数值模型在确定综合开采边坡角中的应用
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科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ某石灰石矿山位于浙江省湖州市,为一家外商独资的石灰石矿山,主要开采石灰石并加工成各级建筑用砂石子,广泛应用于建筑和筑路工程中。该采石厂在2003年所做的地质调查和岩土工程勘察中,进行了较详细的地质调查和测绘,查明了场内和区域地质状况。但限于地形,在工程勘察中,场地北部地势陡峭区没有进行钻探
工作。根据当时的调查资料分析,特别是根据场区内北部有一断层通过,给出了采石场各边界的综合开采边坡角如下表1。场地局部地质简图见图1。
如图1,场地西北边界及其北侧现为另一家石英砂采石场。其主要开采地面下
30～50m 的石英砂岩。石英砂岩以下为灰
岩。经过友好协商并报批后,石灰石采石场计划在石英砂采石场开采过上部石英砂岩后,继续开采下部灰岩,并超越原北边界向北开采一定距离。因此区域有一条断裂带(戚家山断层)通过,为了在保证开采安全的前提下,能最大限度的开采石料,需要对此区域进行综合评价,优选出最适宜的综合开采边坡角,已达到最大开采量。
依据地质勘测所得的详细资料,对拟开采区域建立数值模拟模型,进行有限元数值计算,在保证岩体稳定的条件下,则能得到较准确安全的综合开采边坡角[1]。
1 数值模拟方法的选用及目的
1.1模拟计算软件的选用
通过优化选择,决定采用ANSYS 有限元分析软件进行模拟分析,选用FLAC3D 三维有限差分程序进行复核对比,以探讨模拟计算结果的可靠性。
ANSYS 有限元软件在工程应用领域,可以用来模拟工程中的各种结构和材料,可以用来进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析和动力学分析[2-3]。
FLAC3D 有限元分析软件,可以进行土?质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析,且通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构,能够模拟材料的塑性破坏。1.2数值模拟计算目的
数值模拟的目的,即为确定一个安全的综合开采边坡角。此边坡角要有一个边坡稳定性系数,在实际按模拟确定的边坡角进行开采时,能使边坡稳定具有相当的
数值模型在确定综合开采边坡角中的应用
田素军
(伊尔姆环境资源管理咨询(上海)有限公司 上海 200001)
摘 要:传统上对露天矿山开采综合开采边坡角的确定,是采用对工程地质勘测资料的归纳、分析、对比以及结合工程技术人员的经验,来综合确定的。而随着科技的进步,电脑模拟技术以及各种仿真模拟软件的开发应用,解决了人工无法完成的有限元划分与计算,使得应用有限元方法解决工程问题成为可能。本文结合工程实例,将两种有限元模拟计算软件ANSYS 和FLAC3D 应用到石灰石矿山露天开采的综合开采边坡角计算中。在两种模拟软件的应用中,选择ANSYS 软件为主模拟软件,而使用FLAC3D 作为复核对比软件加以验证ANSYS 的模拟计算结果。通过建立数值模型,经过有限元计算并综合分析模拟计算结果,确定了最优的综合开采边坡角,从而使石灰石的开采量大为增加,创造了良好的经济效益,也为矿山综合利用和后期环境恢复创造了适宜条件。关键词:综合开采边坡角 有限元 数值模型 ANSYS 模拟软件 FLAC3D 模拟软件中图分类号:P 426文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2010)09(c)-0073-03
表1 各边界综合开采边坡角
图1 评价区域地质及平面图
图2 屈服面和扁平面的关系
表3 各剖面在不同边坡角下的安全系数,ANSYS 模型
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科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
下,确定一个可靠的最大开采边坡角。
两种不同的计算模型,其计算原理与安全系数的定义是有区别的。但其最终归结到安全系数与边坡角的对应上,是可比的[4]。本文将分别就各模拟模型对安全系数的确定,设立模型进行计算,并相互验证,确定最终的综合开采边坡角。
2 有限元模型的建立
2.1ANSYS 计算模型的建立
2.1.1安全系数的确定
边坡稳定安全系数和结构屈服强度有关,可以通过有限元强度折减系数法计算得到。为了评价边坡稳定系数的可靠性,可以采用Drucker-Prager 屈服准则进行判定[5]。Drucker-Prager 准则的边坡稳定安全系数可表述为:
k
J I f ?+=21)(ασ扁平面上之屈服面等效为六边形的内切圆;当α和k
定义如下时:
扁平面上之屈服面等效为六边形之等面积圆。也即为Mohr-Coulomb 等面积圆准则。图2显示了扁平面和屈服面的关系。
2.1.2模型的建立
模型是建立在模拟计算区域的地质条件包括岩性和结构条件等基础之上的。在建立模型前,首先对模拟计算区域的地质情况进行了分析研究,并建立了计算区包含主要断层的三维结构模型,见图3,以及计算区岩石节理模型,见图4。
通过对以上地质条件分析,在计算区域内,建立5条计算剖面进行模拟计算,剖面所切割地段主要位于北部石英岩采矿区,并垂直或近似垂直戚家山断层,部分进入南部石灰岩采石场。
模拟计算时,根据各剖面的实际状况,在坡面角为25°至50°之间,按不同的缩减系数ω分别进行计算。其中剖面V,坡面角为40°时的计算模型。
2.2FLAC3D 计算模型的建立
2.2.1安全系数的确定
作为复合对比模型,针对FLAC3D 模拟计算,仅通过强度衰减理论来确定安全系数。即边坡稳定安全系数为滑动面的剪切强度与实际剪切应力的比值。其表述公式为:
图3 计算区
三维岩体模型
图4 计
算区节理模型
表2 各地
质区计算参数
图5 剖面V 边坡角为35°,ω=2.1时的塑性应变
可靠性。因此,通过模拟计算,获得各个边坡角时的安全系数,再在选定的安全系数
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科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ2.2.2模型的建立
应用FLAC3D 建立计算模型时,需要设定大量复杂的岩体质量模型,从而需要进行大量的数据归纳总结与计算。为了解决此问题,并加之本F L A C 3D 模型仅作为A N S Y S 模拟计算结果的对比,因此用ANSYS 建立网格有限元模型,而将此有限元模型直接引入到FLAC3D 中设立计算模型进行求解,大大简化FLAC3D 模型建立的过程。在模拟计算时,根据各剖面的实际状况,与ANSYS 模型相对应,在坡面角为25°至50°之间选择计算。其中剖面V,坡面角为40°时的计算模型。2.3计算参数的选用
考虑到计算区内的断裂带和节理的发育,计算所选用的物理力学参数选取自安全节点上的参数。经归纳分析,计算所采用的主要参数见表2。而针对每一剪切缩减系数ω,对不同岩性组,再依据取用的ω值(取1.0～2.4之间),选定各岩性组对应的内聚力和内摩擦角。
3 模拟结果与分析
对各个计算剖面在不同的边坡角下,
选取一系列剪切缩减系数ω进行模拟计算。通过对模拟图形的分析,在模拟图形中塑性区开始产生一直到在模拟图形中临近交汇并刺穿断层。当剪切缩减系数ω再增大时,则模拟计算终止,即在此剪切缩减系数ω下,结构达到塑性极限平衡状态,也即在此剖面的边坡角下的边坡角安全系数Fs 与剪切缩减系数ω等值。图5所示为剖面V 在边坡角为35°,取剪切缩减系数ω为2.1时的塑性应变模拟结果。
通过建立ANSYS 有限元模型计算,得到了各个剖面在不同边坡角下的安全系数,归纳于表3。如果取综合开采边坡角的安全系数为大于1.5,则由表可知,在剖面I 、II 处,综合开采边坡角可取40°;在剖面III 、IV 处,综合开采边坡角可取45°;而在剖面V 处,综合开采边坡角可取50°。在各段的综合开采边坡角,均远大于了原勘测资料所给出的在灰岩区的综合开采边坡角25°。表明可以适当加大开采边坡角,增加石灰石资源的开采量。
通过建立FLAC3D 有限元模型,分别对各剖面的不同边坡角进行塑性应变、剪切应变速率和位移矢量的模拟计算,得到了各个剖面在不同边坡角下的安全系数,归纳于表4。由表4可知,在相同划分条件下,FLAC3D 有限元模型所模拟计算的安全系
数要比由ANSYS 有限元模型计算所得的安全系数要偏大一些,说明了由ANSYS 有限元模型计算所得的安全系数是适用的。也验证了由ANSYS 有限元模型计算的综合开采边坡角稍偏保守。
4 结论
基于ANSYS 有限元模型和FLAC3D 有限元模型各自所模拟计算的结果。表明依据已有地质调查结果,建立数值计算模型,能够更精确的模拟出综合开采边坡角。模拟结果比仅仅依据地质调查资料进行经验推断更直观,也更可靠[9]。虽然在模拟计算中,对很多岩体边界条件和结构特征进行了简化,也没有考虑开采次序、开采方式、爆破方式和药量以及支护措施等。但依据实际开采情况,如断层和节理多与开采边坡垂直交叉,开采方式为自上而下逐层剥离,采用新型低药量爆破以及开采后对松散带进行喷浆支护等,表明开采状况要比数值模拟的条件好。后期依据模拟给出的综合开采边坡角进行了边坡开采设计,取得了良好的效果,表明模拟计算的结果是可靠的。
参考文献
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土木工程有限元分析典型范例.电子工业出版社,2007.表4 各剖面在不同边坡角下的安全系数,FLAC3D 模型
型为.drw 。但此种保存方式不能更改文件
名称,且创建此工程图的模型没有一同保存,文件下次打开时会出现错误信息而无法打开;②选择“文件/保存副本”,输出文件类型为.drw,此种保存方式可以更改文件名称,但创建此工程图的模型没有一同保存;③选择“文件/备份”,输出文件类型为.drw,但此种保存方式不能更改文件名称,但创建此工程图的模型可以一同保存,避免文件再次打开时出错;
(2)Pro/E 创建的工程图输出为.dwg 类型。选择“文件/保存副本”,在“类型”中选择“*.d wg ”,此种方式保存的文件可以在AutoCAD 中打开,进行操作以编辑工程图,使其成为符合国家标准的工程图。
若在工程图模块中,设置为公制单位,则输出的.dwg 格式文件也为公制单位,如果绘图比例为1,则在AutoCAD 中编辑尺寸
时,尺寸大小与Pro/E 中生成的尺寸大小不变;但若绘图比例为缩小或放大比例,则在AutoCAD 中编辑尺寸时,尺寸会发生变化,此时,一种方法是修改图形,使其放大或缩小,另一种方法是将“标注样式管理器”中的“修改标注样式”对话框中的“主单位”的“比例因子”进行修改,使其为相应的倍数。
(3)出工程图技巧
①完成的三维模型必须是以“mm ”为单位,在工程图绘图模块中,要设置为“mm ”单位,二者必须统一,否则将二维图形转到AutoCAD 软件中进行标注尺寸,尺寸大小将不是想要的数值,而是以“inch ”英制为单位的尺寸值。②在Pro/E 中将文件保存为.dwg 文件前,为避免产生过多的图层、图线信息,关闭基准平面、基准点、基准轴及基准坐标系的显示。
6 结语
在产品设计中,工程图的生成是十分
重要的,利用Pro/E 的格式模块和工程图模块,生成标准的工程图,进行正确的尺寸标注,并结合AutoCAD 软件对尺寸标注进行编辑,使所生成的工程图成为完全符合国家标准的工程图。
参考文献
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