金川二礦1150 m水平礦柱回采穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算研究

鄒 龍， 彭府華

(1.金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū)， 甘肅 金昌市 737104；2. 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，

0 前 言

金川二礦區(qū)為我國(guó)特大型地下礦山，礦體厚度大，水平投影面積大，走向長(zhǎng)度長(zhǎng)。該礦礦體與圍巖較為破碎、地應(yīng)力大，為難采型地下礦床，采用的采礦方法為機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法。

金川二礦區(qū)由于采用多中段大面積連續(xù)開采，在1150和1000兩個(gè)采礦中段之間形成了約長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外礦山也沒有先例。回采過程中，應(yīng)力集中是否會(huì)導(dǎo)致水平礦柱突然失穩(wěn)破壞。水平礦柱回采結(jié)束后，1150中段充填體必然會(huì)與1000中段充填體疊加，上部充填體將會(huì)失去原有水平礦柱的支撐，是否會(huì)加劇上部充填體的下沉變形，上下盤圍巖會(huì)不會(huì)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(guó)內(nèi)各大研究院所、高校及同行專家的高度關(guān)注。本文基于水平礦柱回采安全問題，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)1150 m水平礦柱開采前、開采過程和開采后的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

1 三維數(shù)值模型建立

1.1 幾何模型建立與網(wǎng)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(shí)考慮開挖影響范圍，故考慮將三維模型的上下兩個(gè)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(diǎn)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(xiàn)VIII～V區(qū)厚而III～I(xiàn)區(qū)相對(duì)薄的情況。

圖1 水平礦柱有限元網(wǎng)格

水平礦柱的穩(wěn)定性與其周圍的圍巖息息相關(guān)，在構(gòu)建完水平礦柱有限元模型后，也需建立相應(yīng)的圍巖有限元模型，如圖2所示。全部模型總共采用78066個(gè)SOLID92單元，108531個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 初始應(yīng)力場(chǎng)與材料力學(xué)參數(shù)

有限元計(jì)算過程中，所有材料的本構(gòu)模型均為DP模型，采用的力學(xué)參數(shù)如表1所示。在1110 m水平固定該水平上的所有節(jié)點(diǎn)位移，然后對(duì)四個(gè)側(cè)面施加力邊界，力邊界應(yīng)力大小與初始地應(yīng)力場(chǎng)相適應(yīng)，即:

(1)

2 穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算

2.1 開采前水平礦柱穩(wěn)定性研究

圖2 圍巖網(wǎng)格

經(jīng)過有限元計(jì)算，水平礦柱的塑性區(qū)如圖3所示，從圖3可以看出，水平礦柱中未出現(xiàn)塑性區(qū)，這說明水平礦柱是穩(wěn)定的，按照現(xiàn)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(yīng)力如圖4所示，從圖4可以看出，整個(gè)模型內(nèi)水平礦柱第三主應(yīng)力從-14.6 MPa到-96.5 MPa之間變化(為壓應(yīng)力)。壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第VI盤區(qū)1150水平靠北邊界處，該處是下一步開采應(yīng)著重注意的區(qū)域，由于最大壓應(yīng)力的比值已超過5.5倍，該處礦體存在受壓破壞的危險(xiǎn)。

表1 計(jì)算采用力學(xué)物理力學(xué)參數(shù)

圖3水平礦柱塑性區(qū)

圖4 水平礦柱第三主應(yīng)力

圖5是水平礦柱的第一主應(yīng)力，從圖5可以看出,礦柱的第一主應(yīng)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(wěn)定性研究

對(duì)現(xiàn)有礦柱下一步預(yù)計(jì)進(jìn)行開采的礦體進(jìn)行開采模擬，從而分析水平礦柱的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明：水平礦柱第三主應(yīng)力在每個(gè)盤區(qū)的圍巖界面都出現(xiàn)了很大的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖體的抗壓強(qiáng)度；第一主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖體的抗拉強(qiáng)度，各盤區(qū)拉應(yīng)力集中主要集中在靠近礦體邊界區(qū)域。若一次性開挖全部礦體，水平礦柱的穩(wěn)定性不良，這也間接說明了開展礦體開采順序優(yōu)化的必要性。

2.3 充填后水平礦柱穩(wěn)定性研究

對(duì)開采后的礦體進(jìn)行充填的數(shù)值模擬，進(jìn)而分析充填后水平礦柱的穩(wěn)定性。圖6是下一步采礦空區(qū)充填后水平礦柱的第三主應(yīng)力圖，結(jié)果顯示，充填后水平礦柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善，最大壓應(yīng)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(yīng)力云圖，該圖說明充填后第一主應(yīng)力集中的現(xiàn)象也有所改善。第三主應(yīng)力和第一主應(yīng)力云圖都說明了充填對(duì)提高礦柱穩(wěn)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(yīng)力

圖6 充填后水平礦柱第三主應(yīng)力

圖7 充填后水平礦柱第一主應(yīng)力

通過定義的安全因子可以從另一方面對(duì)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。表2是充填后水平礦柱各盤區(qū)安全因子的計(jì)算結(jié)果。從表2可以看出，水平礦柱回采后各盤區(qū)安全因子為1.4～3.9。

3 結(jié) 論

本文建立了水平礦柱回采數(shù)值計(jì)算三維模型，模擬了水平礦柱回采前后塑性區(qū)域和應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，計(jì)算結(jié)果表明：回采前，水平礦柱未出現(xiàn)塑性區(qū)域，水平礦柱穩(wěn)定性較好，回采后，每個(gè)盤區(qū)開采的圍巖界面都出現(xiàn)了很大的壓應(yīng)力集中，充填后，水平礦柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善，說明充填對(duì)提高礦柱穩(wěn)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(wěn)定性良好。

表2 充填后水平礦柱各個(gè)盤區(qū)安全因子

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