基于有限元极限分析法的地下采场结构稳定性研究

摘要

地下采场结构整体稳定安全系数对于地下开采的工程设计具有十分重要的意义。本文结合“沙溪铜矿床采矿方法选择和矿块结构参数优化研究”科研课题，将有限元极限分析法引入到地下采场结构的稳定性分析中，利用安全系数进行采场结构稳定性评判。主要研究内容及方法如下:
　　(1)对地下采场结构稳定性分析和有限元极限分析法的研究现状及有限元极限分析法求解岩土工程稳定性的原理进行系统调研。
　　(2)将有限元极限分析法引入到地下采场结构的稳定性分析中，基于数值试验，提出地下采场结构稳定性的极限分析方法。根据实际工程经验，在数值试验中以矿柱剪切失稳和采场顶板大面积冒落失稳作为采场结构整体失稳的衡量标准，提出以矿柱塑性应变带贯通、顶板塑性应变带大面积贯通及关键点位移突变、破坏单元总体积突变和塑性应变最大值突变作为失稳判据，得到其整体稳定安全系数，继而评价稳定性。并对影响失稳判据的因素进行了分析。
　　(3)以沙溪铜矿床开采设计研究为工程背景，将有限元极限分析方法应用于地下采场结构稳定性研究。主要内容包括以下几点:
　　①根据矿体赋存条件、顶底板围岩特征以及工程地质条件，现场选取五种典型岩样，进行室内矿岩物理力学性质试验研究。
　　②通过工程地质调查和岩石力学试验结果，利用有限元极限分析法，对设计部门提出的采场结构参数的稳定性进行分析。采用FLAC3D数值模拟软件，根据提出的整体失稳判据，通过不断折减力学参数达到其临界破坏状态，得到了设计采场结构的整体安全系数，研究表明设计推荐的采场结构具有较好的稳定性。利用有限元极限分析法进行地下采场结构的稳定性极限分析是有效可行的，可用于定量评价地下采场结构的整体安全性。
　　③在初步设计的基础上，对沙溪铜矿床的采场结构参数进行优化研究，为矿床的开采设计推荐了优化的采场结构参数。
　　本文基于数值试验，利用有限元极限分析法对地下采场结构的稳定性进行研究，为地下采场结构稳定性研究提供了一种新方法。