行的。

4结语

该矿山矿体及围岩稳定性较好，工程地质条件简单，设计采用无底柱分段崩落采矿法，不可避免地会引起上覆岩层及地表产生连续的移动和变形，从而影响周围的地理环境。采用Flac3D矿业软件建立矿山回采模型，通过施加边界条件，对矿山回采空区进行数值模拟，在不同回采空区长度下模拟得出地表发生位移的移动角范围，科学合理地确定了该矿山地下开采的岩石移动角为65°，为矿山的深部开采与安全生产提供理论支撑。

[参 考 文 献]

[1]宋钊刚，胡静云.崩落法开采地表塌陷坑沉降变形监测研究[J].采矿技术，2021（1）：84-88.

[2]黃志安，张英华，李世波，等.采空区上覆岩层“三带”的界定准侧和仿真确定[J].北京科技大学学报，2006，28（7）：609-611.

[3]刘飞，熊贤亮.某萤石矿开采岩层移动角数值模拟研究[J].现代矿业，2018，34（4）：171-177.

Determination of caved rock displacement angle

in the transition from openpit to underground mining based on Flac3D Xu Hongkai

（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：A mine in the transition from openpit to underground mining is designed to use pillarless sublevel  caving mining method.In order to ensure the safe production of mine and reduce the impact on the geography and environment around the surface，an ore extraction model was established with Flac3D mining software，and boundary conditions were introduced.The elasticplastic changes in the minedout area and the rock displacement were analyzed.The movement range of the rock was delineated，and the rock displacement angle was determined to be 65°.The simulation results can provide technical support for deep mining and safe production for mines.

Keywords：rock displacement angle;Flac3D mining software;pillarless sublevel caving mining method;transition from openpit to underground mining;numerical simulation

收稿日期：2021-05-20; 修回日期：2021-09-08

作者简介：许宏凯（1989—），男，山东济南人，工程师，从事金属矿山采矿工程设计工作;济南市高新开发区舜华路1969号，山东省冶金设计院股份有限公司，250101;Email：sdmxhk@163.com