Kidd Creek Mine的地压控制和岩石工程参数校准

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1 引言

在1988年左右，全球最深的地下矿山开采深度大约是1.5km(位于南非)，当时中国地下开采深度最深的矿山是位于辽宁省的红透山铜矿，开采深度接近900m。进入21世纪后，随着机械化程度的快速发展、采矿技术的不断进化以及人类现代化生活对金属的无限贪婪，地下开采速度变得越来越快，导致开采深度越来越深。目前全球开采最深的矿山是南非的Mponeng Gold Mine，开采深度4km；加拿大第二最深的矿山Kidd Creek Mine开采深度为3km，2021年的世界排名仅排第15名【19个全球最深的地下矿山(开采深度均超过2千米)】。

尽管每个深部开采的矿山条件各不相同，但它们都面临着差不多相同的难题：运输提升、地压和岩爆以及温度。本文回顾了Kidd Creek Mine的采矿方法、地压控制和岩石工程参数。

2 采矿方法

Kidd Creek铜/锌矿位于加拿大安大略省Timmins以北27km处(坐标48.691667, -81.366667)，1963年勘探发现了该矿床，1966年开始进行露天开采，1972年完成了露天开采后转入地下开采。矿石被送往位于东南方向27km的霍伊尔的Kidd Creek选厂进行加工。2011年12月完成了一个价值1.11亿美元的扩建项目，延长了矿山的寿命。Kidd Creek目前的开采深度为3km。

Kidd Creek矿传统的采矿方法是分段空场采矿法(open stope mining)，典型的矿房布置：矿体倾角75°~90°，垂直高度30~40m，走向长度25m，空场宽度15~20m，使用CRF(Cemented Rock Fill)进行充填(Blasthole stoping with cemented backfill)，它是全球使用CRF最大的矿山之一，仅次于澳大利亚的Mount Isa Mine【Mount Isa Mines---50年的岩石力学研究】，此外加拿大的Noranda's Geco Mine(2004年关闭)也是使用CRF的主要矿山。因此在过去进行了大量充填体物理力学性质的研究，尽管也试验过膏体充填(Paste backfill)和粉煤灰充填，但主要使用的还是CRF：

(1983) Backfill practice and technology at Kidd Creek Mines

(1988) Use of fly ash in backfill at Kidd Creek Mines

(1989) Some factors relating to the stability of consolidated rockfill at Kidd Creek

(1989) Mining with backfill at Kidd Creek No. 2 mine

(1995) Consolidated rockfill

(1996) Consolidated rockfill optimizatiom at Kidd Creek Mines

(2000) Paste backfill study for deep mining at Kidd Creek

Kidd Creek矿的CRF主要使用小于15cm的破碎安山岩作为骨料，占重量的5%，CRF龄期为28天，原位测试获得的平均变形模量为2.28~3.38GPa，单轴抗压强度为6.07MPa。

3 地压控制

Kidd Creek矿的地压控制主要由CANMET和矿山自己的研究团队完成，也委托一些咨询公司进行评估，例如Itasca。一个详细的地压控制回顾研究参看Henning J.G (2007) Evaluation of Long-Hole Mine Design Influences on Unplanned Ore Dilution. Ph.D. Thesis McGill University, Canada, 363p.

(1979) CANMET'S rock-mechanics research at the Kidd Creek Mine

(1980) Ground control at Kidd Creek mine

(1981) Sublevel stoping at Kidd Creek Mines

(1987) Field stresses at the Kidd Creek Mine

(1993) The development of new blast damage criteria for blasthole mining operations

(1992) Rock Mechanics Aspects on Sill Pillar Recovery at Kidd Creek Mines

(1997) Kidd Creek risk assessment - summary of phase 1~6

(2014) Kidd Mine – dealing with the issues of deep and high stress mining – past, present and future

(2017) Strain and rock bursting at Kidd Creek: support response and recent work on damage measurement systems

(2017) Ground support survivability under seismic loading, observations from Kidd Creek

4 岩石工程参数

Kidd Creek矿的岩石类型有两种：安山岩(Andesite)和凝灰岩(tuff)。Cai等人(2004)预测安山岩的GSI=68，属于Blocky岩体，但没有给出安山岩的强度参数。凝灰岩的强度试验包括在RocProp数据库中，试件直径47mm, 长度110mm，围压10.00~100.00MPa, 主要的参数有：

(1) Compressive Strength=33.34MPa

(2) Young's Modulus=28550MPa

(3) Possion's Ratio=0.58

(4) Tensile Strength=3.17MPa

(5) Unit Weight=0.02786(MN/m3)

(6) Intact Hoek-Brown Constant, m=2.27

(7) Residual Hoek-Brown Constant, m=0.06

(8) Residual Hoek-Brown Constant, s=0.3

(9) Compressive Wave Velocity=4.85km/s

与【Bousquet mine的岩石工程参数---凝灰岩(tuff)】的参数相比，这个凝灰岩的参数值更低一些。

(1) 输入参数：

UCS=33.34MPa

GSI=30

mi=2.27

D=0

IM=28550MPa

(2) Hoek-Brown准则：

mb=0.186

s=0.000419

a=0.522

(3) 岩体参数：

Tensile Strength=0.075MPa

UCS=0.574MPa

Global Strength=1.729MPa

Modulus of Deformation=2323.488MPa

(4) 破坏范围包络线：

application=general

Sig3max=8.335MPa

(5) Mohr-Coulomb拟合：

cohesion=0.672MPa

friction angle=14.285°

来源：计算岩土力学

Deform 控制试验

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首次发布时间：2023-03-18