世界第一深的单井地下铜矿---Resolution Copper极端高温环境下的采矿挑战

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摘要

Resolution Copper矿是亚利桑那州一个拟建的地下矿山，由力拓和必和必拓共同拥有，位于地表以下近2100米处，是全球最大的未开发铜矿之一。该项目采用自然崩落法开采，经过10多年的可行性研究。在采矿岩石力学方面，通过原位岩体分级IRMR和岩体强度分析，得出了一系列岩石力学参数。然而，深部开采面临通风、地下水和高温等挑战，尤其是地下水温高达80°C，需要升级通风和冷却系统。矿山正在使用自动化技术应对这些挑战。

正文

1. 引言

Resolution Copper mine是一个拟建的地下矿山，位于亚利桑那州凤凰城以东60英里处，靠近Superior镇。这是一家合资企业，由力拓(Rio Tinto,55%)和必和必拓(BHP,45%)共同拥有，矿床位于地表以下近2100米处。据估计，Resolution 矿床的平均铜品位为1.5%，自发现 Resolution 铜矿以来，该项目已开发了近二十年，它是世界上最大的未开发铜矿项目之一，一旦投入运营，它有望成为北美最大的铜矿，产量可达美国铜年需求量的25%，预计矿山寿命为40年。

2. 采矿岩石力学

Resolution Copper开采的可行性研究长达10多年，采用自然崩落法(Panel caving)开采，前期的岩土勘察工作主要由加拿大咨询公司BGC Engineering承担，崩落采矿研究由Itasca Consulting承担。Itasca的研究显示，平均崩落角为74°~79°。

2.1 原位岩体分级IRMR

原位岩体分级IRMR(In Situ Rock Mass Rating)是Laubscher和Jakubec(2000)更新的MRMR系统中引入的概念。Laubscher图定义了三种可能的崩落状态：无崩落带、过渡带，即崩落开始出现但传播范围很小，以及崩落带即发生持续传播。Resolution Copper每个岩土域的IRMR值如下图所示：

2.2 岩体强度

岩体强度如下表所示：

使用【FLAC3D和3DEC中Hoek-Brown准则参数的自动计算】和【三轴试验数据拟合Hoek-Brown准则的简洁方法(Best-Fit of Triaxial Lab Data)】的算法估算其它数值模拟需要的参数，以第一行的岩石(diabase, Basalt)为例，推导的其它岩石力学参数如下：

(1) 抗拉强度为0.14MPa

(2) 单轴抗压强度为4.1MPa

(3) 岩体变形模量为7738.39MPa

(4) 粘结力4.3MPa

(5) 内摩擦角28.8°

2.3 原岩应力

(1) 最大主应力𝜎1是垂直应力，等于覆盖层的应力：𝜎1=25.5*z [km]，假设z=2.1km，则𝜎1=53.55MPa;

(2) 中间主应力𝜎2为南北方向，数量上为𝜎1的80%, 即𝜎2=20.4*z [km]，假设z=2.1km，则𝜎2=42.84MPa

(3) 最小主应力𝜎3为东西方向，数量上为𝜎1的50%, 即𝜎3=12.75*z [km]，假设z=2.1km，则𝜎3=26.78MPa

3. 主要挑战

Resolution Copper的开采深度在地表2100m之下，如同其它深部开采和矿山一样，将会遇到通风、地下水和高温的严峻挑战，地下水的涌水量大约为每分钟2.3立方米，相当于每天3312立方米的涌水量。这个涌水量不算太大，但对排水要求也很高。在内蒙古乌拉特后旗

的两个矿山，每天的正常涌水量达14万立方米，最大涌水量可达每天21万立方米，正常生产排水每天1200立方米。

Resolution Copper在2200m深处的地下温度为80°C，在如此高温的环境下采矿，既要保证工人足够安全，又要保证设备可靠运行，因此通风和降温是非常大的挑战。目前矿山正在使用Rockwell Automation公司的自动化技术升级改造通风和冷却系统，Rockwell是美国一家工业自动化和数字化转型技术供应商。

4. 参考

[1] (2008) Panel caving at the Resolution copper project.

[2] (2012) Progress and challenges in some areas of deep mining.

[3] (2013) Interaction between block caving and rock slope deformation kinematics as a function of cave position and orientation of discontinuities.

[4] (2016) Development and evaluation processes of cave production schedules for the Resolution Copper project.

[5](2017) Assessment of Surface Subsidence Associated with Caving Resolution Copper Mine Plan of Operations.

[6] (2018) Resolution Copper Project & Land Exchange Environmental Impact Statement - Geologic Data and Subsidence Modeling Evaluation Report.

[7] (2018) Subsidence Impact Analysis - Sensitivity Study | Assessment of Surface Subsidence Associated with Caving Resolution Copper Mine Plan of Operations.

[8] (2018) Subsidence Impact Analysis - Sensitivity Study Addendum to Itasca Report “Assessment of Surface Subsidence Associated with Caving - Resolution Copper Mine Plan of Operations”

[9] (2019) Assessment of Potential for Caving-Induced Fault Slip Seismicity at Resolution Copper Mine.

[10] (2019) Empirical Analysis of Surface Subsidence Associated with Caving Resolution Copper Mine Plan of Operations.

[11] (2020) Literature Review to Identify Techniques for Mining Method Selection Resolution Copper EIS.

来源：计算岩土力学