紫金山金銅礦露天地下聯(lián)合開采隔離礦柱厚度數(shù)值模擬研究

賴紅源

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 紫金山金銅礦， 福建 上杭市 364200)

1 開采現(xiàn)狀

1.1 露天開采現(xiàn)狀

經(jīng)過四期技改和實施金銅礦聯(lián)合開采，紫金山金礦生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)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(nèi)最高標(biāo)高為1024 m，相對最大高差360 m，從坑底到坑頂現(xiàn)狀最大邊坡角為22°。采坑?xùn)|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(xiàn)已開采到642 m水平。年采剝總量達(dá)1500×104m3，年產(chǎn)黃金達(dá)15 t。預(yù)計最終回采標(biāo)高為620 m。

對應(yīng)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(chǎn)量為7～8×104t/d。使用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行下向垂直深孔作業(yè)，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(jī)，重型卡車運(yùn)輸，40 t/車次。礦石經(jīng)露天溜井下放到礦石主平硐330 m水平，再由軌道電機(jī)車運(yùn)輸?shù)竭x廠礦倉。露天邊坡已按礦山確定的100 m境界實施，邊幫在擴(kuò)幫。采場中有1#、2#、3#、4#和6#溜井，井筒均無支護(hù)。

1.2 地下開采現(xiàn)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(biāo)高為460～580 m。各中段巖性主要為弱風(fēng)化的中西?；◢弾r，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(chǎn)過程中嚴(yán)格按照設(shè)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(jié)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(qū)。

460～510 m和520～570 m兩中段的巷道規(guī)格為4 m×4 m。巷道無支護(hù)，巷道兩側(cè)及頂部一般無滲水和淋水現(xiàn)象，F(xiàn)1斷層處的巖體無冒落，仍處在穩(wěn)定狀態(tài)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(xiàn)象。個別地段見巷道有小冒頂和偏幫現(xiàn)象。整個礦區(qū)，無論露天還是地下，銅綠水腐蝕現(xiàn)象到處可見。

2 數(shù)值模擬法計算隔離礦柱厚度

2.1 模擬狀態(tài)的確定

地下采空區(qū)主要對應(yīng)于銅礦體的地表露采部分，依據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀以及生產(chǎn)計劃，模擬現(xiàn)狀(或模擬初始狀態(tài))為空區(qū)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(jīng)過實驗室?guī)r石力學(xué)的測試，以及適當(dāng)?shù)墓こ陶蹨p之后，得到的力學(xué)參數(shù)結(jié)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(jù)以上尺寸建立了數(shù)值模擬模型。

由于隔離頂柱三維實體模型的構(gòu)形比較復(fù)雜，這里采用空間四面體對模型進(jìn)行剖分，將整個模型劃分為53052個單元(SOLID95單元)，80667個結(jié)點。整體網(wǎng)格中開挖部分以及周邊網(wǎng)格劃分的比較密集，較遠(yuǎn)部分的網(wǎng)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(xué)參數(shù)

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

圖1、圖2中的最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)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(xiàn)了拉應(yīng)力的集中，在礦房的四個端部則出現(xiàn)了壓應(yīng)力的集中。隔離礦柱最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在每個礦房中的頂柱的中部，最大拉應(yīng)力為1.14 MPa；隔離礦柱最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在每個礦房頂柱的4個角點，最大壓應(yīng)力為3.46 MPa；隔離礦柱最大切應(yīng)力出現(xiàn)在每個礦房中的頂柱兩側(cè)，最大切應(yīng)力為0.21 MPa。由于巖體的抗拉抗壓強(qiáng)度分別為4.88 MPa和86.83 MPa，表明隔離頂柱最容易發(fā)生破壞的位置為存在拉應(yīng)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(yīng)力破壞。

圖1 隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

通過數(shù)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(jī)理相符，這一結(jié)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(tǒng)解析法計算隔離頂柱厚度時所采用的破壞機(jī)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(biāo)高為+652、+640、+628、+616、+604、+592 m時的露天與地下開采模型，對應(yīng)的隔離礦柱厚度為77、64、51、39、27、15 m。露天開采至最低標(biāo)高時，露天與地下開采模型最大主應(yīng)力σ1見圖3～圖7。

圖2 隔離礦柱的最小主應(yīng)力σ3分布

圖3 標(biāo)高為+652 m隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

依據(jù)計算的隔離礦柱模型的第三主應(yīng)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(yīng)力集中只發(fā)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(yīng)力減小，礦房四角的壓應(yīng)力集中也應(yīng)減小；同時隔離頂柱厚度變小,使得頂柱自身分擔(dān)的高陡邊坡的側(cè)應(yīng)力減小，礦房圍巖分擔(dān)的側(cè)應(yīng)力增加。在這一減一加中，壓應(yīng)力的值也就沒有發(fā)生太大變化。

圖4 標(biāo)高為+640 m隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

圖5 標(biāo)高為+628 m隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

圖6 標(biāo)高為+616 m隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

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

依據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果。經(jīng)過擬合得到隔離頂柱厚度與最大拉應(yīng)力的關(guān)系曲線，見圖8。

圖7 標(biāo)高為+604 m隔離礦柱的最大主應(yīng)力σ1分布

圖8 隔離頂柱厚度與最大拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

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

最大許用應(yīng)力對應(yīng)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(shù)值模擬法求得的合理隔離礦柱厚度為35.4 m。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬手段確定了紫金山金銅礦露天地下聯(lián)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(chǎn)以及露天采場邊坡的穩(wěn)定性和地下采場的穩(wěn)定性有一定的指導(dǎo)意義。

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