内蒙古太平自然崩落法拉底方式3DEC模拟分析研究

程文文，姜永恒

（长春黄金研究院有限公司，吉林 长春 130000）

太平矿业经过多年大规模的露天开采保有储量日渐减少，矿区整体地质品位较低，矿岩破碎，开采难度较大，急需从露天转入地下进行开采，采用自然崩落法对深部资源进行开采，因此利用3DEC软件分析模拟确定最优拉底方式，为后续工艺设计及现场工业应用提供重要指导依据[1，2]。

1 3DEC简介

3DEC（Three Dimension Distinct Element Code）是基于离散元基本理论由Cundall和Hart于1985年开始正式开发的用于解决离散介质不连续问题的三维分析软件，其延续了二维的UDEC的核心思想，具备静力学、热力学和动力学三类不同问题的求解模块，同时对流体问题有一定的考虑。另外，其还开发提供了FISH高级程式语言，可以自由定义变量和函数，且为命令驱动模式的分析软件，因而为使用者提供了极大的自主空间[3]。

在PFC中定义的“颗粒”与力学中广泛定义的“颗粒”不同，在力学中“颗粒”通常定义为一个质点，而在PFC中颗粒是具有一定体积的颗粒。

颗粒流模型中颗粒的运动符合牛顿第二定律，通过力—位移法则来描述相互接触颗粒的接触力和相对位移。在PFC颗粒流模型中作了以下假设：

（1）散体的颗粒单元假设为刚度很大的球体；

（2）可把颗粒的接触假设为点接触；

（3）颗粒之间的接触特性假设为柔性接触，允许颗粒之间出现一定的“重叠”，“重叠”量的大小与接触力有关，但与颗粒单元相比，“重叠”量很小。

2 参数设定

通过进行相关岩石力学物理力学试验，同时考虑了必要的尺寸效应进行折减，最终确定力学参数如下表1[4]。

表1 岩石实际物理力学参数与岩石模拟物理力学参数对照表

3 拉底方案初选

为了有效的研究拉底工程条件下的崩落过程以及初始和持续崩落规律，确定合理的拉底顺序，根据拉底顺序与实际矿体形态及工程布置情况结合探知，提出了两种拉底顺序，并对其分别进行了模拟研究。

拉底方案的计算方式：静力分析（Static Analysis）。

为了消除大多数网格顶点的速度分量周期性为零时的动能，计算时默认的阻尼为局部阻尼，局部阻尼对于求解静力平衡是一个非常有效的计算法则且不会引入错误的阻尼力[5，6]。

模拟方案①：沿矿体走向从西向东沿对角式按顺序拉底（各拉底巷根据不同位置顺序推进）。

模拟方案②：沿矿体走向从中间向两端扩展拉底（各拉底巷均从采场中部向上下盘推进）。

根据上述所提出的拉底方案可知，方案①和方案②总体上沿矿体走向，各拉底巷则均从矿体下盘往上盘推进，共分为12步。

4 对比模拟分析过程

太平矿业体近似为上宽下窄的片状矿体，为了便于模型的数值的计算，根据矿体赋存条件，采用长1800m，宽180m，高620m的近似矿体的模型来模拟矿体，并根据矿体的实际结构面数据，对模型施加节理，采用“JSET”命令生成一系列所需要的不连续面，同时根据所设计的拉底顺序分别对其划分区域[5，6]。

4.1 方案①崩落数值模拟

根据上述两种拉底顺序设计要求，分别编写命令流进行开挖模拟。方案①整个拉底过程中崩落矿石位移变化等值线云。

根据方案一整个拉底过程中的矿岩不平衡力、速率及位移变化情况可知，每一步拉底之后，矿体中的不平衡力都有一个急剧增大的过程。在整个拉底过程中，当开始第一步拉底时，拉底区域上方矿体出现一定的拉裂破坏，但没有出现较大面积的垮落；随着拉底面积的增大，第二步已出现明显的矿岩脱落，且促进矿岩崩落的不平衡力已经开始逐渐增大，此时已经开始初始崩落阶段；增加拉底步数的话，会让矿体崩落的不平衡力急剧增大，均衡在一个较高的水平，矿体的崩落范围已经达到了上部最大化，此时处于一个持续崩落状态，即已开始了持续崩落阶段；当所有拉底工作完成后，可以发现大部分矿体已经发生崩落，崩落情况较好，符合预期崩落要求。

4.2 方案②崩落数值模拟

对方案②继续进行数模模拟，从模型底部结构中部向两侧拉底，逐步模拟矿体崩落的过程。

根据方案②显示，矿岩不平衡力及速率、位移变化情况变化，每一步拉底，矿体发生崩落破坏的不平衡力会有一个急剧增大的过程。但方案②在第一步拉底时，矿体的不平衡力增大并不明显，无大面积垮落，近似于平衡状态，拉底面积逐步增加，到第二步时有明显的矿岩脱落现象，且范围较大，此时开始初始崩落阶段；当拉底进行到第四步时，矿体的崩落范围已完全到达了上部边界，已处于持续崩落阶段；当结束所有拉底工作时，大部分矿体都已崩落，因而若采用此拉底顺序需要辅以相应的割帮等工程，以促使矿体完全崩落。

4.3 拉底方式选择

应用3DEC对矿体进行崩落数值模拟，分别对方案①及方案②进行崩落模拟，其中方案①自西向东对角式逐步进行崩落的崩落模拟情况较好，矿体崩落较为完全，方案②整体崩落顺序从矿体中部向四周扩散，矿体崩落效果也较为理想，但当拉底进行到矿体边界时，矿体顶部存在部分矿块未崩落完全，后期可能需要进行诱导崩落。根据位移分布图可知，方案①中的监测点最大位移为168m，方案②为154m，方案①崩落效果较为完全，且从不平衡力分布图中可知，每一步时进行时，方案①的不平衡力变化相对于方案②的变化更为明显，崩落效果稍好，但是两方案之间数据指标差异并不明显。综合考虑太平矿业深部矿体形状规格、不同区域软弱破碎程度、矿体品位分布情况等计算机模拟并不能完全反映的上述因素，最终建议太平矿业自然崩落法整体拉底回采顺序为：自矿体中间品位较高处开始，沿矿体走向及上下盘顺序崩落[7]。

5 结语

利用3DEC软件对内蒙古太平矿业深部矿体自然崩落法拉底工艺进行对比模拟分析，对比分析模拟了不同拉底方式下，底部结构的应力变化及上部岩体的崩落规律。最终确定其最优拉底方式为沿矿体走向从中间向两端扩展拉底，其底部结构整体稳定性较好，上部岩体崩落较为彻底，有利于自然崩落法的大规模应用。

但由于计算机模拟不可能完全反映现场实际情况，当后续深部开拓工程开始施工后，需尽快进行深部原岩应力测试及现场工程地质调查编录建模，确定最大主应力方向、大小以及大规模构造面发育情况，减少拉底巷道和出矿水平巷道破坏的可能性。