flac在矿业工程中的应用

矿业软件工程与技术Flac3D在矿业工程中的应用,资源与安全工程学院2009年6月28日,陈建宏教授,提纲,一、概述二、国内外现状三、矿业工程中的具体应用四、工程实例五、总结,一、概述,Flac3D(FastLagrangianAnalysisofContinua)是由美国Itasca公司开发的，是一种基于三维显式有限差分法的快速拉格朗日数值分析方法。Flac3D采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化甚至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独特的优点。,Flac3D比其他有限元法有以下的优点：,1、采用显式解析法，不需要建立刚度矩阵，节省内存，提高了运算速度,2、采用了混合离散法，正确地模拟了塑性破坏及塑性流动,3、采用动态方程求解，克服了系统模型内的不安定因素,一、概述,Flac3D的计算流程：,定义模型分析的目标,产生一个物理系统的概念图,构造和运行简单的理想化模型,收集指定问题的数据,准备一系列详细的模型运算,执行模拟计算,当前结果的解释,一、概述,材料模型：,弹性各向同性；弹性各向异性；Drucker-Prager弹塑性；Mohr-Coulomb弹塑性；应变硬化(软化)弹塑性；.共10种,计算模式：,静力、动力、蠕变、渗流、温度共5种,模拟的结构形式：,材料体、梁、桩、壳以及支护、衬砌、锚索、土工织物、摩擦桩等人工结构物。,Flac3D软件已成为工程技术人员较为理想的三维计算分析工具。,一、概述,提纲,一、概述二、国内外现状三、矿业工程中的具体应用四、工程实例五、总结,Flac3D软件在岩土工程界非常有名，在国内外主要用来解决以下工程问题：材料的加载能力和形变特征，如边坡稳定性和地基基础设计中的承载能力及变形分析；破坏和坍塌作用的发育和演化，如矿井和隧道设计；粘性材料的时间蠕变行为，如盐类矿山的设计；,二、国内外现状,隧道等地下工程衬砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的变形与破坏分析，如隧道内岩石内衬，岩石螺钉；饱和与不饱和流体流动、排水与不排水加载条件下孔隙压力的聚集与消散，如岩土保持结构和土质滑坡体的固化和地下水渗流、储藏工程；材料力学与内部流体渗流耦合，如储藏衰竭；,二、国内外现状,倾向滑动地质体的动力加载性约束，如地震工程和矿山岩石爆破；建筑物的地震激发，如大坝和地基由于振动或变化的孔隙压力作用发生的液化现象分析；材料的热软化形变与失稳，如地下高放射性废料储存库由于热作用产生的变形与稳定问题。,二、国内外现状,提纲,一、概述二、国内外现状三、矿业工程中的具体应用四、工程实例五、总结,1、分析露天矿边坡的稳定性。Flac3D主要解决边坡的大变形问题，模拟边坡天然情况下的应力状态，分析边坡分步开挖对边坡稳定性的影响，然后根据计算结果对边坡采取相应的加固措施。Flac3D在解决边坡的大变形模拟方面的优势是有限元法不可比拟的。,三、矿业工程中的具体应用,2、优化采场结构参数。基于Flac3D对采矿方法的数值模拟，通过比较各种模型的应力、位移、塑性区破坏状态等，优化出合理的采场跨度、沿走向长度等采场参数。,三、矿业工程中的具体应用,3、分析采场空区的稳定性。通过分析Flac3D对采场空区的模拟结果，可知岩体破坏的主要集中区，对此在设计回采阶段就制定合理有效的预防措施，以避免空区围岩出现垮落造成意外事故。因此，Flac3D对采矿设计具有重要的指导意义。,三、矿业工程中的具体应用,4、论证锚杆与围岩的耦合性。就锚杆支护设计与原岩条件的“耦合”问题借助Flac3D论证分析可得，唯有充分考虑原岩条件的支护设计，并确保支护体系、支护结构和参数以及施工工艺与围岩变形力学特性相适应、相匹配，才能达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支撑能力，达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。,三、矿业工程中的具体应用,提纲,一、概述二、国内外现状三、矿业工程中的具体应用四、工程实例五、总结,工程背景：江西铜业股份有限公司永平铜矿关于露转坑中岩层移动角的计算问题。在永平铜矿露转坑过程中，由于所采矿体深入露采最终境界以下，地下工程及其采空区位于露采坑正下方及其边坡上，边坡及其露天坑底岩层对采矿安全有影响，因此，有必要计算并圈定移动带范围。计算模型：取3#勘探线剖面作为计算模型。以矿体为中心，计算域的上边界取至地表，下边界取至-500m标高；假定矿体沿走向方向厚度不变，作为平面应变问题考虑。矿体厚度取6m，露天开采隔离层安全厚度取12m。整个计算域的尺寸约为1787.4m930m6m。,四、工程实例,计算模型图,四、工程实例,初始地应力场和边界条件约束：计算的初始地应力场按自重应力考虑。模型侧面约束水平位移，底边约束垂直位移，模型上边界为自由边界。,四、工程实例,模拟过程：在该勘探线附近区域内主要分布号矿体，分别对-100m、-150m、-200m水平开采后的地表移动变形进行数值模拟计算。,四、工程实例,计算结果分析：(1)位移分析,-100m水平开采后垂直和水平位移云图,四、工程实例,-150m水平开采后垂直和水平位移云图,四、工程实例,-200m水平开采后垂直和水平位移云图,计算结果表明：当-100m水平开采后，地表最大下沉值为-0.219m，位于采动矿体上方地表中心位置；倾向最大水平位移为-0.102m（指向露天坑内），位于-100m水平采区右上方露天边坡上。当-150m水平开采后，地表最大下沉值为-1.178m，位于采动矿体上方地表中心位置；倾向最大水平位移为-0.79m（指向露天坑内），位于-150m水平采区右上方露天边坡上。当-200m水平开采后，地表最大下沉值为-1.616m，位于采动矿体上方地表中心位置；倾向最大水平位移为-1.0131m（指向露天坑内），位于-200m水平采区右上方露天边坡上。,四、工程实例,(2)塑性区分析,-100m水平开采后塑性区分布图,-150m水平开采后塑性区分布图,四、工程实例,-200m水平开采后塑性区分布图,四、工程实例,从图来看，随着地下开采范围的扩大，塑性区的范围也随之发生变化。塑性区主要集中在号矿体上盘，这和前面位移分析的结果是一致的；-150m水平开采后，塑性区分布呈一直线状，并至采区穿至地表，有明显向采区滑移的趋势。因此，在采场不及时充填的情况下，上盘岩体极有可能沿塑性区向采场方向滑移，造成矿柱和顶板失稳破坏。,四、工程实例,(3)剖面移动角的确定移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边界点所圈定的边界。危险移动边界是以盆地内的地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。边界点与采场边界点的连线与水平线的夹角即为我们所求的移动角。随着开采的进行，矿体开采边界在不断发生变化。数值模拟计算结果表明：当-200m水平开采后矿体上盘移动角为50。由于矿体下盘与露天境界底部仅隔一隔离层，因此在按设计预留矿柱的情况下，其开采对下盘方向的影响不大。,四、工程实例,提纲,一、概述二、国内外现状三、矿业工程中的具体应用四、工程实例五、总结,通过以上的分析发现，Flac3D在矿业工程中的应用越来越普遍。1、Flac3D采用“混合离散化”技术，更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏和塑性流动。它全部使用动