第6期 任红岗等：露天地下联合开采中洞室群动力响应分析 ·649 分别考虑洞室群开挖、矿柱回采影响和爆破动载荷 和洞室群分布的FLAC3D网格图： 作用三方面因素，如图2所示为将研究区域放大后 图2研究区域内洞室群分布状态。()研究区域放大图：(b)研究区域内洞室群分布图：(c)洞室群分布状况 Fig.2 State of caverns distribution in the studied area:(a)amplified view:(b)distribution of cavers:(c)distribution state of caverns 2.2初始应力 法向和切向分别设置自由的阻尼器从而实现吸收入 永平铜矿矿区构造应力较小，初始地应力场考 射波的目的.对于岩土动力非线性问题，阻尼参数 虑自重应力与矿体上部露天矿边坡挤压产生的水平 的确定通常采用Rayleigh阻尼，围岩的阻尼比一般 力.根据弹性力学原理可知，竖向应力和水平应力 为0.01-0.030，本文阻尼比取0.02进行计算 分别为 2.4矿岩物理力学参数 在分析洞室群稳定性过程中，矿岩物理力学参 ∑yH (1) 数是数值模拟的根本性条件，原有的矿岩力学参数 o=ko 是在室内实验条件下得出的，与具体实际的工程背 式中：y:为不同岩层岩石的容重；H为埋置深度：k 景下的原岩力学参数有差异，在原有实验成果的基 为侧压力系数，且k=μ/(1-)；μ为泊松比 础上，充分考虑实验条件、实验方法等因素的影响， 在FLAC3D程序中，在指定范围内施加线性变化 采用的岩体力学参数，取值原则如下. 的应力，可以获得初始应力场.结合永平铜矿露天 (1)岩块本身的抗压、抗拉强度对含水量较敏 与地下结构的实际状况，使用线性回归分析的方法 感，又考虑到岩体中节理裂隙、断裂构造以及试件尺 得出了垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主 寸效应的影响，对抗压、抗拉强度取折减系数0.3~ 应力随深度变化得回归方程如下： 0.5 ,0,=-1.533+0.0307Z (2)抗剪强度指标不仅不易准确测定，而且易 0r=-1.474+0.00737Z (2) 受岩体条件和状态的影响.根据国内外大量研究结 果表明，岩块实验结果中内聚力远大于现场岩体抗 0h.mim=-1.106+0.00737Z 剪实验结果，而内摩擦角值一般相差不大，故内摩擦 式中，，、Oh,m和，mn分别为垂直主应力、最大水 角取折减系数0.95，对实验C值作工程折减.北京 平主应力和最小水平主应力，Z为垂直深度 市地质研究所在这方面做了深入的研究，从大量的 2.3边界条件及阻尼设定 工程实例中总结出如下经验公式： 静力分析边界条件采用应力边界条件，即模型 1 的左右(X方向)边界、前后(Y方向)边界和底边界 C.=i+(5-20)0, (3) 均施加应力约束条件，上边界为自由边界 式中，Cm、C;分别为岩体与岩块的内聚力，i为表征 在动力分析中，选取模型边界条件是一个重要 节理裂隙密度的参数 内容，因为边界上会存在反射，对动力分析的结果产 (3)弹性模量的折减系数一般可以将现场承压 生影响.FLAC3D中提供了黏性边界和自由场边界两 板变形实验结果和室内岩块变形实验结果进行对比 种边界条件来减少模型边界上的波的反射回.自由 得到.根据前人做过的相类似的实验，取弹性模量 场边界一般应用于地面结构的动力分析，考虑到洞 的折减系数为0.3. 室群的分布位置，本文动力分析采用黏性边界条件 (4)由于泊松比对外界条件的变化不敏感，所 来吸收边界上的入射波，FLAC3D中的黏性边界是 以泊松比折减系数取1. Lysmer和Kuhlemeyer提出的，具体做法是在模型的 根据以上取值原则，数值模拟采用的岩体力学第 6 期 任红岗等: 露天--地下联合开采中洞室群动力响应分析 分别考虑洞室群开挖、矿柱回采影响和爆破动载荷 作用三方面因素，如图 2 所示为将研究区域放大后 和洞室群分布的 FLAC3D 网格图: 图 2 研究区域内洞室群分布状态． ( a) 研究区域放大图; ( b) 研究区域内洞室群分布图; ( c) 洞室群分布状况 Fig． 2 State of caverns distribution in the studied area: ( a) amplified view; ( b) distribution of caverns; ( c) distribution state of caverns 2. 2 初始应力 永平铜矿矿区构造应力较小，初始地应力场考 虑自重应力与矿体上部露天矿边坡挤压产生的水平 力． 根据弹性力学原理可知，竖向应力和水平应力 分别为 σv = ∑ n i = 1 γiH σh = k { σ ( 1) 式中: γi 为不同岩层岩石的容重; H 为埋置深度; k 为侧压力系数，且 k = μ /( 1 － μ) ; μ 为泊松比． 在 FLAC3D 程序中，在指定范围内施加线性变化 的应力，可以获得初始应力场． 结合永平铜矿露天 与地下结构的实际状况，使用线性回归分析的方法 得出了垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主 应力随深度变化得回归方程如下: σv = － 1. 533 + 0. 030 7Z σh，max = － 1. 474 + 0. 007 37Z σh，min = － 1. 106 + 0. 007 37 { Z ( 2) 式中，σv、σh，max和 σh，min分别为垂直主应力、最大水 平主应力和最小水平主应力，Z 为垂直深度． 2. 3 边界条件及阻尼设定 静力分析边界条件采用应力边界条件，即模型 的左右( X 方向) 边界、前后( Y 方向) 边界和底边界 均施加应力约束条件，上边界为自由边界． 在动力分析中，选取模型边界条件是一个重要 内容，因为边界上会存在反射，对动力分析的结果产 生影响． FLAC3D 中提供了黏性边界和自由场边界两 种边界条件来减少模型边界上的波的反射［9］． 自由 场边界一般应用于地面结构的动力分析，考虑到洞 室群的分布位置，本文动力分析采用黏性边界条件 来吸收边界上的入射波，FLAC3D 中的黏性边界是 Lysmer 和 Kuhlemeyer 提出的，具体做法是在模型的 法向和切向分别设置自由的阻尼器从而实现吸收入 射波的目的． 对于岩土动力非线性问题，阻尼参数 的确定通常采用 Rayleigh 阻尼，围岩的阻尼比一般 为 0. 01 ～ 0. 03 ［10］，本文阻尼比取 0. 02 进行计算． 2. 4 矿岩物理力学参数 在分析洞室群稳定性过程中，矿岩物理力学参 数是数值模拟的根本性条件，原有的矿岩力学参数 是在室内实验条件下得出的，与具体实际的工程背 景下的原岩力学参数有差异，在原有实验成果的基 础上，充分考虑实验条件、实验方法等因素的影响， 采用的岩体力学参数，取值原则如下． ( 1) 岩块本身的抗压、抗拉强度对含水量较敏 感，又考虑到岩体中节理裂隙、断裂构造以及试件尺 寸效应的影响，对抗压、抗拉强度取折减系数 0. 3 ～ 0. 5． ( 2) 抗剪强度指标不仅不易准确测定，而且易 受岩体条件和状态的影响． 根据国内外大量研究结 果表明，岩块实验结果中内聚力远大于现场岩体抗 剪实验结果，而内摩擦角值一般相差不大，故内摩擦 角取折减系数 0. 95，对实验 C 值作工程折减． 北京 市地质研究所在这方面做了深入的研究，从大量的 工程实例中总结出如下经验公式: Cm = 1 i + ( 5 ～ 20) Ci ( 3) 式中，Cm、Ci 分别为岩体与岩块的内聚力，i 为表征 节理裂隙密度的参数． ( 3) 弹性模量的折减系数一般可以将现场承压 板变形实验结果和室内岩块变形实验结果进行对比 得到． 根据前人做过的相类似的实验，取弹性模量 的折减系数为 0. 3． ( 4) 由于泊松比对外界条件的变化不敏感，所 以泊松比折减系数取 1． 根据以上取值原则，数值模拟采用的岩体力学 ·649·