狮子山铜矿采切工程稳定性的数值模拟研究

孙西能++杨建明

摘要： 随着矿山深部开采的到来，巷道硐室处于高地应力状态，在其自身重力及构造应力的作用下建构筑物结构本身位移会发生一定的变化。本文基于ANSYS数值模拟软件，对狮子山铜矿深部采切工程中的运输巷道、拉底、凿岩硐室及凿岩巷道进行针对性数值模拟，分析模拟研究对象的总位移云图、应力场云图及等效弹性应变、塑性应变，对巷道的围岩稳定性作出评价，对采矿设计及现场开采具有指导意义。

Abstract： Along with the deep mining of the mine， the tunnel chamber is in the high ground stress state， and the displacement of the structure itself will change under the action of its own gravity and tectonic stress. Based on the ANSYS numerical simulation software， the numerical simulation of transportation tunnel， pull-bottom， rock-drilled chamber and rock drift in the deep mining project of Shizishan Copper Mine is carried out. The total displacement cloud， stress cloud and equivalent elastic strain， plastic strain of the study object are analyzed and simulated. The surrounding rock stability of the roadway is evaluated， which has guidance significance for the mining design and on-site mining.

關键词： 采切工程；位移云图；应变；数值模拟

Key words： mining and cutting engineering；displacement cloud image；strain；numerical simulation

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0148-03

0 引言

在地下矿藏深部开采过程中，巷道处于高地应力状态，其自身重力及构造扰动对巷道稳定性影响较大。矿山地下井巷工程及建构筑物的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。矿山地下井巷工程所处的环境条件及应力应变状态与地面工程是截然不同的，然而在过去的很长时间内解决地下工程遇到的问题选用的方法都是借鉴地面工程问题的解决方法，所以地下工程中出现的各种力学现象和过程在很长时间内无法得到正确阐明，使地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程显示极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。陈浩等分别采用物理模型试验和数值模拟手段，对围岩体破坏演化过程和应力变化规律进行了研究，从而为指导隧道的设计和施工提供了有效的依据[1]。任奋华等为了及时掌握深部巷道围岩的稳定性，在-555 m 水平巷道布置3个断面收敛计、2个多点位移计、4个钻孔应力计，分别对巷道的表面位移、深部位移、围岩压力进行监测。通过采集和分析监测数据，及时准确地对巷道的围岩稳定性做出评价，为矿山的安全高效生产提供科学指导[2]。钱立，王文杰基于FLAC3D程序建立了高峰矿深部巷道模型，并对巷道施加爆破地震波进行动力分析计算[3]。蒋耀东对开滦矿区2 个开采深度均超过1000 m的赵各庄矿和唐山矿巷道围岩矿压显现规律调研的基础上，对煤矿深部开采过程中巷道围岩变形、破坏特征和冲击地压动力显现特征进行了总结，同时通过计算分析了地应力状态对巷道围岩破坏的影响关系[4]。乔东华用有限元数值模拟法对矿体开采后的岩体稳定性进行分析，分析计算出采场围岩稳定性程度、地应力集中地段或部位、围岩位移过大部位及塑性破坏区的分布规律，从而对可能发生的灾害可靠、准确地分析、控制。并提出相应的预防措施及建议[5]。赵兴东针对谦比希矿留设隔离矿柱实际情况，运用极限跨度理论，经验公式法和极限平衡分析方法对设计留设的隔离矿柱稳定性进行分析，提出留设隔离矿柱的合理厚度为 21m，并应用FLAC3D对留设 21m 厚隔离矿柱的合理性进行分析[6]。曹胜根应用UDEC程序分析了综放开采端面顶板稳定性与支架工作阻力及端面距的关系，得到当端面距在一定范围之内时，端面顶板冒落情况与支架工作阻力及支护角度密切相关，支架工作阻力P和端面顶板下沉量■ld呈类双曲线关系[7]。本文利用ANSYS-dyna建立矿井深部采切工程运输巷道、拉底巷道、凿岩硐室等模型，并对研究对象进行总位移云图、弹性应变及塑性应变等动力分析，分析计算结果，观测巷道的稳定性情况。

1 工程背景

狮子山铜矿位于易门铜矿区，元古宙康滇地轴边缘昆阳裂谷内的武定—易门—元江裂陷槽中段近南北走向的易门断陷盆地西侧。矿区北起禄丰，南到峨腊厂，西起绿汁江，东至易门，南北长70千米，东西宽30千米，面积达2100平方千米。矿区以北紧邻禄武断陷盆地，以南与元江断陷盆地相邻，以东为昆明凹陷带，沉积了从震旦纪、古生代到中生代一整套地层，绿汁江断层以西为元谋—新平古陆，基底为大红山群地层，上部被中生代红层所覆盖。矿区范围内，昆阳群地层出露占90%以上，仅局部为中生代红层所覆盖。

2 狮子山矿围岩稳定分析模型的构建

2.1 计算模型的建立

为了消除边界效应的影响，应选用合适的巷道计算范围，通常按巷道直径的3-5倍选取边界长度。本次巷道选取一个20m×20m×20m的正方题区域，开挖部位位于模型的正中央。分别计算运输巷道、拉底巷道、凿岩巷道，凿岩硐室。

2.2 技术难点的实现

2.2.1 初始地应力的实现

初始地应力模拟在模拟井巷施工中的作用举足轻重。在ANSYS中，可以有以下方法实现初始地应力摸拟：采用读取初始应力文件的方法。在进行结构分析时，ANSYS中可以使用读入初始应力文件来把初始应力定义为一种荷载。所以在实测初始地应力资料完善的情况下，可把初始地应力写成初始应力荷载文件，然后作为荷载条件读入ANSYS，随后就可以直接进行第一步的开挖计算。计算得到的应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，不需要进行加减。此种方法的使用能够确保数值模拟结果的准确性。

2.2.2 开挖与连续施工的实现

根据单元生死可以实现材料的消除与添加，而井巷的开挖与支护正好比材料的消除与支护，因此可以在ANSYS中用单元生死来实现井巷开挖与支护的模拟。井巷开挖时，先直接选择被开挖掉的单元，然后将这些单元杀死，从而实现井巷的开挖模拟。此外，单元的生死状态还可以根据ANSYS的计算结果（如应力或应变）来决定。例如，在模拟过程中，可以将超过允许应力或允许应变的单元杀死，模拟围岩或结构的破坏。利用ANSYS程序中荷载步功能可以实现不同工况间的连续计算，从而实现对井巷连续施工的模拟。首先建立开挖井巷的有限元模型，包括将来要被杀死（挖掉）和激活（支护）的部分，在ANSYS模拟工程不需要重新划分网格。在前一个施工完成后，便可以直接进行下一道工序的施工，即再杀死单元（开挖）和激活单元（支护），再求解，重复步骤直至施工结束。

2.3 边界条件和计算参数

在自重应力条件下，对边界条件作如下规定：对底边约束垂直方向位移，对前后、左右两侧边界施加水平方向约束，在模型的三个对称轴方向施加水平和垂直地应力。本次计算开挖部位的计算参数参照狮子山提供的矿山地应力和矿体岩性测试结果。详见表1和表2。

3 模拟计算过程

初始应力场和开挖按下列步骤进行：

①未开挖时的初始计算模型建立完毕后，施加边界条件，计算初始应力场{？滓}°和初始位移场{d}°。

②开挖计算在外载不改变的情况下，令本次开挖单元休眠，然后进行计算，模拟开挖后的效果，通过本次计算，得到本次开挖的计算结果{？滓}1，{d}1，即第一次开挖支护后围岩的应力场和位移场。{？滓}1和{d}1表示开挖过程中的应力和变形结果，在实际应用中，常认为初始位移场为零位移场，即经常关心的是在原始状态下的扰动位移{d}={d}1-{？滓}°。

③绘制相应的应力和变形图，并分析计算结果。以数值模拟研究对象中的运输巷最大地应力为例，图1至4分别给出了运输巷最大地应力垂直于运输巷走向方向的总位移图，等效应力图，等效弹性应变图，等效塑性应变图。图5至8分别给出了运输巷最大地应力平行于运输巷走向方向的总位移图，等效应力图，等效弹性应变图，等效塑性应变图。

4 计算结果汇总

通过数值计算建模分析计算主要采切工程在开挖前后的受力、位移和塑性變形等状态，获得狮子山矿运输巷、拉底、凿岩巷及凿岩硐室在现有高地应力条件下，开挖后围岩部位位移量、等效应力分布、等效弹性应和等效应变量，结果统计详见表3。

5 结语

通过对狮子山矿高地应力条件下采场不同部位结构参数的ANSYS数值模拟分析，得出以下结论：

①采用三维有限元对狮子山矿高地应力条件下采场不同部位进行多方案计算分析，能反映模拟结果的真实情况，所得的结论对采矿设计及现场开采具有指导意义；

②通过有限元对不同部位（运输巷、拉底、凿岩巷和凿岩硐室）的综合分析，从位移变化、应力分布和塑性变形区域等方面都说明：

1）现场高地应力情况下，当巷道与最大水平应力垂直时，出现塑性变形区域，主要集中在巷道壁上下左右中间及拐角应力集中区域，非矿体部位塑性变形最大值1.895e-3，矿体部位最大值0.96×10-3，塑性变形量较小，变形区域在合理范围。

当巷道与最大水平应力平行时，未出现塑性变形区，因此进行开采方案设计时尽量避开巷道与最大水平应力垂直，多采用巷道与最大水平应力平行。

2）位移最大变形量同样与巷道跟最大水平主应力分布有关，且随着断面尺寸增加程递增趋势，最大达19.51mm。

③随着开采深度的增加，地应力有可能增加，分布情况发生变化，建议根据实际情况进行调整，如发生局部小范围塌方甚至岩爆情况，需对局部进行详细分析，然后再对开采方案进行调整。

参考文献：

[1]陈浩，任伟中，李丹，夏彬伟.深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究[J].岩土力学，2011，32（2）：0615-0620.

[2]任奋华，王永强，李正胜.深部开采巷道围岩稳定性监测及分析[J].金属矿山，2014（7）：156-159.

[3]钱立，王文杰.深部开采爆破震动对巷道稳定性影响的数值模拟研究[J].化工矿物与加工，2014（7）：0027-0031.

[4]姜耀东，刘文岗.开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究[J].岩土力学与工程学报，2005，24（11）：1857-1862.

[5]乔东华，唐然.某深部铁矿开采围岩稳定性数值模拟[J].西部探矿工程，2007（07）：0103-0106.

[6]赵兴东谦比希矿深部开采隔离矿柱稳定性分析[J].岩土力学与工程学报，2010，29（1）：2616-2622.

[7]曹胜根，钱鸣高，缪协兴，刘长友.综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究[J].岩土力学与工程学报，2000，19（4）：0472-0475.