蔡美峰-露天转地下开采

第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛

露天转地下开采覆盖层安全结构和 边坡变形动力冲击与控制研究

北京科技大学 蔡美峰2011年6月11日

内 容 提 要一、前言二、露天转地下开采覆盖层安全结构与合理厚度 研究 三、露天转地下开采边坡变形动力冲击演化机理 及其控制研究 四、结语

一、前 言 我国冶金矿山80%的矿石量来自于露天开采。经过几十

年开采，目前大多数大中型露天矿山已经进入中后期开 采，很多矿山的开采方式已由山坡开采转入凹陷开采。 由于大型铁矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较

大。凹陷开采深度超过400m~500m后继续进行露天扩 帮开采，不但经济上不合理，而且造成土地的大面积占 用和剥离的大量废石对生态环境的破坏。 露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的

综合性开采技术。可以使矿山基建投资减少25%~50%, 生产成本下降25%左右。因此，露天转地下开采是大量 矿山的必然选择。

一、前 言 与国外相比，我国金属矿山露天转地下开采的整体技术 水平仍然相对落后，困难和存在问题较多。 对露天转地下开采过渡时机把握不准确，过渡期过长或太

短，不能实现平稳过渡，造成企业生产能力的波动，甚至 减产、停产。 对露天和地下开采缺少统一的全面规划，露天和地下两类 相关的采矿工程设施不能有效地相互利用，露天与地下不 配套、不协调，不仅浪费资金，而且很难进行大规模、高 效率强化开采。

一、前 言 含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完善的 回收技术而被损失掉，或者回收率太低，损失贫化大， 造成资源严重浪费。 露天转地下开采过程中边坡和地下岩层共同变形、相互

影响，引发的地压活动规律和单一开采模式有很大不同， 造成的边坡和地下采场失稳破坏情况更为复杂和严重。

对覆盖层作用机理认识不清，处理不当，造成通风、排 水系统负荷增大，并可造成泥石流等灾害事故，加大了 地下开采的风险和成本。

一、前 言 同时，露天转地下开采是一项系统工程，过程环节多， 影响因素复杂。要实施露天转地下开采的平稳过渡， 既要提高生产能力、实现强化开采，又要保证生产安 全，难度很大。 为了解决我国金属露天矿转地下开采过程带有共性的 一系列关键技术问题，实现露天转地下开采的平稳过 渡和安全高效生产，“露天转地下相互协调安全高效 开采关键技术研究”被列入“十一五”国家科技支撑 计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。

一、前 言 以安全和效益为目标，围绕露天转地下开采平稳

过渡 和安全高效生产5个方面的关键技术进行系统深入的试 验研究： 露天转地下开采满足六大功能的覆盖层的安全结构、合理 厚度及其形成技术；

露天转地下平稳过渡和开拓运输系统、采矿方法与工艺、 通风、排水等系统的最佳衔接技术； 露天转地下开采过程中边坡及岩层变形、破坏实时监测及 预测预报技术，揭示矿山地压灾害事故的发生机理和内在 规律。

一、前 言 露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术； 露天转地下开采安全生产综合技术和自动化安全生产管理 信息系统

上述5个方面关键技术，对应了露天转地下开采的各个环节。各技术环节相互依赖、相互支撑、相互匹配，构 建一个整体优化的技术体系。保证首钢杏山铁矿露天转 地下开采的平稳过渡和安全高效生产，提升矿山的生产 规模、生产能力，实现经济效益、社会效益和环境效益

的最大化。

二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与 合理厚度研究 覆盖层的主要功能 防冲击地压 形成挤压爆破端部放矿条件

滞水作用 减少漏风 防寒保暖 预防泥石流

二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与 合理厚度研究 覆盖层力学行为和移动特性研究 实验室模拟研究模型1:覆盖层厚20m,

分段高度15m,二分段放矿

模型2:覆盖层厚40m,三分段放矿

模型3:覆盖层厚60m,两分段放矿

覆盖层力学行为和移动特性研究 实验研究结论结论1:露天转地下覆盖层随地下开采而沉降下移，宏观结 构可分为两部分: 流动层和整体下移层。

结论2:流动层高度HT 取决于采场结构参数、放矿制度。并受矿岩块度、湿度等因素的影响。Q

h f16

2 [ Bh

4 2 h f (1 2 )] 3

H S 2.5h f HT (H s H d ) kH s 松动体高度； H T 松动体影响的覆盖层高度； H d 崩落分段高度； k 安全系数，取1.2;Q 放出体体积； h 放出体高度；f

B 回采巷道宽度；h

放出椭球体偏心率；

结论3:流动层的结构流动层岩石块度最好接近地下采场矿石块度。块度过大， 容易出现悬拱现象；块度过细，岩石容易侵入到放出椭球体中， 过早侵蚀出现贫化。

块度过大造成的悬拱

粒度过细造成侵蚀贫化

结论4:整体下移层高度取决于设防标准，受覆盖层渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。

整体下移层 流动层

覆盖层物料的水渗透特性 渗透系数的测定试验实验装备与材料

渗透实验所用物料

渗透实验装置

实验结果不同粒径组成覆盖层的渗透系数组数 第1组 粗细比 渗透系数K(cm/s)

6:46.5:3.5 7:3 8:2

1.0792×10-42.2795×10-

4 1.0778×10-3 1.0647×10-2

第2组 第3组第4组

不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果土样编号 干密度 g/cm3 孔隙比 不均匀系数 曲率系数 1 2 0.35 16 1 2 1.97 0.371 16 1 3 1.94 0.392 16 1 4 1.91 0.414 16 1 5 1.88 0.436 16 1 6 1.85 0.459 16 1 7 1.82 0.484 16 1 8 1.79 0.508 16 1 9 1.76 0.534 16 1 10 1.73 0.561 16 1

渗透系数 cm/s

7.7 2.2 2.2 2.3 3.3 3.8 5.7 7.2 8.7 9.4 ×10-3 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2 ×10-2

不均匀系数不同时的渗透系数实验结果土样编号干密度 g/cm3 不均匀系数 曲率系数 渗透系数 cm/s

11.86 42.3 2

21.86 35.3 2

31.86 28.9 2

41.86 23.1 2

51.86 18 2

61.86 13.5 2

71.86 9.7 2

81.86 6.5 2

91.86 3.9 2 9.6× 10-3

101.86 2.9 2 8.8× 10-3

6.7× 4.5× 2.8× 2.4× 2.3× 2.1× 1.9× 1× 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2

不同曲率系数时渗透实验结果土样编号 干密度 g/cm3 不均匀系数 曲率系数 渗透系数 cm/s 1 1.95 20 0.1 2 1.95 20 0.3 3 1.95 20 0.5 4 1.95 20 0.8 5 1.95 20 1.1 6 1.95 20 1.5 7 1.95 20 2 8 1.95 20 2.6 9 1.95 20 3.2 10 1.95 20 3.9

3.1× 6.4× 6.4× 6.7× 6.9× 1.3× 1.2× 1.0× 1.6× 1.6× 10-3 10-3 10-3 10-3 10-3 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2

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