一种金属矿山三维冒落数值模拟方法与流程

本发明涉及一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，属于矿山开采方法。

背景技术：

1、崩落采矿法是一种基于岩石崩落原理的采矿方法，采用崩落矿石充填采空区实现地压管理。崩落采矿法具有生产能力大、开采成本低的优点。是唯一能与露天矿开采的经济效益和开采效益相媲美的地下开采方法。虽然采用崩落法开采矿石的百分比逐年增加，但对矿石崩落的机理和特征仍没有很准确的认识，理论研究滞后于生产实践。

2、目前，矿岩冒落特征的研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟三种方法。传统的理论分析方法大多建立在各种假设的基础上，将冒落问题视为二维问题。对于矿体模型复杂的现场实际问题，理论分析方法精度较低。试验研究方法对现场要求高，试验过程长且费用高，影响现场生产开采。因此，该测试方法难以大规模应用。

3、数值模拟方法可以模拟复杂的岩体原位条件，近年来得到了迅速发展和应用。这是研究冒落规律的一种很好的方法。从计算原理来看，冒落的数值模拟方法可分为三类:(1)连续介质法。如有限元法(fem)和有限差分法(fdm)；(2)离散元法。如udec和pfc软件；(3)耦合法。连续介质模拟是数值模拟中最常用的方法。在连续法处理垮落问题时，大多数学者将其近似为二维问题。离散元法和耦合模拟方法可以很好的模拟矿岩冒落的问题。然而，这种方法在求解大规模复杂现场问题时往往存在一定的局限性。

4、矿岩冒落是拉底卸荷、矿石冒落、直至形成平衡拱的过程，自然崩落法的本质是不断重复该过程。目前没有一种数值方法能够完美地再现整个崩落过程，特别是崩落矿石对松动岩壁的支撑。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，利用连续力学介质的模拟方法，能够快速的计算矿岩的冒落问题；根据塑性区内围岩受拉会产生冒落行为的机理，利用数值模拟软件将此物理过程进行还原，通过遍历塑性区中的受拉岩体进行开挖迭代计算，能够较为真实的反应矿岩冒落的过程；通过数值模拟计算能够直观全面的显示矿岩三维冒落的高度和形态，指导采空区充填和矿山安全高效开采；数值模拟的方法还具有模拟不同工况行为、围岩条件、地应力条件下的矿岩冒落规律的能力，围岩主应力分布得到优化和控制，冒落状态呈类圆锥型，提供了一种现场大型矿岩冒落问题合理、高效、准确的研究方法，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

2、本发明的技术方案是：一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，包含以下步骤：

3、(1)三维网格模型建立，收集和整理应用金属矿山的地质勘察资料，获取研究区域的地质构造、地层信息和结构产状分布情况，并建立矿区的三维网格模型；

4、(2)岩体力学参数获取，针对不同岩性围岩进行钻孔取芯，并进行基本物理力学试验，获得岩体的物理力学参数、岩石本构关系和破坏准则；

5、(3)地应力参数获取，进行现场地应力测试试验，获取研究区域的原位地应力参数，以确定三维网格模型的边界条件和自重条件；

6、(4)开采模拟，利用步骤(1)中建立的三维网格模型进行模拟计算，将步骤(2)和步骤(3)中取得的岩体力学参数与地应力参数代入三维网格模型，按照开采方案的设计，将制定区域的矿体进行开挖，然后进行模拟平衡计算得到矿体开采后围岩的应力场；

7、(5)判断冒落区，遍历平衡计算后模型中的所有网格，记录提取开挖矿体顶部网格中所有属于塑性区的网格；通过编写fish命令判断塑性区中的单元是否存在拉应力，若有拉应力，则将含有拉应力的塑性区单元进行“null”开挖，开挖后模型应力重新分布，使模型再次处于非平衡状态，并进行迭代计算；

8、(6)迭代计算，在平衡状态下，如果塑性区内仍存在拉应力单元，则重复上述迭代计算步骤，直至模型中不再出现拉应力区域，达到平衡状态为止，停止计算；

9、(7)冒落结果，集中显示所有冒落的单元，对矿岩冒落高度、体积和三维形态进行定量统计计算。

10、所述步骤(1)中，对关键研究区域进行网格加密处理。

11、所述步骤(2)中，对于难以取样的围岩矿区，通过位移反分析法确定其力学参数。

12、所述步骤(5)中，使用fish语言遍历平衡计算后模型中的所有网格。

13、所述步骤(7)中，通过fish语言集中显示所有冒落的单元。

14、所述步骤(1)中的三维网格模型建立，步骤(2)中的岩体力学参数获取，步骤(3)中的地应力参数获取，以及步骤(4)至步骤(7)中的矿体开采模拟和冒落计算可分别独立实施。

15、还包含对模型中的围岩冒落状态和冒落体积的分析和记录。

16、本发明的有益效果是：利用连续力学介质的模拟方法，能够快速的计算矿岩的冒落问题；根据塑性区内围岩受拉会产生冒落行为的机理，利用数值模拟软件将此物理过程进行还原，通过遍历塑性区中的受拉岩体进行开挖迭代计算，能够较为真实的反应矿岩冒落的过程；通过数值模拟计算能够直观全面的显示矿岩三维冒落的高度和形态，指导采空区充填和矿山安全高效开采；数值模拟的方法还具有模拟不同工况行为、围岩条件、地应力条件下的矿岩冒落规律的能力，围岩主应力分布得到优化和控制，冒落状态呈类圆锥型，提供了一种现场大型矿岩冒落问题合理、高效、准确的研究方法。

技术特征：

1.一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于：所述步骤（1）中，对关键研究区域进行网格加密处理。

3.根据权利要求1所述的一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于：所述步骤（2）中，对于难以取样的围岩矿区，通过位移反分析法确定其力学参数。

4.根据权利要求1所述的一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于：所述步骤（5）中，使用fish语言遍历平衡计算后模型中的所有网格。

5.根据权利要求1所述的一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于：所述步骤（7）中，通过fish语言集中显示所有冒落的单元。

6.根据权利要求1所述的一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，其特征在于：所述步骤（1）中的三维网格模型建立，步骤（2）中的岩体力学参数获取，步骤（3）中的地应力参数获取，以及步骤（4）至步骤（7）中的矿体开采模拟和冒落计算可分别独立实施。

技术总结
本发明涉及一种金属矿山三维冒落数值模拟方法，属于矿山开采方法技术领域。本发明的技术方案是：通过现场地质资料建立矿体三维网格模型，并获取近矿围岩的力学参数；在模型计算过程中，考虑岩体的非均质性、各向异性和不连续性，并进行自重应力计算和应力分析；为分析自然崩落法时矿岩冒落过程，通过引入人为假定和迭代计算，采用摩尔‑库伦本构模型和相应破坏准则判断岩体的破坏区域，模拟冒落拱的形成和稳定；本发明的有益效果是：快速、准确的模拟了矿岩冒落过程及冒落规律，冒落状态呈类圆锥型。提供了一种现场大型矿岩冒落问题合理、高效、准确的研究方法。

技术研发人员：路燕泽,王社光,杨志强,于庆磊,田欣,蒲江涌,王庆刚,耿帅,杨坤尧,尹爱民,杨学瑞,马宁,刘阳,连欢超,张金鹏,何伟,杨航,高光宇
受保护的技术使用者：河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17