基于Flac3D的露天转地下开采崩落岩石移动角的确定

基于Ｆｌａｃ３Ｄ
的露天转地下开采崩落岩石移动角的确定
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；Ｅ ｍａｉｌ：ｓｄｍｘｈｋ＠１６３．ｃｏｍ
许宏凯
（山东省冶金设计院股份有限公司）
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）１１－００５３－０４
ｄｏｉ：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１９００～２１００ｍ。

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１２０ｄ，最深冻土为２．３ｍ。

年降雨量平均为１９０ｍｍ，年日照３１８０ｈ，对照烈度为７度，四季多风，平均风速为５．４ｍ／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１７０８ｍ。

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１２００ｍ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１２０ｍ，分段高度为１５ｍ，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，岩石强度高，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１９００ｍ，宽５～１０ｍ；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。

表１　矿体及围岩物理力学性能参数
岩性
视密度／（ｋｇ·ｍ－３）自然吸水率／％抗压强度／ＭＰａ抗拉强度／ＭＰａ抗剪强度变形参数内聚力／ＭＰａ内摩擦角／（°）弹性模量／１０３ＭＰａ泊松比普氏硬
度系数
层位
千枚岩
２９０７０．０７７３．３８３．９７６．７２５２．５４０．４１０．３５６．５顶板透闪石型磁铁矿３８９９０．０５１１０．８２１０．５１２３．９６４１．６００．４３０．２７１０．５矿体千枚岩
３１６１０．０６４５．３５５．０１１９．１２３９．５２０．３００．３８４．０底板石榴石黑云母片岩
２７１８
０．６７
２２．９３
５．５６
１９．７０
２３．７６
０．２５
０．３０
１．５顶板
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）。

Ｆ
ｌａｃ３Ｄ
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１０００ｍ，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。

图１　１９勘探线地质剖面示意图
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。

图２　１９勘探线地质剖面二维模型
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５０～３５０ｍ，大多在１５０ｍ左右，故本次模拟开挖地下采空区长度为１５０ｍ，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。

图３　ｘ
方向应力等值线图
图４　ｙ方向应力等值线图
另外，分别设置地下模拟开挖采空区长度为５０ｍ、
图５　ｘ方向位移等值线图图６　ｙ方向位移等值线图２５０ｍ、３５０ｍ的模型进行模拟计算，将所得的ｙ方向位移等值线图与１５０ｍ开挖范围的等值线图进行对比分析，
结果见图７～９。

图７　开挖长度为５０ｍ时ｙ方向位移等值线图
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３５ＭＰａ，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
图８　开挖长度为２
５０ｍ时ｙ方向位移等值线图
图９　开挖长度为３５０ｍ时ｙ方向位移等值线图
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３ｍｍ／ｍ，其计算见式（１）、图１０。

ｉＡＢ
＝ｓＢ－ｓＡｌＡＢ＝ΔｓＡＢ
ｌＡＢ
（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）。

图１０　地表倾斜计算示意图
取ｓ
Ａ
＝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５０ｍ时，地表发生移动的移动角为７０°；②开挖长度为１５０ｍ时，地表发生移动的移动角为６８°；③开挖长度为２５０ｍ时，地表发生移动的移动角为６６°；④开挖长度为３５０ｍ
时，地表发生移动的移动角为６５°。

由于选取ｓ
Ａ
＝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］　黄志安，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．
Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｃａｖｅｄｒｏｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｇｌｅ
ｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｏｐｅｎ ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＦｌａｃ３Ｄ
ＸｕＨｏｎｇｋａｉ
牗ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．牞Ｌｔｄ．牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ａｍｉｎｅｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｏｐｅｎ ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｕｓｅｐｉｌｌａｒｌｅｓｓｓｕｂｌｅｖｅｌｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｇｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｒｏｕｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ牞ａｎｏｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＦｌａｃ３Ｄｍｉｎｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ牞ａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃ ｐｌａｓｔｉｃｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｍｉｎｅｄ ｏｕｔａｒｅａａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｒｏｃｋｗａｓｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｇｌｅｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｂｅ６５°．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇａｎｄｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍｉｎｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｒｏｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｇｌｅ牷Ｆｌａｃ３Ｄｍｉｎｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ牷ｐｉｌｌａｒｌｅｓｓｓｕｂｌｅｖｅｌｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ牷ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｏｐｅｎ ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ牷ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ。