采用有限元法确定采场结构和参数.pdf

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1、2011年6月中国矿山工程Jun．．2011第4O卷第3期ChinaMineEngineeringVo1．40No．3采用有限元法确定采场结构和参数Determinationofstopestructureandparameterbyfinite——elementmethod黄文福(潘洛铁矿，福建漳平364405)摘要：采用三维有限元法模拟计算不同的采场结构，根据计算结果统计分析，可得到安全合理的采场结构和参数。关键词：采场；有限元；本构模型；屈服准则；暴露面积；位移；矿柱Abstract：Thedifferentstopes

2、tructuresweresimulatedby3Dfinite—elementmethod，thesafetyandreasonablestopestructureandpa—rameterwereobtainedaccordingtothestatisticanalysisofcalculatedresults．Keywords：stope；finite-element；constitutivemodel；yieldcriteria；exposedarea；displacement；pillar1前言有限元分析方法是一种非

3、常有效的数值分析方法，最早应用于航空航天领域，用来求解线性结构问题。有限元法的核心思想是结构的离散化，将实际结构假想地离散为有限个数目的规则单元系统，即将无限自由度的求解问题转化为有限自由度的问题，通过建立数学方程获得有限自由度的解，这样可以解决很多实际工程中理论分析无法解决的复杂问题。理论已经证明，只要将求解对象离散为足够小单元的系统，有限元法所得的解就可足够精确地迫近于真实值。经历了40多年的发展，数值模拟方法的基本理论已经日趋完善，复杂非线性问题各种算法得到很大发展，使经典力学解析方法难以解决的工程力学问题都可以用有限元

4、方法求解其过程。在模拟岩土工程领域，它可以用来求解弹性、弹塑性、粘塑性等问题，可以考虑粘性流变、渗流、温度、热导与应力场耦合、损伤及动力学效应等情况，就有限单元法本身来看，它对岩体、岩基、岩洞、岩坡的应力计算是非常适用的。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成。岩体的复杂程度使得当今最有力的分析和数值方法尚不能描述岩石变形的机理，因而只能从分析中得到对具有内在不确定性和多变性的岩体力学性质的定性的结论，即得到对物理过程总的了解。这种了解的价值对于设计来讲是至关重要的，明确了内在的机理，工程师就

5、能根据预计条件的变化进行设计。能否根据条件的变化来进行设计，是一个成功和经济的设计与费用高甚至会发生事故的设计的区别所在。2矿区地质和采矿情况本文所研究的矿山位于福建的戴玉山麓，矿体主要为矽卡岩型铁矿体，主要赋存于林地组粉砂岩和船山组第3期黄文福：采用有限元法确定采场结构和参数·35·灰岩的交界面及以上部位。区域内主要为石炭系上数：大理岩8，矽卡~y=12，花岗斑岩12；风化带．．统船山组灰岩和二叠系下统栖霞组灰岩，岩石一部发育情况：一般埋藏较浅的节理裂隙较发育，埋藏较分为大理岩，一部分交代成矽卡岩，区内岩浆发育遍深的致密坚硬

6、；统计得埋深0—50m的裂隙率为5％～及全区，岩性以燕山期酸性花岗岩，花岗斑岩为主，33％，50～100m为5％，100m以下裂隙较不发育。矿矿体分布于一个倾角20。～35。近东西向走向的板状区水文相对简单，岩体吸水率较小，在O．07％～0．1％，面上，各个矿体不连续，平均厚度多在10～20m左40中段以上标高长期排水，岩体中的渗流水压较右，矿体顶板多为矽卡岩和大理岩局部为花岗斑岩，小，模型中不考虑地下水的渗流影响。一些实测的底板以矽卡岩为主其次为大理岩。矿石普氏硬度系岩石力学参数见表1。表1矿岩物理力学参数矿山采用竖井开拓系

7、统，单翼回风，井口地面标表2计算用矿岩指标高210m，现井下最低中段标高40m，中段高度为30m，采用浅孔爆破落矿，采矿方法主要随矿体变化用留矿法、房柱法、全面留矿法，以往开采留下的采空区部分作隔离处理，部分用掘进渣充填。3有限元处理及计算只能为参考因素之一。大量的试验证明，岩体失稳有限元分析过程一般包括3个步骤：前处理、加都发生在峰值强度之后应变弱化段的某一区间。因载与求解、后处理。前处理包括定义单元类型、材料此，即使超过峰值强度，岩体也不一定失稳；而有时特性，创建几何模型，网格划分；加载和求解包括定岩体所受的应力未超过岩体

8、强度，当满足一定的条义分析类型和分析选项，施加载荷及约束，指定载荷件时也会失稳。因此，传统的强度判据只能作为辅步选项，求解；后处理包括从计算结果中读取数据，助参考。对计算结果进行各种后续分析。进行有限元岩体结(2)最大位移量。不同岩性和条件对于最大容构分析时，通常需要一系列的