采空塌陷影响因素分析及颗粒元数值模拟研究.pdf

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1、第30卷第1期矿冶工程Vo1．3ONo12010年02月MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGFebruary2010采空塌陷影响因素分析及颗粒元数值模拟研究①马海涛，贺红生，王云海(1．中国安全生产科学研究院，北京100029；2．中国铝业股份有限公司山西分公司，山西河津043304)摘要：分析了顶板暴露面积、矿柱留设尺寸、开采深度、围岩性质、地质构造、工程扰动等因素对采空区稳定性的影响。提出了基于“复合应力拱”的采空群稳定性分析模型，并采用颗粒流数值模拟方法对具体工程案例进行了计算验证，结果与复合应力拱理

2、论具有良好的符合性，表明这一方法适用于分析采空塌陷等复杂的、不连续体的力学过程，对矿山的安全生产具有一定的指导意义。关键词：采空区；塌陷；颗粒流；数值模拟；复合应力拱中图分类号：TD327文献标识码：A文章编号：0253—6099(2010)02—0001—04StudyonFactorsAfectingGoafCollapseandNumericalSimulationwithParticleFlowCodeMAHai—tao，HEHong—sheng，WANGYun—hai(1．ChinaAcademyofSafetyScience

3、&Technology，Beng100029，China；2．ShanxiBranch，ChinaAluminumCoLtd，Herin043304，Shanxi，China)Abstract：Factorsaffectinggoafstability，suchasexposedroofarea，pillarsize，miningdepth，wallrockproperties，geologicalstructure，disturbanceofengineeringactivities，wereanalyzed．Amodelwaspro

4、posedforanalyzinggoafgroupstabilitiesbasedonthetheoryofcomplexstressarch，anditwasvalidatedbyarealcasewiththemethodofparticleflowsimulation．Thesimulationresultsshowedagoodcoherencewiththecomplexstressarchtheory．Thismethodisproventobeapplicableforanalyzingthemechanicproces

5、sofgoalcollapsewithcomplexityanddiscontinuity，whichisofgreatsignificanceforguidingsafetyproductioninmines．Keywords：goaf；collapse；particleflow；numericalsimulation；complexstressarch矿产资源地下开采留下了大量的采空区，特别是等。这些方法各有其适用条件。经典的有效区域自20世纪80年代以来，我国矿业开采秩序较为混乱，理论只能解决均匀分布的矿柱稳定性问题。矿柱分布非法

6、、无规划的乱采滥挖在一些国有矿山周边留下大不均匀时一般采用数值模拟方法。离散元方法作为描量的不明采空区¨，致使矿山开采条件恶化，给矿山述非连续介质的一种方法，可以很好的模拟岩石断裂生产和安全带来严重影响。地下采空区对工程的最主塌陷的整个过程，分析评价采空区的稳定性。要危害是采空区整体失稳，顶板大面积冒落，造成地表PFC(particleflowcode)颗粒流离散元法是由康德沉陷和开裂，并产生巨大气体冲击波和地震波，破坏地尔建立的应用于不连续岩体的数值方法。该法突表和井下工业设施，导致重大人身伤亡。2005年11破了有限元法的连续性假定

7、，特别适用于处理岩土体月6日，河北邢台石膏矿发生采空区坍塌，导致33人等离散介质的相互作用问题以及大变形问题，同时能死亡，属特别重大安全生产事故，直接经济损失744万处理范围广泛的材料本构关系、相互作用准则和任意元J。因此，需要对采空区顶板的稳定性进行安全评的几何形状。判研究。在颗粒离散元中，颗粒之间的交互作用是一种动矿房一矿柱组合的复杂采空群失稳是一个复杂的态平衡的发展过程，无论何时其内部力处于一种平衡动力学过程，国内外学者开展了大量相关研究工作。状态。通过跟踪单个颗粒的运动轨迹可以得到颗粒集采空区稳定性的定量安全评判方法有核区强度不

8、等理合体中的接触力和位移。外力和体力通过墙以及颗粒论、结构力学梁板理论、普氏拱理论、鲁佩涅伊特理论的行为产生作用，使运动在颗粒系统中进行传播。这①收稿日期：2009-09—13基金项目：国家“十一五”科技支