赖红源

(紫金矿业集团股份有限公司 紫金山金铜矿， 福建 上杭市 364200)

1 开采现状

1.1 露天开采现状

经过四期技改和实施金铜矿联合开采，紫金山金矿生产规模逐年扩大，成为全国最大的金矿露采矿山。

目前紫金山金铜矿露天采场最高台阶为1036 m，境界内最高标高为1024 m，相对最大高差360 m，从坑底到坑顶现状最大边坡角为22°。采坑东西宽1800 m，南北长1300 m，采坑边长约6 km，采坑总面积为1.5 km2。坡面角多为60°～70°，台阶宽度为10～50 m。

金矿体露天现已开采到642 m水平。年采剥总量达1500×104m3，年产黄金达15 t。预计最终回采标高为620 m。

对应铜矿体的地表部分，露天开采已到676 m水平(截至2012年7月)，铜矿石生产量为7～8×104t/d。使用潜孔钻机进行下向垂直深孔作业，爆破排距5 m、间距7.5 m、炮孔直径为175 mm，孔深为15 m，采用胺油炸药。爆破块度一般在0.8 m以下，ZL-50型装载机，重型卡车运输，40 t/车次。矿石经露天溜井下放到矿石主平硐330 m水平，再由轨道电机车运输到选厂矿仓。露天边坡已按矿山确定的100 m境界实施，边帮在扩帮。采场中有1#、2#、3#、4#和6#溜井，井筒均无支护。

1.2 地下开采现状

铜矿地下开采范围在平面上主要分布于露天采场的北部。垂向上分布标高为460～580 m。各中段岩性主要为弱风化的中西粒花岗岩，局部可见隐爆角砾岩、石英安玢岩和石英斑岩。

铜矿地下开采时间为2006年1月～2010年9月，生产过程中严格按照设计实施，采取大直径深孔阶段矿房法回采。520～570 m中段回采于2008年底全部结束，460～510 m中段尚有部分大直径深孔没实施爆破，残留有大量空区。

460～510 m和520～570 m两中段的巷道规格为4 m×4 m。巷道无支护，巷道两侧及顶部一般无渗水和淋水现象，F1断层处的岩体无冒落，仍处在稳定状态中，在巷道一些较低地段，见有积水深度在20～30 cm左右。从地下开采暂停至今的3年来，巷道中的积水靠外溢自流排出，在460 m水平局部地段见巷道断面湿润，并有微量滴水和渗水现象。个别地段见巷道有小冒顶和偏帮现象。整个矿区，无论露天还是地下，铜绿水腐蚀现象到处可见。

2 数值模拟法计算隔离矿柱厚度

2.1 模拟状态的确定

地下采空区主要对应于铜矿体的地表露采部分，依据矿山生产现状以及生产计划，模拟现状(或模拟初始状态)为空区地表露天采场开采水平为+664 m水平，然后再以+664 m水平为起点，一步步降低露采开采水平。

经过实验室岩石力学的测试，以及适当的工程折减之后，得到的力学参数结果见表1。

2.2 模型的建立

实际模拟时确定三维模型尺寸为长×宽×高=620 m×270 m×250 m。在建立模型时，依据以上尺寸建立了数值模拟模型。

由于隔离顶柱三维实体模型的构形比较复杂，这里采用空间四面体对模型进行剖分，将整个模型划分为53052个单元(SOLID95单元)，80667个结点。整体网格中开挖部分以及周边网格划分的比较密集，较远部分的网格尺寸划分较大。

2.3 模拟计算

表1 摩尔匹配后矿石和围岩的原始基本力学参数

模型建立后，采用边界约束和自重荷载，计算后可获得相应的应力分布状态等结果，对于开挖后的应力状态，重点研究露天采场开采各水平开挖结束后，地下开采各矿房空区应力分布的等值线图。

图1、图2中的最大主应力σ1和最小主应力σ3，表明，在每个矿房的隔离顶柱的中部以及矿房的矿柱出现了拉应力的集中，在矿房的四个端部则出现了压应力的集中。隔离矿柱最大拉应力出现在每个矿房中的顶柱的中部，最大拉应力为1.14 MPa；隔离矿柱最大压应力出现在每个矿房顶柱的4个角点，最大压应力为3.46 MPa；隔离矿柱最大切应力出现在每个矿房中的顶柱两侧，最大切应力为0.21 MPa。由于岩体的抗拉抗压强度分别为4.88 MPa和86.83 MPa，表明隔离顶柱最容易发生破坏的位置为存在拉应力集中的隔离顶柱的中部，即隔离顶柱的主要破坏形式为拉应力破坏。

图1 隔离矿柱的最大主应力σ1分布

通过数值模拟出的隔离顶柱的破坏形式与前文理论分析的隔离顶柱的破坏机理相符，这一结论主要适用于隔离顶柱为板状岩体且隔离顶柱整体完整性较好的这一条件下。这也正是传统解析法计算隔离顶柱厚度时所采用的破坏机理。

3 隔离顶柱合理厚度的确定

为了确定隔离顶柱的厚度，依次建立了露天开采底标高为+652、+640、+628、+616、+604、+592 m时的露天与地下开采模型，对应的隔离矿柱厚度为77、64、51、39、27、15 m。露天开采至最低标高时，露天与地下开采模型最大主应力σ1见图3～图7。

图2 隔离矿柱的最小主应力σ3分布

图3 标高为+652 m隔离矿柱的最大主应力σ1分布

依据计算的隔离矿柱模型的第三主应力分布可知,不同顶柱厚度下隔离顶柱模型矿房四角的压应力集中只发生了很小的变化。隔离顶柱厚度变小，顶柱自重对矿房的压应力减小，矿房四角的压应力集中也应减小；同时隔离顶柱厚度变小,使得顶柱自身分担的高陡边坡的侧应力减小，矿房围岩分担的侧应力增加。在这一减一加中，压应力的值也就没有发生太大变化。

图4 标高为+640 m隔离矿柱的最大主应力σ1分布

图5 标高为+628 m隔离矿柱的最大主应力σ1分布

图6 标高为+616 m隔离矿柱的最大主应力σ1分布

通过上述两点对拉应力与压应力的分析可知，随着隔离顶柱厚度的减小，拉应力的值不断增加，而压应力的值只发生了很小浮动。因此在露天与地下联合开采隔离矿柱的各种受力中，拉应力处于主导地位。

依据数值模拟分析的结果。经过拟合得到隔离顶柱厚度与最大拉应力的关系曲线，见图8。

图7 标高为+604 m隔离矿柱的最大主应力σ1分布

图8 隔离顶柱厚度与最大拉应力的关系曲线

隔离顶柱岩性主要为矿石，依据岩体强度参数，矿石最大抗拉强度为4.88 MPa，选定安全系数为1.3时，最大许用拉应力为3.75 MPa计算出拉应力σ许后，采用插值法，在最大主应力曲线图上求出应力为最大许用应力σ许=3.75 MPa时的点，此时对应的隔离顶柱厚度为35.4 m(见图8)。

最大许用应力对应的隔离矿柱厚度即为所需要的合理隔离矿柱厚度。因此采用数值模拟法求得的合理隔离矿柱厚度为35.4 m。

4 结 论

通过数值模拟手段确定了紫金山金铜矿露天地下联合开采的隔离矿柱合理厚度为35.4 m，对矿山今后露天与地下的正常生产以及露天采场边坡的稳定性和地下采场的稳定性有一定的指导意义。

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