金川二矿1150 m水平矿柱回采稳定性数值计算研究

邹 龙， 彭府华

(1.金川集团股份有限公司二矿区， 甘肃 金昌市 737104；2. 长沙矿山研究院有限责任公司，

0 前 言

金川二矿区为我国特大型地下矿山，矿体厚度大，水平投影面积大，走向长度长。该矿矿体与围岩较为破碎、地应力大，为难采型地下矿床，采用的采矿方法为机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法。

金川二矿区由于采用多中段大面积连续开采，在1150和1000两个采矿中段之间形成了约长600 m、平均宽120 m的特大型水平矿柱，水平矿柱上方充填体约为1000万m3，下方约为500万m3。特大型水平矿柱的开采在金川矿山尚属首次，在国内外矿山也没有先例。回采过程中，应力集中是否会导致水平矿柱突然失稳破坏。水平矿柱回采结束后，1150中段充填体必然会与1000中段充填体叠加，上部充填体将会失去原有水平矿柱的支撑，是否会加剧上部充填体的下沉变形，上下盘围岩会不会向充填空间大范围变形，造成大面积来压值得深入研究。因此，水平矿柱的安全回采引起了国内各大研究院所、高校及同行专家的高度关注。本文基于水平矿柱回采安全问题，采用有限元数值模拟方法对1150 m水平矿柱开采前、开采过程和开采后的稳定性进行了计算。

1 三维数值模型建立

1.1 几何模型建立与网格划分

由于采矿形成的水平矿柱主要位于1150～1170 m水平之间，同时考虑开挖影响范围，故考虑将三维模型的上下两个边界范围定为1110 m水平和1210 m水平。其余边界模型x方向从-100 m到1000 m变化，y方向从-300 m到800 m变化。本文重点研究的水平矿柱的有限元模型见图1，从图1可以看出，由于连年的不断开采，水平矿柱如今出现VIII～V区厚而III～I区相对薄的情况。

图1 水平矿柱有限元网格

水平矿柱的稳定性与其周围的围岩息息相关，在构建完水平矿柱有限元模型后，也需建立相应的围岩有限元模型，如图2所示。全部模型总共采用78066个SOLID92单元，108531个节点。

1.2 初始应力场与材料力学参数

有限元计算过程中，所有材料的本构模型均为DP模型，采用的力学参数如表1所示。在1110 m水平固定该水平上的所有节点位移，然后对四个侧面施加力边界，力边界应力大小与初始地应力场相适应，即:

(1)

2 稳定性数值计算

2.1 开采前水平矿柱稳定性研究

图2 围岩网格

经过有限元计算，水平矿柱的塑性区如图3所示，从图3可以看出，水平矿柱中未出现塑性区，这说明水平矿柱是稳定的，按照现有的采矿方案，矿体采、充能够保证水平矿柱的安全性。另外，水平矿柱的第三主应力如图4所示，从图4可以看出，整个模型内水平矿柱第三主应力从-14.6 MPa到-96.5 MPa之间变化(为压应力)。压应力最大值出现在第VI盘区1150水平靠北边界处，该处是下一步开采应着重注意的区域，由于最大压应力的比值已超过5.5倍，该处矿体存在受压破坏的危险。

表1 计算采用力学物理力学参数

图3水平矿柱塑性区

图4 水平矿柱第三主应力

图5是水平矿柱的第一主应力，从图5可以看出,矿柱的第一主应力从-4.2 MPa到-33.2 MPa之间变化，因而水平矿柱不存在受拉破坏的可能。

2.2 开采后水平矿柱稳定性研究

对现有矿柱下一步预计进行开采的矿体进行开采模拟，从而分析水平矿柱的稳定性。分析结果表明：水平矿柱第三主应力在每个盘区的围岩界面都出现了很大的压应力集中，压应力最大值已远远超过岩体的抗压强度；第一主应力即最大拉应力也远远超过岩体的抗拉强度，各盘区拉应力集中主要集中在靠近矿体边界区域。若一次性开挖全部矿体，水平矿柱的稳定性不良，这也间接说明了开展矿体开采顺序优化的必要性。

2.3 充填后水平矿柱稳定性研究

对开采后的矿体进行充填的数值模拟，进而分析充填后水平矿柱的稳定性。图6是下一步采矿空区充填后水平矿柱的第三主应力图，结果显示，充填后水平矿柱的应力集中现象得到了明显的改善，最大压应力减小为94.7 MPa。图7是下一步矿体充填后水平矿柱的第一主应力云图，该图说明充填后第一主应力集中的现象也有所改善。第三主应力和第一主应力云图都说明了充填对提高矿柱稳定性的作用。

为了描述水平矿柱接近破坏的程度，定义安全因子为：

(2)

图5 水平矿柱第一主应力

图6 充填后水平矿柱第三主应力

图7 充填后水平矿柱第一主应力

通过定义的安全因子可以从另一方面对矿柱的稳定性进行定量评价。表2是充填后水平矿柱各盘区安全因子的计算结果。从表2可以看出，水平矿柱回采后各盘区安全因子为1.4～3.9。

3 结 论

本文建立了水平矿柱回采数值计算三维模型，模拟了水平矿柱回采前后塑性区域和应力场的变化情况，计算结果表明：回采前，水平矿柱未出现塑性区域，水平矿柱稳定性较好，回采后，每个盘区开采的围岩界面都出现了很大的压应力集中，充填后，水平矿柱的应力集中现象得到了明显的改善，说明充填对提高矿柱稳定性的作用，并且充填后水平矿柱的安全因子都大于1.4，显示充填后水平矿柱稳定性良好。

表2 充填后水平矿柱各个盘区安全因子

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