Stability classification of filling body's base plate based on ANSYS and GeoStudio coupling
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摘要: 武山铜矿胶结充填体顶板在自重应力、爆破振动等作用下产生的不同宽度和深度的裂隙，当裂隙达到一定规模时将影响充填体的稳定性，本文采用ANSYS软件和GeoStudio2007的SIGMA/W模块来模拟含裂隙充填体顶板的应力应变情况，通过两个数值模拟软件的模拟结果的对比验证，研究含裂隙条件下的充填体稳定性，对充填体顶板在不同深度、宽度裂隙影响下的稳定性进行了分级并针对含裂隙顶板的不同稳定性状态提出了合理的支护建议.Abstract: Cracks of different widths and depths are observed in the cemented backfill roof in Wushan Copper Mine resulted from gravity stress and blasting vibration. The stability of backfill is affected when the cracks reach a point. This paper uses ANSYS software and GeoStudio2007 SIGMA/W module to simulate the stress-strain in the roof fissure filling body. The stability classification of filling body's base plate is studied based on ANSYS and GeoStudio coupling. Corresponding suggestions are put forward according to different stability statuses.
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Keywords:
- filling body /
- numerical simulation /
- stability /
- crack
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0 引言
武山铜矿北矿带是该矿区的主要生产矿带，北矿带主要矿体赋存于断裂破碎带中，矿带矿体上盘围岩为铁质粘土、高岭土等强风化岩组；下盘围岩为泥盆系上统含砾石英砂岩，与北矿带矿体呈不整合接触，含砾石英砂岩节理发育，在节理密集地段，岩体分割成碎块状，呈碎裂结构.武山铜矿现采用下向进路式胶结充填法回采矿体，该方法采矿作业面顶板为胶结充填体，因此胶结充填体的稳定性对该采矿方法至关重要.胶结充填体顶板在自重应力、爆破振动等作用下经常产生不同深度和角度的裂隙，从而导致充填体整体强度下降，容易发生顶板冒落事故，在开采过程中存在安全隐患，给生产带来严重威胁.
裂隙对顶板稳定性的影响比较复杂，它涉及到裂隙宽度、深度等诸多方面，而武山铜矿采场中出现的裂隙主要以垂直裂隙为主，为了研究裂隙对采场顶板稳定性的危害程度，因此有必要通过数值模拟方法，对胶结充填体顶板稳定性影响进行分类，以便矿山技术人员掌握裂隙状态确定顶板是否需要支护.[1-4]
1 模拟软件介绍
采用GeoStudio2007的SIGMA/W模块和ANSYS软件来模拟采场中含裂隙顶板的应力应变情况，通过2个数值软件模拟结果的对比验证，分析含裂隙顶板稳定性情况.
GeoStudio2007的SIGMA/W模块是一款用来进行结构应力和变形分析的有限元软件，它可以分析简单和高度复杂的问题，可应用于岩土、土木和采矿工程的分析和设计[5].
ANSYS软件计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力[6-7].
2 模拟准备
2.1 模型的建立及尺寸
地下工程地质结构复杂，影响采场稳定的因素也很多，在保证计算结果可靠性的前提下做一些假设和简化：① 模拟介质（岩体及充填体）为理想的弹塑性体；② 忽略模拟介质变形的时间效应以及地下水对介质的影响；③ 进路的受力及变形是平面应变问题；④ 模拟岩体及充填体为均质的、各向同性的连续介质；⑤ 只考虑自重应力场对模型形成的影响.
模型的几何尺寸可根据计算目的及采矿工艺确定，工程实际中开采断面尺寸4 m×3 m（宽×高），且地下局部开挖仅对其周围3~5 m范围内有扰动影响，因此设计进路上、下、左、右模拟介质的尺寸为进路尺寸的5倍.考虑进路长度远远大于进路的宽度及高度，因此可将本算例视为平面应变问题，通过分析最终确定计算模型几何尺寸44 m×33 m（宽×高），如图 1、图 2所示；
本次模拟目的是关注开采进路断面含裂隙顶板在竖直方向的位移变化、出现塑性区面积及出现位置，故网格在裂隙附近进行加密处理，采用网格基本单元长度为1 m，在裂隙位置处，裂隙在竖直方向网格单元长度为0.005 m，裂隙水平方向网格单元长度为0.001m.模型在竖直方向从上至下分为上覆围岩层、充填体层、矿层3个主要分层，为了模拟方便，将上部岩层的重量利用加载来实现，加载力的大小根据上覆岩层的容重来确定[8].
2.2 本构模型及边界条件
数值模拟涉及到的岩石、充填体均属于弹塑性材料，可采用能考虑剪切破坏并直观显示主应力的Mohr-Coulomb屈服准则，Mohr-Coulomb准则的剪切破坏判据为：
$$ {f_{\rm{s}}} = {\sigma _1} - {\sigma _3}{N_\varphi } + 2c\sqrt {{N_\varphi }} $$ (1) 其中：
$$ {N_\varphi } = \frac{{1 + \sin \varphi }}{{1 - \sin \varphi }} $$ (2) 式(1)、式(2)中：σ1、σ3分别为最大主应力、最小主应力；c、φ分别为材料粘聚力、内摩擦角.fs为破坏判断系数，当fs≥0时，材料处于塑性流动状态；当fs≤0时，材料处于弹性变形阶段.
模型的左右边界限制水平向位移，模型下边界固定，上边界施加上覆岩层重量[9].
2.3 充填体力学参数
模拟材料的力学参数见表 1所示.
表 1 岩体及充填介质力学参数类型 密度/（kN·m-3） 弹性模量/GPa 泊松比 抗拉强度/MPa 粘聚力/MPa 内摩擦角/（°） 矿体 35 40 0.30 16 22 36 1:8充填体 20 0.42 0.07 0.3 0.5 16 1:4充填体 20 0.69 0.14 0.42 0.6 18 2.4 模拟方案设计
本次数值模拟采用正交试验设计，主要是针对不同宽度、不同深度垂直裂隙对充填体顶板稳定性的影响.武山铜矿采场出现的裂隙宽度在1~3 cm范围之内，因此确定模拟裂隙的宽度分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm.北矿带中段高度为50 m，分段高度为10 m，采场分层高度3.5 m，模拟裂隙深度分为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、300 cm和400 cm.
3 模拟结果分析
3.1 ANSYS结果分析
运用ANSYS模拟软件分别得出了不同裂隙宽度、深度条件下在X方向和Y方向的拉应力以及平面拉应力[10].
受篇幅所限本文只介绍平面拉应力，通过提取ANSYS软件计算结果中平面拉应力图，如图 3所示.利用Matlab软件对图像进行处理，计算出不同裂隙宽度、深度条件下平面拉应力面积.如表 2所示：
表 2 不同深度、宽度裂隙平面拉应力面积深度/cm 宽度/cm 10 20 30 40 50 10 2.27 2.30 2.30 2.32 2.30 20 2.48 2.48 2.48 2.52 2.48 30 2.54 2.51 2.57 2.57 2.55 40 2.69 2.70 2.73 2.75 2.71 50 2.82 2.85 2.86 2.85 2.78 100 2.60 2.56 2.61 2.62 2.64 150 2.80 2.84 2.83 2.87 2.84 200 3.19 3.19 3.25 3.26 3.27 300 3.84 3.84 3.85 3.82 3.88 400 4.03 4.10 4.12 4.18 4.25 根据上表中的平面拉应力面积数据绘制了不同宽度、深度裂隙拉应力面积变化曲线见图 4.
从图 4可以发现，裂隙深度在0~50 cm范围内，裂隙处所受拉应力区域面积随着深度的增加而增大；在50~100 cm范围内时拉应力区域面积骤然下跌，骤变原因是在裂隙深度在100 cm时，裂隙X方向的拉应力向裂隙深处发展，靠近裂隙深处的拉应力面积在增加，而在靠近顶板位置的拉应力面积相对于裂隙深度100 cm以下的拉应力面积减小；在裂隙深度100 cm之后，随着裂隙深度的增加而拉应力面积在增大，因此从平面拉应力面积变化趋势看，100 cm深度是裂隙拉应力分布变化的一个分界点.
3.2 GeoStudio结果分析
分析Y方向的位移以30 mm宽裂隙为例，我们发现30 mm宽度裂隙随着裂隙深度的增加，Y方向的下沉位移在增大，Y方向的位移等值线由平缓逐渐向裂隙处发展，呈倒三角形.在裂隙靠近顶板位置处出现新的位移，并且随着裂隙深度的增加裂隙靠近顶板位置处位移等值线区域在逐渐增加，其他宽度裂隙也呈类似状况.模拟显示裂隙在深度为100 cm后，裂隙顶板下沉位移在增加，因此100 cm是裂隙受力状态的一个分界点，如图 5所示.
分析裂隙周围塑性区分布仍以30 mm宽裂隙模拟数据为例，结果显示相同宽度的裂隙随着裂隙深度的增大，开采断面上方的塑性区逐渐向裂隙附近发展，在150 cm深度时，裂隙附近塑性区向裂隙顶端位置回合；在300 cm时裂隙塑性区贯通，此时裂隙可能会引起顶板发生局部冒落，在400 cm时，裂隙顶端整体贯通，顶板会直接冒落，因此对于充填体顶板裂隙，裂隙深度为300 cm是顶板受力的一个分界点，同时在裂隙宽度较小情况下，裂隙深度是影响充填体顶板稳定性的主要影响因素.
4 顶板稳定性分级与支护建议
4.1 稳定性分级
分析GeoStudio和ANSYS数值模拟结果可知，裂隙深度是裂隙受力状态的主要影响因素，并且裂隙深度100 cm和300 cm是裂隙处受力状态的一个分界点[11].结合武山铜矿北矿带下向进路式胶结充填采矿法，分析不同宽度不同深度垂直裂隙的拉应力区、塑性区及位移情况，胶结充填体顶板稳定性级别可分为三级，具体见表 3.
表 3 胶结充填体含裂隙顶板稳定性分级裂隙深度 稳定性分级 特征描述 ≤1m Ⅰ级 裂隙深度小于1m，此时胶结充填体顶板稳定，上覆岩层处于弹性变形状态，为安全状态. 1~3 m Ⅱ级 裂隙深度介于1m和3m之间，此时胶结充填体顶板部分破坏，此时顶板岩层中形成平衡拱结构，但鉴于顶板变形增加造成顶板下沉量远大于前一种情况，为危险状态. ≥3m Ⅲ级 裂隙深度大于3m，胶结充填体顶板冒落临界状态，上覆岩层的载荷超过顶板的承载极限，造成顶板结构破坏，可能发生冒落现象. 4.2 支护建议
采场支护是指在回采过程中对采场顶板、围岩进行加固的作业，以保障回采顺利进行.对胶结充填体顶板中出现的裂隙进行分级，根据分级结果，确定是否需要支护[12].
1）对于胶结充填体顶板内出现的单个裂隙的级别情况可根据以下建议进行处理：Ⅰ级：根据数值计算结果，顶板下沉位移较小，且顶板处于弹性变形状态，因此不进行支护处理，在生产作业期间中，继续对该处裂隙探测，以确定裂隙是否会继续发展.Ⅱ级：该级裂隙随着裂隙深度的增加，拉应力区域沿着裂隙深度发展，且下沉位移逐渐增大，塑性区也在扩大，因此在裂隙出现区域采用木支护，支护间隔不大于1 m，且顶板用木垛背实；支护坑木直径不小于Φ18 cm.Ⅲ级：该级裂隙在裂隙处出现塑性区贯通，位移下沉明显增大，因此在裂隙出现区域采用密集木支护，支护间隔不大于0.5 m，且顶板用木垛背实；支护坑木直径不小于Φ18 cm，同时该进路尽快充填.
2）对胶结充填体顶板某区域密集出现多个裂隙级别情况时可根据以下建议进行处理：Ⅰ级：不进行支护处理，在生产作业期间中，继续对该处裂隙探测，以确定裂隙是否会继续发展.Ⅱ、Ⅲ级：在裂隙出现区域采用密集木支护，支护间隔不大于0.5 m，且顶板用木垛背实；支护坑木直径不小于Φ18 cm，同时该进路尽快充填.
5 结论
通过对裂隙进行分级，我们发现武山铜矿目前出现的裂隙多处于Ⅰ级别；位于-230 m中段E10盘区裂隙2处于Ⅱ级，说明武山铜矿多进路开采的情况下，胶结充填体顶板中出现裂隙属于小概率事件，顶板的稳定性关键在于充填的灰砂比.对于已经出现的顶板裂隙可运用前述处理建议作为处理措施[13].
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表 1 岩体及充填介质力学参数
类型 密度/（kN·m-3） 弹性模量/GPa 泊松比 抗拉强度/MPa 粘聚力/MPa 内摩擦角/（°） 矿体 35 40 0.30 16 22 36 1:8充填体 20 0.42 0.07 0.3 0.5 16 1:4充填体 20 0.69 0.14 0.42 0.6 18 
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表 2 不同深度、宽度裂隙平面拉应力面积
深度/cm 宽度/cm 10 20 30 40 50 10 2.27 2.30 2.30 2.32 2.30 20 2.48 2.48 2.48 2.52 2.48 30 2.54 2.51 2.57 2.57 2.55 40 2.69 2.70 2.73 2.75 2.71 50 2.82 2.85 2.86 2.85 2.78 100 2.60 2.56 2.61 2.62 2.64 150 2.80 2.84 2.83 2.87 2.84 200 3.19 3.19 3.25 3.26 3.27 300 3.84 3.84 3.85 3.82 3.88 400 4.03 4.10 4.12 4.18 4.25
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表 3 胶结充填体含裂隙顶板稳定性分级
裂隙深度 稳定性分级 特征描述 ≤1m Ⅰ级 裂隙深度小于1m，此时胶结充填体顶板稳定，上覆岩层处于弹性变形状态，为安全状态. 1~3 m Ⅱ级 裂隙深度介于1m和3m之间，此时胶结充填体顶板部分破坏，此时顶板岩层中形成平衡拱结构，但鉴于顶板变形增加造成顶板下沉量远大于前一种情况，为危险状态. ≥3m Ⅲ级 裂隙深度大于3m，胶结充填体顶板冒落临界状态，上覆岩层的载荷超过顶板的承载极限，造成顶板结构破坏，可能发生冒落现象.
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[1] 中华人民共和国国家标准.有色金属采矿设计规范(GB50771-2012)[S].北京:中国标准出版社, 2012. http://www.doc88.com/p-3177521104258.html [2] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994. [3] 李华, 焦彦杰, 杨俊波.浅析地质雷达技术在我国的发展及应用[J].物探化探计算技术, 2010, 32(3):292-299 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTHT201003014.htm [4] 黄玲, 曾绍发, 刘四新等.钢筋混凝土缺陷的探地雷达(gpr)检测研究[C]//中国地球物理第21届年会论文集.长春:吉林大学出版社, 2005, 201. [5] 李俊平, 连民杰.矿山岩石力学[M].北京:冶金工业出版社, 2011. [6] 崔栋梁, 李夕兵, 李永刚等.数值模拟在新城金矿V矿体开采中的应用[J].有色金属(矿山部分), 2006, 58(6):1-4. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKU200606001.htm [7] 李明, 胡乃联, 于芳等, ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用[J], 有色金属(矿山部分), 2005, 57(5):45-47. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKU200505017.htm [8] 程进.基于ANSYS的程序界面设计及应用[J], 四川建筑科学研究, 2002, 28(6):49-52.. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ACZJ200202019.htm [9] 王凤丽, 在ANSYS中建立复杂有限元模型[J], 哈尔滨理工大学学报, 2003, 8(3):22-24. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HLGX200303007.htm [10] 谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社, 2002. [11] 王新民, 王长军, 张钦礼等.基于ANSYS程序下的采场稳定性分析[J].金属矿山, 2008, 386:17-20. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS200808004.htm [12] 施建俊, 孟海利.采场结构参数与回采顺序的数值模拟优化研究[J].有色金属(矿山部分), 2005, 57(2): 9-11 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKU200502004.htm [13] 王友海.大型有限元分析软件ANSYS的特点[J].建筑机械, 2000(9):56-59. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJX200009012.htm
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