李 想,呂玲芝,謝曉斌

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

FLAC3D在圈定地表移動(dòng)帶中的應(yīng)用

李 想,呂玲芝,謝曉斌

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

論述了傳統(tǒng)的地表移動(dòng)帶的圈定方法存在的弊端.并以某鐵礦為例，先用傳統(tǒng)的方法對(duì)其地表移動(dòng)帶的范圍進(jìn)行初步圈定，然后用FLAC3D軟件對(duì)地表移動(dòng)帶的范圍進(jìn)行模擬.通過對(duì)比分析，并結(jié)合實(shí)際的工程條件，以數(shù)值模擬的結(jié)果作為定量參照，對(duì)初步圈定的地表移動(dòng)帶進(jìn)行修正.最終較為科學(xué)地圈定了地表移動(dòng)帶的范圍.

移動(dòng)帶；FLAC3D；移動(dòng)角；變形破壞

0 引 言

地下開采形成空區(qū)以后，由于采空區(qū)周圍巖層失去平衡，引起采空區(qū)周圍巖層的變形和破壞，以致大規(guī)模移動(dòng)，使地表發(fā)生變形和塌陷.在地表出現(xiàn)裂隙的范圍內(nèi)稱之為崩落帶；崩落帶的外圍即由崩落帶邊界起至出現(xiàn)變形的地點(diǎn)止，稱之為移動(dòng)帶[1].地表移動(dòng)帶在礦山開拓方式的選擇、主要建筑物布置、運(yùn)輸方式的選擇等中均扮演重要角色.以往的地表移動(dòng)帶的圈定主要憑借巖石移動(dòng)角和礦體的賦存位置來圈定，然后根據(jù)礦山的具體開采條件和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來適當(dāng)修正.在修正的過程中，必然帶有設(shè)計(jì)者的主觀意識(shí)，一旦主觀意識(shí)與客觀事實(shí)相違背，便會(huì)引發(fā)以下兩種結(jié)果：

（1）地表移動(dòng)帶圈定的過小，造成礦山主要建筑物的變形和破壞，給礦山生產(chǎn)帶來極大的安全隱患；情況嚴(yán)重時(shí)，主要建筑物如主井、選礦廠等必須搬遷，這不僅給礦山造成了嚴(yán)重的損失，還會(huì)影響礦山的正常生產(chǎn)；

（2）地表移動(dòng)帶圈定的過大，造成了毫無根據(jù)的各種建筑物和構(gòu)筑物的搬遷，同時(shí)增加了礦山運(yùn)輸?shù)呢?fù)擔(dān)，造成了運(yùn)輸功的浪費(fèi)[2].

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，礦山的生產(chǎn)和建設(shè)決策也相應(yīng)地發(fā)生了重大變化[3].當(dāng)前，建設(shè)安全、綠色、節(jié)約型礦山已成為時(shí)代的主題，因此合理精確的圈定地表移動(dòng)帶顯的尤為必要.本文以某鐵礦為例，簡要說明FLAC3D在圈定地表移動(dòng)帶中的應(yīng)用.

1 某鐵礦工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某鐵礦屬于磁鐵貧礦，礦區(qū)礦體主要分為2類：主礦體和小礦體.主礦體為Ⅴ礦體，走向東西、傾向南北，傾角 25～36°，平均 30°左右，走向長約 150 m，礦體最大厚度72.1 m，最小厚度17.9 m,平均厚度40 m,屬緩傾斜厚礦體.礦體埋藏標(biāo)高為+102～+240 m，距地表深度為75～250 m，地表平均標(biāo)高+340 m.小礦體分布比較零散且品位比較低，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下尚不具備開采價(jià)值.

V礦體上盤以大理巖、大理巖化灰?guī)r為主，次為矽卡巖；礦體下盤以石英巖、石英砂巖為主，次為矽卡巖和變質(zhì)砂質(zhì)泥巖.礦巖致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，完整性好，屬穩(wěn)固至極穩(wěn)固礦體.礦巖的巖石力學(xué)參數(shù)見表1.

1.2 采礦方法

礦山采用平硐-盲豎井聯(lián)合開拓，采用階段礦房法，礦房沿走向布置，礦房長度為40 m，間柱寬度為10 m，礦房寬度等于礦脈水平厚度，中段高度為35 m左右，中段頂板6 m，不回采，底板高10 m，采完后回采掉.

表1 礦巖的巖石力學(xué)參數(shù)

2 地表移動(dòng)帶的初步圈定

初步圈定地表移動(dòng)帶時(shí)只需按巖石移動(dòng)角畫出礦體上、下盤及沿礦體走向兩端的巖石移動(dòng)界限，就可圈出地表的巖石移動(dòng)范圍.礦巖的巖石移動(dòng)角見表2.

具體方法和步驟如下：

（1）在勘探線剖面圖上按礦體開采的最低水平畫出礦體上下盤的巖石移動(dòng)界限.

無極之道里沒有一個(gè)壞人，也沒有一個(gè)好人，在這個(gè)虛構(gòu)的寓言里，他們都是最為真實(shí)的人。兒時(shí)的傾城為了活命欺騙了一個(gè)純真的孩子，她背叛了她的諾言。恨意在無歡心里增長，從此他缺乏安全感并且工于心計(jì)，并以此來保護(hù)自己。在大將軍光明面前，他打心里認(rèn)為自己永遠(yuǎn)是個(gè)二流貨色，他的自卑帶給他無窮的恐懼。傾城選擇了滿神給出的命運(yùn)，滿神又改變了大將軍光明的命運(yùn)，大將軍光明與之抗?fàn)幰沧⒍ㄊ?。無極之道的悲劇在于自然人性與命運(yùn)抗?fàn)幍淖⒍ㄊ　?/p>

（2）在地形地質(zhì)平面圖上畫出勘探線剖面圖巖石移動(dòng)界限與地表交點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)位置.同理可標(biāo)出其他勘探線與地表交點(diǎn)的坐標(biāo)位置，以此類推.

（3）將相鄰勘探線的各點(diǎn)連成直線，而礦脈的兩端點(diǎn)則分別與鄰近勘探線的上下盤連成直線，適當(dāng)修正即可得閉合型地表土巖移動(dòng)范圍圖.

由于篇幅所限和實(shí)際繪圖的復(fù)雜性，本文只給出垂直礦體走向剖面和沿礦體走向剖面的移動(dòng)帶界線圖，如圖1所示，旨在說明方法，其他的以此類推.

表2 礦巖巖石移動(dòng)角

圖1中地表移動(dòng)帶的范圍可從CAD圖中圈出.X軸即垂直礦體走向范圍是58.37～531 m，長度為472.63 m；Y軸即沿礦體走向范圍是78.91～371.09 m，長度為292.18 m.

圖1 地表移動(dòng)帶界線的圈定

3 地表移動(dòng)帶的數(shù)值模擬

當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)帶初步圈定完畢后，通常需按實(shí)際可能移動(dòng)的情況作適當(dāng)調(diào)整.傳統(tǒng)的做法是：結(jié)合礦山的實(shí)際情況憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)作修正，此過程中必定會(huì)摻雜設(shè)計(jì)者的主觀意識(shí)，難免產(chǎn)生偏差.這里，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件結(jié)合礦山的實(shí)際情況，構(gòu)建數(shù)值模型，對(duì)地表移動(dòng)帶的界線進(jìn)行模擬，為初步圈定的地表移動(dòng)帶的修正提供定量的參照.

3.1 模型的建立

模型以X-Y平面為地平面，Y軸為礦體的走向，Z軸為礦體的標(biāo)高，取X方向邊界范圍為0～680 m，Y軸方向邊界范圍為0～450 m，Z軸方向邊界范圍為+2～+340 m,在FLAC3D中由下而上分組建立模型，然后用“Attach Face All”整合所有面，使之連接成為一個(gè)整體[4].本模型劃分后共有204015個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，181620個(gè)單元體.模型圖如圖2所示.

圖2 礦體未回采模型

3.2 定義模型材料屬性

本模型選用摩爾-庫倫模型，模型賦值所需的巖體力學(xué)參數(shù)見表3.

3.3 數(shù)值模擬目的和邊界條件

（1）模型兩端x方向位移固定；

（2）模型兩端y方向位移固定；

（3）模型底部固定,頂部為自由面.

3.4 開挖計(jì)算

首先計(jì)算在沒有回采狀態(tài)下，由于重力引起的沉降位移和速度，使之歸零[5-6].然后計(jì)算所用礦房均回采完畢時(shí)地表發(fā)生變形破壞的范圍.設(shè)置結(jié)算精度為1e-5，計(jì)算其結(jié)果.

表3 數(shù)值模型參數(shù)

圖3 礦體完全回采后垂直礦體走向模型

3.5 結(jié)果分析

FLAC3D具有強(qiáng)大的后處理功能[7]，通過運(yùn)行程序模擬計(jì)算得到了由于所有礦房回采后地表發(fā)生變形和破壞的范圍，即地表移動(dòng)帶界線的范圍，如圖4、圖5所示.

圖4 表土層X方向位移

圖5 表土層Y方向位移

由圖4、圖5可以很直觀的看出地表發(fā)生移動(dòng)變形的范圍.《煤礦測(cè)量試行規(guī)程》規(guī)定：對(duì)于一般磚石結(jié)構(gòu)，其地表水平變形的臨界值為2 mm/m[8].所謂臨界值就是無需維修就能保持建筑物及各種設(shè)施正常使用所允許的最大變形值.據(jù)此可以圈定地表移動(dòng)帶X軸即垂直礦體走向范圍是68.33～542.60 m，長度為474.27 m；Y軸即沿礦體走向范圍是47.20～407.3 m，長度為360.10 m.這與圖1所得的初步移動(dòng)帶的范圍有差異：其中垂直礦體走向上的偏差較小，起點(diǎn)和終點(diǎn)的偏差均為10 m左右，長度基本相同；沿礦體走向上的偏差較大，起點(diǎn)偏差32 m左右，終點(diǎn)偏差達(dá)36 m，長度偏差為68 m.因此有必要對(duì)初步移動(dòng)帶的范圍進(jìn)行修正.

4 地表移動(dòng)帶的修正

鑒于上述分析結(jié)果，對(duì)初步得到的地表移動(dòng)帶的界線進(jìn)行修正.修正方法有很多種，結(jié)合本礦山具體的工程地質(zhì)條件，對(duì)于X軸方向取其坐標(biāo)的算術(shù)平均值對(duì)其修正；對(duì)于Y軸以數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)其修正.修正后的地表移動(dòng)帶的范圍是：X軸即垂直礦體走向范圍是63.33～536.3 m，長度為427.77 m；Y軸即沿礦體走向范圍是47.2～407.3 m，長度為360.1 m.

鑒于Y軸方向即沿礦體走向偏差較大，為了檢驗(yàn)所得結(jié)果的合理性，在地表Y軸方向進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè).監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：210中段（Ⅰ中段）回采完畢后地表移動(dòng)帶臨界值點(diǎn)的相對(duì)Y坐標(biāo)為350 m，至175中段（Ⅱ中段）回采完畢后，臨界值點(diǎn)的相對(duì)Y坐標(biāo)擴(kuò)大到372 m.隨開采深度的增加對(duì)地表移動(dòng)帶影響會(huì)越來越小，結(jié)合210中段和175中段回采所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，估算出下兩中段的回采將導(dǎo)致移動(dòng)帶臨界值點(diǎn)的相對(duì)Y坐標(biāo)擴(kuò)大到392～407 m.這個(gè)范圍在初步圈定地表移動(dòng)帶的范圍之外，在修正后的地表移動(dòng)帶的范圍之內(nèi).結(jié)果表明修正后的地表移動(dòng)帶的范圍是可靠的.

5 結(jié)束語

通過上述實(shí)例，可見通過運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)地表移動(dòng)帶的范圍進(jìn)行模擬，并以數(shù)值模擬的結(jié)果作定量參照對(duì)初步圈定的地表移動(dòng)帶進(jìn)行修正的做法是可行的.這種做法可以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)者在地表移動(dòng)帶修正過程中憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正所帶來的誤差，確保地表移動(dòng)帶圈定的精確合理性，可供采礦同行們參考和研究，也可供礦山設(shè)計(jì)部門決策時(shí)作參考.

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The Application of FLAC3Din Delineating Surface Movement

LI Xiang,Lü Ling-zhi,XIE Xiao-bin

（Faculty of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000,China）

The drawbacks of the traditional method of delineating surface movement were described in this paper.Take an iron for example,firstly,we preliminary delineate surface movement with traditional method.Then,the scope of surface movement with FLAC3Dwas imitated.Combining practical geological conditions and the imitative result as quantificational reference for comparison and analysis,the surface movement was revised.Finally,the scope of surface movement was delineated scientifically.

surface movement；FLAC3D；traveling angle；failure strain.

TD325

A

1674-9669（2011）04-0076-05

2011-04-28

李 想（1986- ），男，碩士研究生，主要從事地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析方面的研究，E-mail：254044497@qq.com.