2011, Vol. 2引用本文 |
| FLAC3D在圈定地表移动带中的应用 |  [PDF全文] |
地下开采形成空区以后，由于采空区周围岩层失去平衡，引起采空区周围岩层的变形和破坏，以致大规模移动，使地表发生变形和塌陷.在地表出现裂隙的范围内称之为崩落带；崩落带的外围即由崩落带边界起至出现变形的地点止，称之为移动带[1].地表移动带在矿山开拓方式的选择、主要建筑物布置、运输方式的选择等中均扮演重要角色.以往的地表移动带的圈定主要凭借岩石移动角和矿体的赋存位置来圈定，然后根据矿山的具体开采条件和设计者的经验来适当修正.在修正的过程中，必然带有设计者的主观意识，一旦主观意识与客观事实相违背，便会引发以下两种结果：
（1）地表移动带圈定的过小，造成矿山主要建筑物的变形和破坏，给矿山生产带来极大的安全隐患；情况严重时，主要建筑物如主井、选矿厂等必须搬迁，这不仅给矿山造成了严重的损失，还会影响矿山的正常生产；
（2）地表移动带圈定的过大，造成了毫无根据的各种建筑物和构筑物的搬迁，同时增加了矿山运输的负担，造成了运输功的浪费[2].
随着科学技术的迅速发展，矿山的生产和建设决策也相应地发生了重大变化[3].当前，建设安全、绿色、节约型矿山已成为时代的主题，因此合理精确的圈定地表移动带显的尤为必要.本文以某铁矿为例，简要说明FLAC3D在圈定地表移动带中的应用.
1 某铁矿工程概况 1.1 地质条件某铁矿属于磁铁贫矿，矿区矿体主要分为2类：主矿体和小矿体.主矿体为Ⅴ矿体，走向东西、倾向南北，倾角25~36°，平均30°左右，走向长约150 m，矿体最大厚度72.1 m，最小厚度17.9 m, 平均厚度40 m, 属缓倾斜厚矿体.矿体埋藏标高为+102~+240 m，距地表深度为75~250 m，地表平均标高+340 m.小矿体分布比较零散且品位比较低，在当前技术经济条件下尚不具备开采价值.
V矿体上盘以大理岩、大理岩化灰岩为主，次为矽卡岩；矿体下盘以石英岩、石英砂岩为主，次为矽卡岩和变质砂质泥岩.矿岩致密坚硬，节理裂隙不太发育，完整性好，属稳固至极稳固矿体.矿岩的岩石力学参数见表 1.
| 表 1 矿岩的岩石力学参数 |
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1.2 采矿方法
矿山采用平硐-盲竖井联合开拓，采用阶段矿房法，矿房沿走向布置，矿房长度为40 m，间柱宽度为10 m，矿房宽度等于矿脉水平厚度，中段高度为35 m左右，中段顶板6 m，不回采，底板高10 m，采完后回采掉.
2 地表移动带的初步圈定初步圈定地表移动带时只需按岩石移动角画出矿体上、下盘及沿矿体走向两端的岩石移动界限，就可圈出地表的岩石移动范围.矿岩的岩石移动角见表 2.
| 表 2 矿岩的岩石力学参数 |
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具体方法和步骤如下：
（1）在勘探线剖面图上按矿体开采的最低水平画出矿体上下盘的岩石移动界限.
（2）在地形地质平面图上画出勘探线剖面图岩石移动界限与地表交点的坐标点位置.同理可标出其他勘探线与地表交点的坐标位置，以此类推.
（3）将相邻勘探线的各点连成直线，而矿脉的两端点则分别与邻近勘探线的上下盘连成直线，适当修正即可得闭合型地表土岩移动范围图.
由于篇幅所限和实际绘图的复杂性，本文只给出垂直矿体走向剖面和沿矿体走向剖面的移动带界线图，如图 1所示，旨在说明方法，其他的以此类推.
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| A为垂直走向剖面；B为沿矿体走向剖面；β为上盘移动角；γ为下盘移动角；δΟ为表土移动角；δ为走向端部移动角；L为移动带范围的长度 图 1 地表移动带界线的圈定 |
图 1中地表移动带的范围可从CAD图中圈出. X轴即垂直矿体走向范围是58.37~531 m，长度为472.63 m；Y轴即沿矿体走向范围是78.91~371.09 m，长度为292.18 m.
3 地表移动带的数值模拟当地表移动带初步圈定完毕后，通常需按实际可能移动的情况作适当调整.传统的做法是：结合矿山的实际情况凭借设计者的经验作修正，此过程中必定会掺杂设计者的主观意识，难免产生偏差.这里，利用FLAC3D数值模拟软件结合矿山的实际情况，构建数值模型，对地表移动带的界线进行模拟，为初步圈定的地表移动带的修正提供定量的参照.
3.1 模型的建立模型以X-Y平面为地平面，Y轴为矿体的走向，Z轴为矿体的标高，取X方向边界范围为0~680 m，Y轴方向边界范围为0~450 m，Z轴方向边界范围为+2~+340 m, 在FLAC3D中由下而上分组建立模型，然后用“Attach Face All”整合所有面，使之连接成为一个整体[4].本模型划分后共有204015个网格节点，181620个单元体.模型图如图 2所示.
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| 图 2 矿体未回采模型 |
3.2 定义模型材料属性
本模型选用摩尔-库伦模型，模型赋值所需的岩体力学参数见表 3.
| 表 3 数值模型参数 |
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3.3 数值模拟目的和边界条件
数值模拟的目的：在自重力作用下回采完所有矿房后，计算出由于空区周围围岩移动和变形破坏所引起的地表破坏变形的范围.设计模型如图 3，模型施加的边界条件如下：
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| 图 3 矿体未回采模型 |
（1）模型两端x方向位移固定；
（2）模型两端y方向位移固定；
（3）模型底部固定, 顶部为自由面.
3.4 开挖计算首先计算在没有回采状态下，由于重力引起的沉降位移和速度，使之归零[5-6].然后计算所用矿房均回采完毕时地表发生变形破坏的范围.设置结算精度为1e-5，计算其结果.
3.5 结果分析FLAC3D具有强大的后处理功能[7]，通过运行程序模拟计算得到了由于所有矿房回采后地表发生变形和破坏的范围，即地表移动带界线的范围，如图 4、图 5所示.
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| 图 4 表土层X方向位移 |
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| 图 5 表土层X方向位移 |
由图 4、图 5可以很直观的看出地表发生移动变形的范围.《煤矿测量试行规程》规定：对于一般砖石结构，其地表水平变形的临界值为2 mm/m[8].所谓临界值就是无需维修就能保持建筑物及各种设施正常使用所允许的最大变形值.据此可以圈定地表移动带X轴即垂直矿体走向范围是68.33~542.60 m，长度为474.27 m；Y轴即沿矿体走向范围是47.20~407.3 m，长度为360.10 m.这与图 1所得的初步移动带的范围有差异：其中垂直矿体走向上的偏差较小，起点和终点的偏差均为10 m左右，长度基本相同；沿矿体走向上的偏差较大，起点偏差32 m左右，终点偏差达36 m，长度偏差为68 m.因此有必要对初步移动带的范围进行修正.
4 地表移动带的修正鉴于上述分析结果，对初步得到的地表移动带的界线进行修正.修正方法有很多种，结合本矿山具体的工程地质条件，对于X轴方向取其坐标的算术平均值对其修正；对于Y轴以数值模拟的结果对其修正.修正后的地表移动带的范围是：X轴即垂直矿体走向范围是63.33~536.3 m，长度为427.77 m；Y轴即沿矿体走向范围是47.2~ 407.3 m，长度为360.1 m.
鉴于Y轴方向即沿矿体走向偏差较大，为了检验所得结果的合理性，在地表Y轴方向进行定点监测.监测结果表明：210中段（Ⅰ中段）回采完毕后地表移动带临界值点的相对Y坐标为350 m，至175中段（Ⅱ中段）回采完毕后，临界值点的相对Y坐标扩大到372 m.随开采深度的增加对地表移动带影响会越来越小，结合210中段和175中段回采所总结的经验，估算出下两中段的回采将导致移动带临界值点的相对Y坐标扩大到392~407 m.这个范围在初步圈定地表移动带的范围之外，在修正后的地表移动带的范围之内.结果表明修正后的地表移动带的范围是可靠的.
5 结束语通过上述实例，可见通过运用数值模拟软件对地表移动带的范围进行模拟，并以数值模拟的结果作定量参照对初步圈定的地表移动带进行修正的做法是可行的.这种做法可以弥补设计者在地表移动带修正过程中凭借经验进行修正所带来的误差，确保地表移动带圈定的精确合理性，可供采矿同行们参考和研究，也可供矿山设计部门决策时作参考.
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金属矿床地下开采(2)[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2008.
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