房洪亮 王宇驰

摘要： 在矿山进行地下开采时，会造成许多空区，这些空区是否稳定对矿山安全有着很大影响，为了研究研究空区稳定性的影响因素，文章运用FLAC3D数值模拟软件建立一个简化模型对何家采区空区进行分析，从厚跨比进行了多组模型数值模拟分析，确定了几个因素对空区围岩及顶板稳定的影响，对生产实际有着一定的指导作用。

Abstract： When underground mining is carried out in mines， many empty areas will be created. Whether these empty areas are stable or not has great influence on mine safety. In order to study the influencing factors of the stability of the empty area， the article uses FLAC3D numerical simulation software to establish a simplified model to analyze the empty area of Hejia mining area. Multiple sets of models numerical simulation analysis is carried out from thick-span ratio， thus determining the influence of several factors on the surrounding rock and roof stability of the empty area， and has a certain guiding effect on production practice.

关键词：空区稳定性；数值模拟；内摩擦角；粘聚力；厚跨比

Key words： empty area stability；numerical simulation；internal friction angle；cohesive force；thick-span ratio

中图分类号：TD804 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0191-02

0 引言

为便于分析问题，本文中将何家采区空区硐室围岩应力考虑为均布压力状态，将围岩体考虑成各向同性的连续均匀介质。在实际情况中空区硐室的轴向长度较长，且在该方向上不需要考虑自由面影响，可转化为平面应变问题[1]。但FLAC3D后处理体积应变云图与塑性区云图用于判定松动圈范围上简洁明了，仍用三维计算，在厚度方向只需取一个单位网格，快捷又不会对结果产生影响。以左右边界为模型位移边界；模型边界Y轴方向为整体约束，模型底部约束Z方向为滑动支座，只考虑计算精度话，模型的几何尺寸应取实际值[2]，但为了减小边界对空区硐室的影响，一般将左右边界距离硐室的距离确定为3-5倍的跨度。由于硐室高2.5m模型底面对硐室影响模型较小，模型的底边界到硐室底面取5m，如图1所示。由于岩石多被剪切破坏，而摩尔·库仑准则有着全面反映岩石强度特点的优点，且适用于脆性材料的剪切破坏；故采用摩尔·库仑模型计算。控制在一定范围空区规模、深度及围岩的力学性质、边界条件都影响着上覆地表承载能力。为使机械设备、车辆能够安全或部分限制的通过，空区需有一定的承载力，所以根据现场实际情况选取最不利荷载，在空区顶部5m范围内作用1MPa的荷载。

1 不同厚度的顶板影响分析

为了获得顶板的安全厚度，要对不同厚度的顶板利用FLAC-3D数值模拟软件进行模拟计算，观察x-x方向的应力值即不同厚度顶板处水平方向的拉应力值，进而和顶板处的抗拉强度比较得出安全厚度。在此过程中，为便于分析只计算顶板在其重力作用下产生的拉应力。查阅有关资料，可以把顶板容许抗拉强度[σ]看作是其抗拉强度[7]。

在本次模拟计算中，初始顶板的厚度设为4m，以后每次计算顶板的厚度增加1m，以此类推。根据本次模拟结果，不同厚度的顶板处所对应的水平方向应力分布情况分别如下，如图1所示。

图1中顶板厚度取值为4-9m时，其顶板处的水平方向应力分布云图依次如a-f各图所示。由应力分布云图和顶板厚度与拉应力曲线图可以得出，顶板下表面的拉应力是不受顶板的厚度变化的影响，无论如何变化此拉应力总是存在。但是随着顶板厚度的逐渐增大顶板处的最大拉应力的数值会随之减小。顶板处的最大拉应力的减小量在顶板厚度在4-7m之间时比较大，但应力的减小程度会随着顶板厚度的增加而越来越弱。

在本次的数值模拟中，当顶板的厚度为7m，顶板的抗拉强度仍然为[σ]=0.8MPa，空区初始跨度设为10m，其跨度以每次增加1m来变化。模拟计算结果显示，当空区的跨度为15m时计算结果收敛，但当跨度为16m时计算结果却不再收敛。而15m跨度的拉应力的值近似于顶板的抗拉强度，因此根据计算模拟结果可以得出结论：空区跨度为15m时是顶板厚度为7m的最大安全跨度。

根据上述模拟分析，当顶板厚度为7m时，13-15m的空区跨度的范围下顶板处的拉应力值虽然小于极限值，但两者的差距非常小，所以不能保证其安全性，不能作为空区跨度的安全范围，综合分析跨度范围为10-13m时是其安全跨度。由此可知，在进行开采时不能为了增加产量随意的加大空区的跨度，超过一定的跨度范围将会严重影响空区顶板的承载能力，导致承载力降低顶板坍塌。所以在开采过程中应根据实际开采环境，对应不同的顶板厚度选取合适的空区安全跨度。

2 总结

本文通过FLAC3D數值模拟软件建立模型，计算应力状态和塑性区分布，研究了不同跨度情况下空区稳定性，得出如下结论：在平面顶板情况下，跨度为10m的空区顶板的安全厚度为4-7m，超过范围顶板下表面的拉应力减小量很小，所以只增大顶板厚度没有意义。同时不能为了增加产量随意的加大空区的跨度，超过一定的跨度范围将会严重影响空区顶板的承载能力，导致承载力降低顶板坍塌。

参考文献：

[1]夏峰，薄景山，郑涛，等.基于FLAC3D的矩形硐室围岩松动圈确定[J].防灾科技学院学报，2010，12（4）：66-69.

[2]王希锁.深井复杂地层高应力硐室与巷道支护技术研究[D].中国矿业大学（北京）硕士论文，2013.

[3]梅振宙，刘承磊，杨旭然，等.内摩擦角对地下硐室围岩松动圈的影响[J].中国水运（下半月），2013，13（2）：233-234.

[4]王勇刚.嵌岩桩承载性状有限元分析[J].长江科学院院报，2010，27（3）：1-5.

[5]张飞，刘德峰，王滨，等.FLAC在采空区稳定性分析中的应用[J].有色金属（矿山部分），2013，65（05）：28-39.