紫金山金銅礦露天地下聯合開采隔離礦柱厚度數值模擬研究

賴紅源

(紫金礦業集團股份有限公司 紫金山金銅礦， 福建 上杭市 364200)

1 開采現狀

1.1 露天開采現狀

經過四期技改和實施金銅礦聯合開采，紫金山金礦生產規模逐年擴大，成為全國最大的金礦露采礦山。

目前紫金山金銅礦露天采場最高臺階為1036 m，境界內最高標高為1024 m，相對最大高差360 m，從坑底到坑頂現狀最大邊坡角為22°。采坑東西寬1800 m，南北長1300 m，采坑邊長約6 km，采坑總面積為1.5 km2。坡面角多為60°～70°，臺階寬度為10～50 m。

金礦體露天現已開采到642 m水平。年采剝總量達1500×104m3，年產黃金達15 t。預計最終回采標高為620 m。

對應銅礦體的地表部分，露天開采已到676 m水平(截至2012年7月)，銅礦石生產量為7～8×104t/d。使用潛孔鉆機進行下向垂直深孔作業，爆破排距5 m、間距7.5 m、炮孔直徑為175 mm，孔深為15 m，采用胺油炸藥。爆破塊度一般在0.8 m以下，ZL-50型裝載機，重型卡車運輸，40 t/車次。礦石經露天溜井下放到礦石主平硐330 m水平，再由軌道電機車運輸到選廠礦倉。露天邊坡已按礦山確定的100 m境界實施，邊幫在擴幫。采場中有1#、2#、3#、4#和6#溜井，井筒均無支護。

1.2 地下開采現狀

銅礦地下開采范圍在平面上主要分布于露天采場的北部。垂向上分布標高為460～580 m。各中段巖性主要為弱風化的中西粒花崗巖，局部可見隱爆角礫巖、石英安玢巖和石英斑巖。

銅礦地下開采時間為2006年1月～2010年9月，生產過程中嚴格按照設計實施，采取大直徑深孔階段礦房法回采。520～570 m中段回采于2008年底全部結束，460～510 m中段尚有部分大直徑深孔沒實施爆破，殘留有大量空區。

460～510 m和520～570 m兩中段的巷道規格為4 m×4 m。巷道無支護，巷道兩側及頂部一般無滲水和淋水現象，F1斷層處的巖體無冒落，仍處在穩定狀態中，在巷道一些較低地段，見有積水深度在20～30 cm左右。從地下開采暫停至今的3年來，巷道中的積水靠外溢自流排出，在460 m水平局部地段見巷道斷面濕潤，并有微量滴水和滲水現象。個別地段見巷道有小冒頂和偏幫現象。整個礦區，無論露天還是地下，銅綠水腐蝕現象到處可見。

2 數值模擬法計算隔離礦柱厚度

2.1 模擬狀態的確定

地下采空區主要對應于銅礦體的地表露采部分，依據礦山生產現狀以及生產計劃，模擬現狀(或模擬初始狀態)為空區地表露天采場開采水平為+664 m水平，然后再以+664 m水平為起點，一步步降低露采開采水平。

經過實驗室巖石力學的測試，以及適當的工程折減之后，得到的力學參數結果見表1。

2.2 模型的建立

實際模擬時確定三維模型尺寸為長×寬×高=620 m×270 m×250 m。在建立模型時，依據以上尺寸建立了數值模擬模型。

由于隔離頂柱三維實體模型的構形比較復雜，這里采用空間四面體對模型進行剖分，將整個模型劃分為53052個單元(SOLID95單元)，80667個結點。整體網格中開挖部分以及周邊網格劃分的比較密集，較遠部分的網格尺寸劃分較大。

2.3 模擬計算

表1 摩爾匹配后礦石和圍巖的原始基本力學參數

模型建立后，采用邊界約束和自重荷載，計算后可獲得相應的應力分布狀態等結果，對于開挖后的應力狀態，重點研究露天采場開采各水平開挖結束后，地下開采各礦房空區應力分布的等值線圖。

圖1、圖2中的最大主應力σ1和最小主應力σ3，表明，在每個礦房的隔離頂柱的中部以及礦房的礦柱出現了拉應力的集中，在礦房的四個端部則出現了壓應力的集中。隔離礦柱最大拉應力出現在每個礦房中的頂柱的中部，最大拉應力為1.14 MPa；隔離礦柱最大壓應力出現在每個礦房頂柱的4個角點，最大壓應力為3.46 MPa；隔離礦柱最大切應力出現在每個礦房中的頂柱兩側，最大切應力為0.21 MPa。由于巖體的抗拉抗壓強度分別為4.88 MPa和86.83 MPa，表明隔離頂柱最容易發生破壞的位置為存在拉應力集中的隔離頂柱的中部，即隔離頂柱的主要破壞形式為拉應力破壞。

圖1 隔離礦柱的最大主應力σ1分布

通過數值模擬出的隔離頂柱的破壞形式與前文理論分析的隔離頂柱的破壞機理相符，這一結論主要適用于隔離頂柱為板狀巖體且隔離頂柱整體完整性較好的這一條件下。這也正是傳統解析法計算隔離頂柱厚度時所采用的破壞機理。

3 隔離頂柱合理厚度的確定

為了確定隔離頂柱的厚度，依次建立了露天開采底標高為+652、+640、+628、+616、+604、+592 m時的露天與地下開采模型，對應的隔離礦柱厚度為77、64、51、39、27、15 m。露天開采至最低標高時，露天與地下開采模型最大主應力σ1見圖3～圖7。

圖2 隔離礦柱的最小主應力σ3分布

圖3 標高為+652 m隔離礦柱的最大主應力σ1分布

依據計算的隔離礦柱模型的第三主應力分布可知,不同頂柱厚度下隔離頂柱模型礦房四角的壓應力集中只發生了很小的變化。隔離頂柱厚度變小，頂柱自重對礦房的壓應力減小，礦房四角的壓應力集中也應減小；同時隔離頂柱厚度變小,使得頂柱自身分擔的高陡邊坡的側應力減小，礦房圍巖分擔的側應力增加。在這一減一加中，壓應力的值也就沒有發生太大變化。

圖4 標高為+640 m隔離礦柱的最大主應力σ1分布

圖5 標高為+628 m隔離礦柱的最大主應力σ1分布

圖6 標高為+616 m隔離礦柱的最大主應力σ1分布

通過上述兩點對拉應力與壓應力的分析可知，隨著隔離頂柱厚度的減小，拉應力的值不斷增加，而壓應力的值只發生了很小浮動。因此在露天與地下聯合開采隔離礦柱的各種受力中，拉應力處于主導地位。

依據數值模擬分析的結果。經過擬合得到隔離頂柱厚度與最大拉應力的關系曲線，見圖8。

圖7 標高為+604 m隔離礦柱的最大主應力σ1分布

圖8 隔離頂柱厚度與最大拉應力的關系曲線

隔離頂柱巖性主要為礦石，依據巖體強度參數，礦石最大抗拉強度為4.88 MPa，選定安全系數為1.3時，最大許用拉應力為3.75 MPa計算出拉應力σ許后，采用插值法，在最大主應力曲線圖上求出應力為最大許用應力σ許=3.75 MPa時的點，此時對應的隔離頂柱厚度為35.4 m(見圖8)。

最大許用應力對應的隔離礦柱厚度即為所需要的合理隔離礦柱厚度。因此采用數值模擬法求得的合理隔離礦柱厚度為35.4 m。

4 結 論

通過數值模擬手段確定了紫金山金銅礦露天地下聯合開采的隔離礦柱合理厚度為35.4 m，對礦山今后露天與地下的正常生產以及露天采場邊坡的穩定性和地下采場的穩定性有一定的指導意義。

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