FLAC3D数值模拟在采矿工程的应用

基于 FLAC3D 数值模拟的煤层群上行开采分析摘要：针对近距离煤层群上行安全高效开采上部遗漏煤炭资源的问题，采用理论分析和FLAC3D数值模拟实验相结合的方法，分析了近距离煤层群上行开采的采动影响范围，模拟了煤层群下部7号煤层1377工作面和9号煤层1397工作面开采后对上部5号煤层1357工作面产生的采动影响。

通过现场工业性试验表明：在1357工作面回采时，在回风巷端头开始80m范围内倾角变化量较大，可达2°至3°，80m范围以外煤层倾角基本无变化量；回风顺槽的下沉量从停采线向切眼方向下沉量从0.2m逐渐增大到4.2m，而运输顺槽的下沉量基本未发生变化，实现上部遗漏煤炭资源的安全开采，获取良好的经济效益和社会效益。

关键词：近距离；煤层群；上行开采；采动影响；数值模拟实验中图分类号：TD 822文献标识码：A1工程概况钱家营煤矿位于河北省，井田煤系属于下统二叠系和上统石炭系，中奥陶统马家沟组石灰岩构成基底地层，厚度500m左右的煤系地层，煤系共有十几层含煤层，煤层总厚度达19.79m，含煤系数3.96%。

井田内含6层可采煤层，即煤5、煤7、煤8、煤9、煤11、煤12-1。

煤层平均厚度分别为1.42m、3.24m、1.25m、2.2m、0.78m、2.29m，煤层平均间距分别为32.56m、6.26m、10.69m、15.24m、62.09m。

目前该矿井正开采5号煤层的1357工作面，工作面范围内煤层厚度在0.4～2.4m之间，平均厚度1.4m，开切眼附近和工作面中部为薄煤层开采条件，煤层厚度小于1.3m，5号煤层整体结构简单，赋存较稳定；煤层倾角在4～10°之间，平均7°，煤层走向在N50°～70°之间。

5号煤层1357工作面倾斜下方距离32.56m为7煤层1377工作面，已回采完毕；下方距离64.75m为9煤层1397工作面，正在回采；下方12-1煤层暂无工程施工。

Value Engineering0引言在煤矿进行开采推进时，采空区经常会发生冒落现象。

当发生冒落时，垮落的岩块会压缩采空区内的气体，速度极快的气流对井下人员造成危害。

由此可见，预测冒落出现时工作面的推进方位对确保井下人员的生命安全至关重要[1]。

1冒落现象的产生原因与过程分析1.1冒落现象的产生原因随着煤矿地下开采的不断深入，采空区内顶板岩层应力平衡被打破，并逐渐形成了新的应力状态。

当岩体中自身的承载力小于新的应力时，顶板岩层就会出现冒落现象[2]。

最初采空区覆岩体大多沿着破裂结构面移动，随之发生冒落。

但工作面的深入推进，采空区内的冒落现象发生频率不断增加。

当岩体中冒落现象积累到一定的程度时，采空区两端岩体所承受的剪应力逐渐增大，岩体沿着剪切断面滑移，发生大规模冒落。

由于岩层的移动，岩层顶板的临空面缺少支撑，临空面附近的岩体发生了应力重分布，采空区岩体将受到采空区四周岩体的挤压作用力，上覆岩层中区域的应力或增加，或减小，形成了增压区与减压区。

1.2过程分析1.2.1工作面初次来压随着工作面的推进深入，采空区上方的岩层出现部分断裂现象，开始向采空区冒落，一般将首次出现的大规模冒落称为初次冒落，垮落岩体使工作面承受了巨大的压力，称为工作面的初次来压[3]。

初次来压时，工作面的推进方位距开切眼煤壁的距离l p 称为初次来压步距,一般为25到30米。

发生初次来压时，煤壁会出现片帮，工作面支架受到了来自垮落岩体的压力。

因此工作面必须采取相应的安全措施，如加强放定线的支护等。

1.2.2周期来压随着采空区顶板岩层发生了初次垮落，工作面支架受到的压力降低，但当工作面继续向前推进时，采空区的顶板岩层在围岩应力与自身重力的作用下，新的冒落现象又———————————————————————收稿日期:2017年5月20日。

作者简介:李科（1992-），男，内蒙古乌海人，昆明理工大学，硕士研究生，地质工程专业。

基于FLAC3D 对煤矿地下开采中冒落带演变模拟研究Simulation Study on the Evolution of Caving Zone in Coal Mining Underground Mining Based on FLAC3D李科①LI Ke ;朱杰勇①ZHU Jie-yong ;高秀②GAO Xiu（①昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093；②阳泉煤业有限责任公司，阳泉045000）（①Faculty of Land Resource Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650093，China ；②Yangquan Coal Industry Co.，Ltd.，Yangquan 045000，China ）摘要:放顶煤采煤技术运用广泛，但在开采推进过程中，采空区会发生冒落现象。

FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用随着矿山的深入开采，越来越多的煤矿由浅埋向深埋方向逐渐发展，急倾斜软底综采工作面成为矿山开采的新趋势。

急倾斜软底综采工作面开采受到了来自地质构造、矿体力学性质、采煤机械设备等多方面因素的影响，因此在进行开采设计时，必须充分考虑地质工程条件和地下水文地质条件，以减小采场失稳的可能性，提高工作面的开采效率和安全性。

在这种情况下，FLAC3D数字模拟分析技术成为一种有效的工具，可以帮助工程师们在设计阶段更加准确地评估工作面的稳定性，并制定相应的安全防护措施。

FLAC3D是一种地下空间稳定性分析的三维数值模拟软件，它可以模拟岩土体在地下空间中受到外力作用的变形和破坏行为。

通过建立针对特定矿区的地质力学数值模型，结合地质构造、地下水文条件等信息，利用FLAC3D进行数字模拟分析，可以对急倾斜软底综采工作面进行稳定性评估，优化开采方案，并制定相应的安全防护措施。

在进行FLAC3D数字模拟分析时，首先需要获取矿体的地质特征、构造信息、地下水位及渗流规律等数据。

然后根据采矿压力、围岩稳定性、巷道支护等因素，建立FLAC3D的数值模型，模拟和分析矿山的地下稳定性。

通过对工作面周围围岩的受力、变形情况进行模拟，可以预测工作面的稳定性和采场支护的需要，为后续的设计和开采提供重要的参考依据。

采用FLAC3D进行数字模拟分析，可以帮助工程师们更加准确地评估急倾斜软底综采工作面的稳定性，并有效地预测可能出现的地质灾害。

在模拟分析结果基础上，工程师们可以形成相应的预警机制和紧急应对预案，及时采取措施，减少事故发生的可能性，保障工作面开采的安全。

基于FLAC3D数字模拟分析的结果，工程师们还可以优化工作面的开采设计和支护方式。

在模拟分析中，可以通过调整采场布置、支护形式和方式，提高工作面的稳定性，减少煤炭开采过程中的围岩破坏和积压导致的地质灾害风险。

针对急倾斜软底综采工作面的特殊地质条件和采煤机械设备的特点，FLAC3D数字模拟分析在选择适宜的开采工艺和支护措施方面，具有独特的优势。

FLAC3D在地下矿山采场稳定性分析中的应用摘要：在地下矿山生产体系中，矿体开挖的动态作业，会使得矿体应力平衡状态受到破话，在应力重新分布后，应力作用更加明显，因此对采场稳定性产生影响。

本文基于地下矿山采场失稳机理，说明FLAC3D在采场稳定性分析中的具体应用，并明确分析结论，以此为相关工作开展提供参考。

关键词：FLAC3D；矿山采场；稳定性分析FLAC3D是基于二维有限差分程序拓展而来，主要用于土质、岩石等材料三维结构受力特性模拟和塑性流动分析的软件。

基于模拟塑性破坏和塑性流动的准确分析，采用动态运动方程分析方法，能够较为快速、便捷的分析各种场景下特定材料三维结构受力情况。

在地下矿山生产中，做好采场稳定性分析，结合分析结果做好支护处理，是确保采场运行稳定、有效提升生产安全水平的基本保障。

1、地下矿山采场失稳机理1.1 采场围岩变形特性在地下矿山采场作业流程中，围岩内垂直方向的应力会明显大于水平方向应力，在顶板围岩除，拉应力作用较为显著。

而在拉应力超出极限并在继续开采作用下，必然会使得顶板及拐角部位发生裂隙现象[1]。

在支护不到位情形下，则会出现变形破坏甚至是塌落现象。

而在水平方向大于垂直方向应力时，顶板围岩则是受剪应力作用较为显著，使得围岩结构出现松动、错动或膨胀等现象，也会对造成围岩破坏，对生产运行安全产生影响。

1.2 采场失稳模式矿山采场失稳是地下矿山生产安全影响较为明显的问题，依据围岩变形特征和生产管理情况，失稳现象主要有三种模式：（1）顶板围岩局部位置为出现失稳，但矿柱能够保持稳定状态；（2）矿柱出现失稳现象，但顶板围岩依然较为稳定；（3）顶板和矿柱同时出现失稳现象。

虽然这三种模式的表现形式有所差异，但是在其中任何一种失稳现象发生时，都会由于进一步发展而造成采场整体稳定性不足，因此利用先进技术对采场进行稳定性分析，为支护设计处理提供精准参考，是生产安全管理工作需要关注的重点内容[2]。

FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用1. 引言1.1 研究背景急倾斜软底综采工作面是煤矿生产中常见的一种采矿工作面类型，具有工作面顶板厚度薄、倾角陡、软弱岩层易塌等特点。

在采矿过程中，急倾斜软底综采工作面存在着较大的安全隐患，容易发生顶板坍塌、支护破坏等事故。

将FLAC3D数字模拟分析技术应用于急倾斜软底综采工作面的安全防护设计中，对于提高工作面的安全性，减少事故发生具有重要的意义。

本研究旨在探讨FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用，为矿山生产安全提供参考依据。

1.2 研究意义急倾斜软底综采工作面是煤矿开采中常见的一种采煤工作面形式，具有煤层倾角大、地压大、岩层易变形等特点，工作面安全问题备受矿山生产管理者的关注。

在工作面的开采过程中，往往会遇到岩层崩塌、地压灾害等安全隐患，这不仅会导致人员伤亡，还会影响矿山的正常生产。

对急倾斜软底综采工作面的安全防护设计进行研究具有非常重要的意义。

通过对该工作面进行数字模拟分析，可以真实地模拟出施工过程中岩层的变形和破坏情况，为设计合理的安全措施提供科学依据。

数字模拟分析可以帮助预测工作面可能出现的危险情况，及时采取相应的应对措施，保障矿山生产的安全和稳定。

本研究旨在探讨FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的应用，为矿山生产管理者提供更加科学、有效的安全措施，以确保矿山生产安全，保障工人的生命财产安全。

【研究意义】1.3 研究目的研究目的是通过对急倾斜软底综采工作面进行FLAC3D数字模拟分析，探讨在开采过程中可能发生的地质灾害及其危害机理，为设计合理的开采安全防护方案提供科学依据。

具体目的包括：1. 分析工作面周围岩层的力学特性，预测可能出现的岩体位移、倾倒和坍塌等情况，为采矿区域的稳定性评价提供依据；2. 通过FLAC3D模拟，研究采场开采过程中可能导致的应力变化及岩体变形规律，为制定合理的支护设计提供参考；3. 基于FLAC3D模拟结果，分析不同开采方案对工作面稳定性和安全性的影响，为优化采矿方案和加强安全防护提出建议；4. 总结FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的应用效果，为矿山生产安全提供技术支持和参考依据。

严振湘（1986—），男，高级工程师，064403河北省迁安市木厂口镇杏山铁矿。

基于FLAC 3d 数值模拟方法的杏山铁矿中段隔离矿柱稳定性分析严振湘张文东（首钢集团有限公司矿业公司）摘要杏山铁矿深部开采中采用无底柱分段崩落法和分段凿岩阶段空场嗣后充填法联合开采，为了考察该开采方法的安全性和可行性，以及确定中段水平保安矿柱的合理厚度，采用FLAC 3d 软件进行数值模拟研究。

对模拟结果中塑性区和应力分布情况进行了详细分析。

结果显示，-480m 以上矿体开采对下部中段隔离矿柱不会造成损伤，-560m 以上分段矿房回采结束后，下部中段隔离矿柱出现小范围的塑性区和拉应力集中，但塑性区未贯通，拉应力值小于岩体的抗拉强度。

因此中段水平保安矿柱厚度在20m 时可以满足安全开采要求。

关键词FLAC 3d 软件保安矿柱稳定性分析联合开采DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.02.055Stability Analysis of Isolated Pillar in the Middle Section of Xingshan Iron Mine Based onFLAC 3d Numerical Simulation Method YAN ZhenxiangZHANG Wendong （Mining corporation of Shougang Group Co.，Ltd ）AbstractIn order to investigate the safety and feasibility of the combined mining of sublevel cavingwithout pillar and open stoping subsequent filling in sublevel drilling stage in deep mining of XingshanIron Mine ，and determine the reasonable thickness of the horizontal safety pillar in the middle section ，Flac 3d software was used for numerical simulation.The plastic zone and stress distribution in the simulation results were analyzed in detail.The results show that the mining of ore bodies above −480m will not cause damage to the isolated pillar in the lower middle section.After the stoping of the sublevel stope above −560m ，a small range of plastic zone and tensile stress concentration appear in the isolated pillar in the lower middle section ，but the plastic zone is not connected ，and the tensile stress value is less than the tensilestrength of the rock mass.Therefore ，when the thickness of the middle level security pillar is 20m ，it canmeet the requirements of safe mining.Keywordssoftware FLAC 3d ，security ore pillar ，stability analysis ，combined mining总第622期2021年2月第2期现代矿业MODERN MININGSerial No.622Feburary .2021杏山铁矿露天开采于2005年闭坑，2011年露天转地下开采正式进行。

采矿工程数值分析与应用题目：基于FLAC3D的大采高综放工作面推进矿压显现规律数值模拟1 关键问题根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1302N工作面开采面临潜在的冲击地压、帽裂等动力灾害威胁。

因此，本文提出应用FLAC3D研究工作面推进过程中矿山压力显现规律。

根据该规律，减少冲击地压等的动力灾害的发生，保证工作人员的生命安全，增大生产效率，提高产量。

2 工程背景2.1矿井基本概况山东新巨龙能源有限责任公司位于山东省菏泽市巨野县新巨龙镇，在巨野煤田中南部，东距巨野县城约20公里，西距菏泽市40公里，兖新铁路和327国道在井田上穿过，北临日东高速公路，东依京福高速公路、京沪铁路、京杭大运河，西靠京九铁路、济广高速、德商高速，交通便利。

公司占地面积 522808 平方米，矿井井田东起田桥断层，西至煤采地层底界露头，南起邢庄及刘庄断层，北至陈庙断层及第一勘探线，地理坐标为北纬35°05′～35°30′，东经115°47′～116°18′，南北长约12公里，东西宽约15公里，面积约180平方公里。

交通位置详见图2-1，其中A为新巨龙能源公司所在位置。

矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。

图2-1 交通位置图巨野属黄淮流域，北临黄河，境内水系健全，水资源丰富。

既有充足的地表水、地下水，又可常年引流黄河水，全县水资源总量3.76亿m3，可利用地表水1.3亿m3，可利用地下水2.47亿m3，人均水资源储量413.1m3。

即将动工兴建的大野水库，库容达2.5万m3，可为工农业发展和城镇居民生活提供用水保障。

巨野属暖温带大陆气候，四季分明，气候温和，雨水充沛。

年均气温13.5°C；年均降水量655mm；无霜期平均213天；年日照时数2329.2-2578.3小时。