金川二礦1150 m水平礦柱回采穩定性數值計算研究

鄒 龍， 彭府華

(1.金川集團股份有限公司二礦區， 甘肅 金昌市 737104；2. 長沙礦山研究院有限責任公司，

0 前 言

金川二礦區為我國特大型地下礦山，礦體厚度大，水平投影面積大，走向長度長。該礦礦體與圍巖較為破碎、地應力大，為難采型地下礦床，采用的采礦方法為機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法。

金川二礦區由于采用多中段大面積連續開采，在1150和1000兩個采礦中段之間形成了約長600 m、平均寬120 m的特大型水平礦柱，水平礦柱上方充填體約為1000萬m3，下方約為500萬m3。特大型水平礦柱的開采在金川礦山尚屬首次，在國內外礦山也沒有先例。回采過程中，應力集中是否會導致水平礦柱突然失穩破壞。水平礦柱回采結束后，1150中段充填體必然會與1000中段充填體疊加，上部充填體將會失去原有水平礦柱的支撐，是否會加劇上部充填體的下沉變形，上下盤圍巖會不會向充填空間大范圍變形，造成大面積來壓值得深入研究。因此，水平礦柱的安全回采引起了國內各大研究院所、高校及同行專家的高度關注。本文基于水平礦柱回采安全問題，采用有限元數值模擬方法對1150 m水平礦柱開采前、開采過程和開采后的穩定性進行了計算。

1 三維數值模型建立

1.1 幾何模型建立與網格劃分

由于采礦形成的水平礦柱主要位于1150～1170 m水平之間，同時考慮開挖影響范圍，故考慮將三維模型的上下兩個邊界范圍定為1110 m水平和1210 m水平。其余邊界模型x方向從-100 m到1000 m變化，y方向從-300 m到800 m變化。本文重點研究的水平礦柱的有限元模型見圖1，從圖1可以看出，由于連年的不斷開采，水平礦柱如今出現VIII～V區厚而III～I區相對薄的情況。

圖1 水平礦柱有限元網格

水平礦柱的穩定性與其周圍的圍巖息息相關，在構建完水平礦柱有限元模型后，也需建立相應的圍巖有限元模型，如圖2所示。全部模型總共采用78066個SOLID92單元，108531個節點。

1.2 初始應力場與材料力學參數

有限元計算過程中，所有材料的本構模型均為DP模型，采用的力學參數如表1所示。在1110 m水平固定該水平上的所有節點位移，然后對四個側面施加力邊界，力邊界應力大小與初始地應力場相適應，即:

(1)

2 穩定性數值計算

2.1 開采前水平礦柱穩定性研究

圖2 圍巖網格

經過有限元計算，水平礦柱的塑性區如圖3所示，從圖3可以看出，水平礦柱中未出現塑性區，這說明水平礦柱是穩定的，按照現有的采礦方案，礦體采、充能夠保證水平礦柱的安全性。另外，水平礦柱的第三主應力如圖4所示，從圖4可以看出，整個模型內水平礦柱第三主應力從-14.6 MPa到-96.5 MPa之間變化(為壓應力)。壓應力最大值出現在第VI盤區1150水平靠北邊界處，該處是下一步開采應著重注意的區域，由于最大壓應力的比值已超過5.5倍，該處礦體存在受壓破壞的危險。

表1 計算采用力學物理力學參數

圖3水平礦柱塑性區

圖4 水平礦柱第三主應力

圖5是水平礦柱的第一主應力，從圖5可以看出,礦柱的第一主應力從-4.2 MPa到-33.2 MPa之間變化，因而水平礦柱不存在受拉破壞的可能。

2.2 開采后水平礦柱穩定性研究

對現有礦柱下一步預計進行開采的礦體進行開采模擬，從而分析水平礦柱的穩定性。分析結果表明：水平礦柱第三主應力在每個盤區的圍巖界面都出現了很大的壓應力集中，壓應力最大值已遠遠超過巖體的抗壓強度；第一主應力即最大拉應力也遠遠超過巖體的抗拉強度，各盤區拉應力集中主要集中在靠近礦體邊界區域。若一次性開挖全部礦體，水平礦柱的穩定性不良，這也間接說明了開展礦體開采順序優化的必要性。

2.3 充填后水平礦柱穩定性研究

對開采后的礦體進行充填的數值模擬，進而分析充填后水平礦柱的穩定性。圖6是下一步采礦空區充填后水平礦柱的第三主應力圖，結果顯示，充填后水平礦柱的應力集中現象得到了明顯的改善，最大壓應力減小為94.7 MPa。圖7是下一步礦體充填后水平礦柱的第一主應力云圖，該圖說明充填后第一主應力集中的現象也有所改善。第三主應力和第一主應力云圖都說明了充填對提高礦柱穩定性的作用。

為了描述水平礦柱接近破壞的程度，定義安全因子為：

(2)

圖5 水平礦柱第一主應力

圖6 充填后水平礦柱第三主應力

圖7 充填后水平礦柱第一主應力

通過定義的安全因子可以從另一方面對礦柱的穩定性進行定量評價。表2是充填后水平礦柱各盤區安全因子的計算結果。從表2可以看出，水平礦柱回采后各盤區安全因子為1.4～3.9。

3 結 論

本文建立了水平礦柱回采數值計算三維模型，模擬了水平礦柱回采前后塑性區域和應力場的變化情況，計算結果表明：回采前，水平礦柱未出現塑性區域，水平礦柱穩定性較好，回采后，每個盤區開采的圍巖界面都出現了很大的壓應力集中，充填后，水平礦柱的應力集中現象得到了明顯的改善，說明充填對提高礦柱穩定性的作用，并且充填后水平礦柱的安全因子都大于1.4，顯示充填后水平礦柱穩定性良好。

表2 充填后水平礦柱各個盤區安全因子

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