露天转地下相互协调安全高效采矿工艺技术研究JIETIBAOGAO方案

"十一五''科技支撑计划项目：

露天转地下开采平稳过渡关键技术研究(NO.2006BAB02A03)

《露天转地下相互协调安全高效采矿工艺技术研究》

结题报告

河北钢铁集团矿业有限公司石人沟铁矿

2010年12月29

目录

1概述..................................................................1

1.1研究背景.........................................................1

1.2露天转加下开采技术难点与基本原则................错误!未定义书签。

1.2.1露天转地下开采技术难点.....................错误!未定义书签。

1.2.2露天转地下开采基本原则......................................1

1.3研究现状........................................................2

1.3.1露天转地下开采方法..........................................2

1.3.2坑内采场结构参数优化研究...................................4

1.3.3露天开采极限深度...........................................7

1.3.4露天转地下开采过渡时期产量衔接.............................8

1.3.5露天转地下开采覆盖层的构筑.................................9

1.3.6露天开采边坡管理...........................................10

1.3.7露天开采残留矿柱的回收.....................................15

1.3.8露天转地下开采的通风、防洪及排水...........................17

L3.9露天转地下或露天与地下联合开采的地下空间问题...............18

1.4国内外典型实例..................................................18

1.4.1国外技术应用实例...........................................18

1.4.2国内技术应用实例...........................................20

1.5研究内容及路线.................................................22

2石人沟铁矿开采技术条件简介...........................................24

2.1矿山交通位置及自然状况..........................................24

2.2矿区地质状况...................................................24

2.3开采现状.......................................................27

2.4研究范围内矿体开采状况.........................................29

2.4.1开采技术条件...............................................29

2.4.2存在的问题................................................29

3露天转地下开采模式研究...............................................31

3.1露天转地下采矿方法适应性分析....................................31

3.1.1露天转地下开采过渡方案.....................................32

3.1.2露天转地下常用采矿方法....................................39

3.1.3开采模式对露天边坡稳定性影响分析..........................60

3.2露天转地下开采模式模糊选择方法.................................71

3.2.1综合评价指标体系的构建.....................................72

3.2.2层次分析法确定因素重要程度系数............................74

3.2.3隶属函数的定义及确定方法..................................78

3.2.4模糊综合评判步骤..........................................81

3.3石人沟铁矿最佳开采模式选择.....................................82

3.3.1综合评价指标体系构建.......................................82

3.3.2影响因素权重向量的确定....................................83

3.3.3隶属矩阵的确定............................................86

3.3.4最佳开采模式选择..........................................88

4爆破参数优化选择.....................................................92

4.1矿石爆破破碎性能影响因素AHP定量化分析.........................92

2

4.1.1主要影响因素指标体系.......................................93

4.1.2AHP定量化分析及结论......................................96

4.2爆破参数BP神经网络预测........................................99

4.2.1神经网络简介..............................................100

422BP神经网络结构............................................100

4.2.3BP神经网络预测模型.......................................102

4.2.4预测及讨论................................................104

5现场工业试验........................................................108

5.1试验采场选择及地质概况.........................................108

5.2试验矿块采准工程布置...........................................108

5.3主要设备引进...................................................112

5.4采场炮孔设计...................................................113

5.4.1切割槽炮孔设计............................................113

5.4.2回采炮孔设计..............................................117

5.5采场爆破设计...................................................121

5.5.1爆破方案总体设计..........................................121

5.5.2切割槽爆破设计............................................127

5.5.3回采爆破设计..............................................135

5.6爆破施工组织...................................................142

5.6.1爆破前期准备工作..........................................142

5.6.2爆破施工组织..............................................143

5.7主要经济技术指标...............................................143

6露天转地下开拓系统衔接技术..........................................147

6.1开拓系统衔接分类...............................................147

6.2典型开拓方案...................................................148

6.3石人沟铁矿开拓系统现状.........................................150

6.4石人沟铁矿露天转地下当前开拓系统衔接评价.......................152

6.4.1评价指标..................................................153

6.4.2评价结果..................................................155

6.5石人沟铁矿露天转地下开拓方案优化...............................160

7露天转地下高效节能通风模式研究......................................172

7.1通风系统设计原理...............................................172

7.2通风系统可靠性研究.............................................174

7.2.1系统失效模式与后果分析....................................174

7.2.2三角模糊数基本原理........................................176

7.2.3故障树分析................................................178

7.2.4石人沟铁矿通风系统及改进措施..............................182

7.3通风系统方案研究...............................................184

7.3.1影响指标及权重............................................184

7.3.2灰色关联分析法............................................186

7.3.3通风系统方案优选..........................................189

7.4推荐通风系统方案...............................................193

7.4.1通风系统及方式............................................193

7.4.2通风工作制度及通风时间....................................193

3

7.4.3露天完全转入地下的通风风机选型............................193

7.4.4过渡期通风能力校核........................................196

8露天转地下防排水研究................................................202

8.1矿井涌水量预测.................................................202

8.2石人沟铁矿防排水现状..........................................204

8.3一般防排水技术................................................205

8.3.1地面防排水................................................205

8.3.2井下防排水...............................................205

8.4石人沟铁矿地下防排水措施......................................207

8.4.1超前探水工作..............................................207

8.4.2修筑防水闸门（墙）.......................................208

8.4.3安全防范措施..............................................208

9总结................................................................210

9.1研究工作.......................................................210

9.2主要创新点....................................................211

4

1概述

矿产资源开采是国民经济基础性支柱产业之一，涉及国民经济的许多领域，诸如

钢铁、煤炭、有色金属、黄金、化工及非金属工业等。铁矿是国民经济最重要的基础

资源之一，几十年来，我国钢铁工业取得了举世瞩目的进步和发展，其年产量连续几

年均居世界第一位，对国民经济建设和社会发展具有举足轻重的影响作用。但是，我

国铁矿资源目前85%以上为露天生产，经过近几十年的开采和不断增产，国内大部分

露天矿山企业都面临着露天采场闭坑、即将转入地下开采阶段。鉴于我国露天矿山企

业多为深凹露天矿的特点，在转入地下开采时将面临更多的困难。为实现露天向地下

开采的平稳过渡，必须对涉及平稳过渡的关键技术进行攻关研究，其中露天转地下相

互协调安全高效采矿工艺技术是研究的重点内容之一。

1.1研究背景

我国年生产能力在300万t以上的露天铁矿山有16座，其中有10座设计深度达

到200m（封闭圈以下）以上。相当数量矿山的开采已步入中晚期，国内即将进入露

天转地下开采的矿山生产能力近2000万to由于我国大型露天铁矿山大都是倾斜和急

倾斜矿床，矿体埋藏延深一般较大，属短而深矿床，露天境界以下深部驻留了大量的

矿产资源（据不完全统计，我国大型露天铁矿山境界以外深部驻留有约28〜30亿t的

铁矿石资源），如唐钢石人沟铁矿存有6452.61万t,鞍钢大孤山铁矿7000万t,鞍钢

眼前山铁矿1.6亿t,武钢大冶铁矿4600万t,攀钢朱兰采场8000万t。

大型骨干露天矿山进入深凹开采后，虽经不断技术创新，使产能得以延续，但总

体上露天境界内保有的开采储量却日益减少。露天境界外的深部矿体必须通过露天转

地下的方式进行开采，以确保深部资源的有效、合理的利用。因此，必须加快露天转

地下开采所涉及到的关键技术攻关研究，以满足我国钢铁工业可持续发展对铁矿石的

需求。

目前，国内外露天转地下开采的技术内涵及外延目前尚不完整和明确，仅仅为露

天采矿和地下采矿的单一集合。这些矿山只对露天转地下开采中存在的某些问题进行

了探索，如产量衔接、边帮残矿开采、开拓方法等，积累了一些经验，但露天转地下

开采的关键综合技术仍处在理论探索阶段。对诸如联合开采的开拓系统研究，安全、

1

高效的采矿方法研究，矿区的应力应变场的动态演变过程规律研究，采空区破坏模式

研究以及对环境破坏的预测及恢复环境的对策研究，特别是露天平稳过渡到地下开采

的关键技术研究还缺乏系统性。

目前，我国经济建设对钢铁等金属资源需求的日益增长，带动了铁矿石业前所未

有的发展，刺激了国际铁矿价格的大幅上扬。仅2005年一次性上涨幅度高达71.5%,

2008年比2007年一次上涨65%,促使国内各大钢铁公司重新审视铁矿石原料来源的

市场定位，充分挖潜自身的资源优势，走节约化资源利用道路。国内外露天转地下开

采矿山的经验表明，当矿山充分利用露天与地下开采的有利工艺特点时，可以使矿山

的基建投资减少25〜50%,生产成本降低25%左右。从我国露天金属矿山企业面临的

现状看，露天转地下综合技术研究有着广阔的市场推广前景和深远社会经济意义。

为此，“十一五”期间，中钢集团马鞍山矿山研究院、河北矿业有限公司、东北大

学、中南大学、本钢矿业公司、青岛理工大学以唐钢矿业公司石人沟铁矿、本钢南芬

铁矿为工程依托单位，启动了《露天转地下开采平稳过渡关键技术研究》课题，并设

置了六个专题：

专题一，露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究；

专题二，露天转地下平稳过渡方式及联合开拓运输系统最佳衔接技术研究：

专题三，露天转地下开采岩层变形影响预测预报及决策系统研究；

专题四，露天转地下及联合开采仿真技术研究；

专题五，露天地下相互协调安全高效采矿工艺技术研究；

专题六，安全生产管理与生态恢复环境技术研究。

中南大学主要承担第五个专题的研究，依托矿山为石人沟铁矿。

1.2露天转地下开采技术难点与基本原则

当矿体延伸较深，且出露地表或埋藏较浅时，上部多采用初期建设投资少、投产

快、贫损指标较优的露天开采。但随露天开采工作面不断向下推进，达临界深度时，

若继续采用露天开采方式则难以取得较好的技术经济效益，这时矿山将逐步由露天开

采向地下开采过渡，最终实现地下开采。这一类型的矿山,一般都要经过露天开采期、

露天和地下同时开采的过渡期及地下开采期三个阶段。在第一和第三阶段，只单一地

2

进行露天或地下开采。只有当露天开采临近结束，其深部向地下开采过渡时，存在露

天与地下同时开采，即进入第二阶段。此时，露天产量逐年减少，地下产量逐年增加,

直至露天开采结束，地下开采达到设计产量。露天与地下开采同时在同一矿床中并行

作业的这段时间称为露天转地下开采的过渡期。在露天开采向地下开采的过渡期间，

地下采矿直接在露天坑底之下进行，开采技术和安全条件复杂，露天与地下开采的相

互干扰与影响较大，难以取得较好的技术经济指标。

1.2.1露天转地下开采技术难点

矿山由露天转为地下开采须经历露天开采、露天转地下开采过渡期及地下开采三

阶段，因而其建设模式、开拓系统和采矿工艺均具有特殊性。具体表现如下：

（1）由露天转地下开采的矿山，露天开采已进行多年，并形成完整的生产系统

和生活福利设施，如选矿厂、机修厂、供电和供水管网、露天坑、排土场，以及生产

和销售系统等。因此，在露天转地下开采设计时，应充分考虑利用露天开采原有的设

施，注意研究地下开拓运输系统与露天开采系统的统筹规划，如地下开拓井筒的位置、

出车方向，以及过渡时期的地下采矿方法等。

（2）露天转地下开采的矿山，深部矿体的勘探程度往往不够，因此，露天开采

后期应加大生产探矿的力度，进一步掌握深部矿体的赋存条件与开采技术条件。

（3）从露天开采转为地下开采，其开拓工程相当于一个新建设的地下矿山，且

地下采矿方法与回采工艺与露天开采截然不同，地下开拓工程的建设及投产过程均在

空间和时间上与露天开采并行；因此，相互之间存在着很大的干扰与影响，除了过渡

期露天与地下开采需要相互协调和保证生产安全外，对地下开采工艺的熟悉和适应也

需要相当的过程，是过渡期应研究解决的重大技术难题之一。

4）露天转地下开采的过渡时期，露天开采已临近最终境界，地下开拓系统将逐

步形成，并具备一定生产能力，此时可充分利用地下巷道和采空区，研究过渡期的矿

石和废石运输系统以及采矿方法方案，研究露天废石回填地下采空区的可能性，或论

证用地下开拓系统提升矿石的经济合理性，尤其是过渡期较长的矿山，注重露天与地

下工程与工艺要素的组合，更能发挥联合开采的优越性。

（5）露天转地下开采的过渡时期，随着地下开采工作面的下降，在地下开采的

上部逐渐形成塌陷区（除充填法外），并有较多井巷与露天采场连通，因此，过渡时

3

期出现通风短路、漏风严重或合露天大爆破有毒气体侵入井下巷道，以及在雨季

引起地下短时径流量大等。因此，应根据矿山的特点，采取适宜的采矿方法和有效的

通风、防寒及防洪措施。

（6）露天转地下开采矿山，由于地下开拓基建工程量较大，达产的时间较长，

而露天开采临近末期受作业空间限制，生产能力消失的比例较大，需要研究联合开采

技术措施，以解决过渡期在时间和产量上的有效衔接。通常采用回收露天界外边角矿

量的方法来补充过渡期产能的不足，但回采边角矿大都在露天边帮上进行，常引起露

天边坡失稳，必须及时根据需要进行边坡处理。

1.2.2露天转地下开采基本原则

对正在进行和将要进行露天转地下开采的矿山，应全面考虑露天转地下开采的过

渡方式、地下采矿方法，以及过渡期的安全生产技术，确保过渡期时间衔接和产量衔

接。一般应按以下原则进行规划：

（1）在划分露天与地下开采界限时，应本着充分发挥露天开采优势的原则，合

理确定露天开采境界；

（2）过渡期间的地下采矿作业应不影响露天作业的正常进行和安全生产，选择

的地下采矿方法，应能避免发生露天开采与地下开采作业间的不协调现象，并易于实

现持续生产。要结合矿岩条件，根据已选定的采矿方法，研究合理的回采顺序，注意

其采掘顺序和回采工艺与露天采场的密切配合；

（3）因地制宜地选择边坡角矿体的回采方法和顺序。露天边坡下的回采，尽量

采用由两端向边坡推进的回采顺序；

（4）制定边坡处理方案，建立必要的岩移观测队伍，采用先进的观测手段，随

时掌握地下采空区上覆岩层的移动规律，确保露天边坡和生产作业的安全；

（5）确定合理的露天转地下开采的过渡方式。当矿体走向长度大时，应选用分

期、分区交替过渡方式，以简化过渡期间复杂的时空关系，有利于维持过渡期间的生

产能力；

（6）根据露天采掘进度计划，依露天减产的起始时间及地下开拓、采准和切割

工程量，确定地下开拓、采准和切割工程的时间；

1

（7）制定过渡期矿山安全生产技术措施。露天采掘最终境界与地下工程间应保

持足够的距离，以避免或防止露天爆破对地下井巷和采场的破坏作用，临近露天底的

穿爆作业不要超深，要控制露天爆破的装药量，采用微差爆破、控制爆破等减震措施,

避免使用胴室爆破，同时防止地下与露天爆破的相互影响；

（8）采取切实可行的通风、防洪措施。过渡期开采时，防止地下井巷和采空区

与露天坑相互贯通，造成风流的上下窜动和地表水下灌，影响地下正常生产。过渡期

的通风，有条件的尽量采用抽压结合、中央对角式或分区通风等方式。为防止地表径

流经露天采场涌入井下，应在地下开采移动界限以外设置防洪堤、截水沟。对地下与

露天沟通的井巷和采空区，要及时密闭井巷和空区，保持垫层的密实性，隔绝井巷与

露天坑的连通，并设置地下防水闸门，确保地下水泵房的正常运转和防止泥沙突然溃

入井下；

（9）编制好过渡期产量平衡表。在露天转地下开采过渡期间，一般有多种开采

方式并存，如露天开采、地下开采和边角矿回采等。要根据不同开采方式的开采范围、

生产能力与存在年限，确定出最佳的稳产过渡期开采方案。

1.3研究现状

露天转地下开采是集露天和地下两种工艺要素为一体的综合性技术，要求矿山在

进行露天转地下开采的设计时对前后期开采进行统一规划。露天开采后期的开拓系统

既要考虑地下巷道的利用，同时在向地下开采过渡时，地下开采也应尽可能利用露天

开采的相关工程和设施等有利因素，使露天开采平稳地过渡到地下开采，使矿山产量

和经济效益保持稳定。

目前，我国露天转地下开采的矿山，设计时一般只是独立地考虑了露天矿的开拓

系统，没有把露天转地下开采的三个阶段作为整体统一全盘考虑，不仅没有很好地利

用联合开采的特点，来提高矿床开采的技术经济指标，而且给后期的转入地下开采带

来许多不利影响。露天转地下平稳过渡开采技术是一项庞大而复杂的系统工程，实践

表明，各矿山在实施这一工程时有许多特殊的安全及采矿技术问题亟待解决。

1.3.1露天转地下开采方法

露天转地下开采过程中，地下开采方法的选取，主要是根据矿体赋存的特点、露

2

天边坡地压情况和露天坑底留设境界矿柱与否等因素确定，是一项极复杂的技术难

题，不仅要处理好上部露天作业对地下开采的影响和互相干扰问题，同时还要考虑产

量的衔接。目前，国内外研究将露天转地下开采的采矿方法归纳为空场法、崩落法及

充填法三类。

（1）空场采矿法

主要有房柱法、留矿法等。使用这类方法时，露天和地下可同在一个垂直面内同

时作业，但是要求从露天底到地下采矿场之间要留有一定厚度的隔离顶柱。对地下采

场的暴露面大小、间柱的强度，以及对露天和地下爆破的规模，都有严格的控制和要

求，这与一般的地下开采相比，所受到的条件限制要复杂的多。

（2）崩落法

包括分段崩落法和阶段崩落法。这类采矿方法要求在地下开采区的上部有一定厚

度的废石缓冲层，其生产工艺与一般的地下开采基本相同。因此，要求露天分段结束,

地下须分段投入生产，露天和地下的生产基本上是顺序进行的。

（3）充填采矿法

充填法目前有三种类型，第一：上向水平分层充填法，即随回采工作面向上推进

及时充填采空区，一般用于中等稳固以上的矿体开采；第二：下向胶结充填采矿法，

即自上而下回采，在充填体假顶下作业，用于矿岩均不稳固的矿体；第三：空场嗣后

充填法，使用空场法工艺落矿，采空区嗣后一次充填。充填法适合于露天转地下开采

的矿山或露天与地下联合开采的矿山采用，是目前国内外地下矿山使用最为广泛的一

类采矿法。它的优点是安全、高效，且能最大限度地回收矿产资源，有效保护地表环

境。但其缺点是工艺较复杂，采矿直接成本较高。

上述三类采矿方法在用于露天转地下开采时，典型方案的工艺与一般常用的典型

方案基本相似，结合露天转地下开采第一阶段的采矿方法的特点，并根据高效率、低

成本、高回收率和安全可靠的要求以及具体的开采技术条件，采取相应的采矿技术方

案。具体的回采方案有以下几种：空场法留境界顶柱方案；崩落法回采前形成覆盖层

方案；胶结充填回采矿房暂留矿柱过渡方案；废石充填法回采过渡方案等。也有矿山

采用其中两种方法组合的开采方式，最常用的有空场法与崩落法的组合使用，如在露

天境界矿柱保护下，第一阶段即过渡期用空场采矿法的房柱法方式进行矿房回采，待

矿房回采完毕后，用崩落法回采间柱及露天境界矿柱，然后即转入崩落法开采。这种

3

多方法组合的开采方式是按一定顺序在空间和时间上有机结合而成的，即能满足露天

转地下的生产要求，同时兼有多种采矿方法的优点，是一种极具潜力和发展前景的露

天转地下回采组合方案。

露天转地下开采国内外均有不少实例，如芬兰皮哈萨米铜矿，在露天底预留20m

顶柱，地下用留矿法、分段法回采，事后用废石、尾砂充填采空区；原苏联的盖伊斯

基矿在1号露天采场下部用阶段矿房法回采矿房，用水砂砾岩充填采空区。我国白银

厂折腰山铜矿即先用水平分层尾砂胶结充填法回采矿柱，后用无底柱分段崩落法回采

矿房，这样不仅保证了露天和地下在过渡期可以同时开采，而且也有利于采用高效率

的崩落法。这种联合式的采矿法近10多年在国外已被广泛应用。

1.3.2坑内采场结构参数优化研究

通常，采场结构参数的选定，取决于矿体的赋存条件、倾角、厚度、矿体和围岩

的稳固程度、矿区的地质构造以及采空区附近构筑物的重要程度等。露天转地下开采

的矿山，一旦地下开采方法确定后，采矿方法的结构参数至关重要，这是由于露天转

地下开采过渡期的开采技术条件复杂这一特点所决定的。虽然许多矿山在选择结构参

数方面积累了丰富的经验，但目前并没有也不可能有一个适用于各种具体矿山的固定

的结构参数，在具体确定某一矿山采场的结构参数时，应具体情况具体分析。

1）公式计算法

徐长佑教授于1990年出版了我国第一部较系统的露天转地下采矿技术专著《露

天转地下开采》一书。书中论述了露天与地下联合开采的方式、工艺特点；概述了国

内外露天转地下开采矿山的经验与主要问题；提出了露天转地下开采时，坑内采矿方

法与露天残留矿柱回采法的方案与使用范围；确定了坑内采矿法采场合理结构参数与

安全隔离层厚度计算公式；提出了提高露天转地下矿山经济效益的途径。

徐长佑等人以具体矿山为例，运用岩石力学方法，系统地总结了地下采场矿柱的

设计、应力计算以及预防矿柱失稳的措施，并给出了矿柱尺寸的计算公式。矿柱强度

与矿柱形状、规格之间的关系可用下式表示：

（B\（1-1）

S"=S』一V"

式中：

跖一矿柱强度，Pa；

4

SL构成矿柱矿石的单向抗压强度，Pa；

Bp—同柱宽度，m；

Hp一矿柱高度，m；

V—矿柱体积，n?；

c,d—常数。

而作用于矿柱中的应力为：

a_?（8“+By）L（1.2）

式中：

crr—矿柱应力，Pa；

Bo—矿房宽度，m；

L—矿房长度，m。

目前，在计算采场顶板跨度极限尺寸时，一般采用如下公式：

L_（aX（1-3）

式中：

a,—采场顶板岩层中最大拉应力，N/m2；

7—覆盖岩层的容重，g/cn?；

L—米场深度，cm；

H—开采深度，cm；

a,n—常数。

式（1-3）给出的极限跨度是对应于完整岩石的理想值。由于顶板岩层中存在不同

产状的各种结构面，大大消弱了岩体强度，此时顶板的极限跨度约为无裂隙顶板极限

跨度的0.6〜0.7。

2）经验类比法

通过参考国内外类似矿山的经验，分类比较后确定具体矿山的采场结构参数是最

常用的方法，由于类比法简单易行，在国内外矿山中应用广泛，但一般取值比较保守。

3）数值模拟法

数值模拟方法的基本思路是：

（1）将研究对象离散化；

（2）按照给定的本构关系，对单元进行力学、运动学分析；

5

（3）用所有单元的组合表达整体特性；

（4）在给定的边界条件下，用显式差分法迭代或解联立方程组，求出变形和应

力。

地下采场结构参数的数值分析理论己相当成熟。在实践中，各种稳定性分析和评

价方法得出的结果不是唯一的，其主要原因不仅在于各种分析评价方法的固有特点及

局限性，更主要的是因为影响矿山岩体稳定性的因素非常复杂，且这些影响因素中大

多都具有一定的模糊性。

KO.A.莫纳斯特尔斯基针对“巨人深井”的条件，用有限元法确定了回采矿房和倾

斜矿房间隔离矿柱的最优参数，保证矿块矿量回采率达73%o

北京科技大学乔兰在对新城金矿深部采场结构参数和开采顺序优化研究中，采用

有限元数值模拟计算方法，对新城金矿深部采场的4种结构参数和2种开采顺序等6

个方案进行了不同开采时期的优化分析和比较，获得了深部采场的最佳结构参数。

三维有限元数值模拟是进行采场结构参数及回采顺序优化和连续回采稳定性分

析的最有效手段之一。三维有限元数值模拟可以定量地计算和分析回采过程中采场围

岩中的应力、位移和塑性区、破坏区的分布状况，确定它们随每步回采的动态变化过

程，从而对采场围岩的稳定性状态做出判断。通过多方案的计算和分析，比较不同的

采场结构参数、不同的开采顺序和开挖步骤条件下的围岩稳定性状态，可以做出优化

的开采设计，确定最佳的采场结构参数、最佳的开采顺序和开挖步骤。从而在保证生

产安全的前提下，最大限度地减少开拓成本，增加矿山产量和经济效益。

南昌有色冶金设计院的贺健在对福建紫金山铜矿空场采矿方法结构参数初步探

讨中，利用美国ANSYS公司开发的ANSYS5.6弹塑性有限元分析程序对空场法矿房、

矿柱的安全尺寸进行了初步探索，确定了中段回采时的采场结构参数。

4）遗传算法GA（Geneticalgorithm）

影响采场结构参数的因素十分复杂，很难用一个数学表达式来描述它们之间的关

系，从而给采场结构参数的优化造成一定的困难。传统的优化方法往往要求有一个明

确的数学表达式，并且连续、可微分，这往往难以实现。现代工程结构设计中，大量

的应用问题要求结构优化能够适合于各种类型的设计变量、各种类型的约束及各种类

型单元组合结构的线性、非线性、静力、动力或控制结构优化等。近年来受到工程界

广泛重视的基因遗传算法即具有这种潜力。遗传算法作为一种新的全局优化搜索方

6

法，以其简单通用、适于并行处理、应用范围广等显著特点，奠定了它作为21世纪

关键智能计算之一的地位，但它在矿山中的应用刚刚起步。

中南大学的周科平将遗传算法应用于采场结构参数的优化，通过实例计算，证明

这种算法用可靠度作为目标函数来优化采场结构参数，能较好地接近于工程实际，可

以获得可靠的采场结构参数，而且该算法克服了传统方法的不足，因而具有较好的应

用前景。

5）突变理论

突变理论是20世纪70年代发展起来的一个新的数学分支。突变理论提出一系列

数学模型，用以解释自然界和社会现象中所发生的不连续的变化过程，描述各种现象

为何从形态的一种形式突然地飞跃到根本不同的另一种形式。如岩石的破裂，桥梁的

断裂，细胞的分裂，胚胎的变异，市场的破坏以及社会结构的激变等等。托姆指出，

发生在三维空间和一维空间的四个因子控制下的突变，有七种突变类型：折迭突变、

尖顶突变、燕尾突变、蝴蝶突变、双曲脐突变、椭圆脐形突变以及抛物脐形突变。

突变理论在在自然科学的应用是相当广泛的。在工程技术中，研究了弹性结构的

稳定性，通过桥梁过载导致毁坏的实际过程，提出最优结构设计等等。目前，突变理

论在岩土工程中的研究涉及诸多领域，边坡稳定，地下洞室，大坝失稳，突变模型表

达的土的本构关系，尖点突变模型判别场地砂土的地震孔隙水压力等等，贾立宏在弹

塑性大变形有限元中使用全应力一应变实验曲线模型在应变空间描述岩石塑性软化

现象的过程中，将突变理论引入有限元计算中，提出单元应变能突变破坏准则，将塑

性软化和地下开挖模拟计算建立在更客观的试验基础之上。中南大学徐国元教授将采

用尖点突变理论，对矿房矿柱的稳定性进行深入分析，从中得出一些重要的结论，对

控制矿房矿柱稳定性具有一定的指导意义。

1.3.3露天开采极限深度

采用露天开采的金属矿山，在设计时通常是用境界剥采比不大于经济合理剥采比

的原则来确定露天开采的界线。在露天开采境界以外的矿床，露天开采水平以上的矿

体拟采用挂帮形式地下开采，而露天开采水平以下的矿体拟采用露天转地下开采。

采用露天转地下的开采方式，在矿山设计时应考虑露天与地下开采这两种工艺在

相当长时期内系统的相互利用与结合。因此，露天开采的极限深度就不能用原先单一

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采用露天开采的方式进行计算和确定，应按照露天开采和地下开采每吨矿石的生产成

本相等的原则确定较为合理，此时露天开采的极限深度应更为合理。

1.3.4露天转地下开采过渡时期产量衔接

露天转地下开采的矿山，都存在过渡时期的产量衔接问题，即当使露天开采产量

逐渐减少时，地下开采的产量应同步增加，最后在露天开采结束时，地下开采达到设

计产量。露天转地下开采的过渡期一般为3〜5a或更多，过渡期的长短与过渡方式有

关，目前国内外过渡方式有露天停产后过渡到地下开采，过渡期长，以及不停产过渡,

过渡期短。一般国内外露天转地下开采的实际过渡期可达5〜10a。经检索，国内外已

有不停产过渡的实例，如加拿大基德克里克多金属矿;奥地利爱兹贝尔核格铁矿，前

苏联克里沃罗格铁矿和高山铁矿；我国的凤凰山铁矿，冶山铁矿，金岭铁矿等。这些

矿山都实现了不停产过渡，缩短过渡期的关键是：

（1）提前进行补充地质勘探工作，在露天开采结束前10〜15a就展开，并且要

求设计生产与勘探紧密结合，使勘探工作更加及时有效。

（2）地下开采设计在露天开采设计时要进行全面规划，并根据规划尽早进行地

下开采的施工设计。如加拿大基得力克里克多金属矿上部露天开采生产10a将转入地

下开采，但露天生产后的第2a就开始了地下开采的工程建设，使露天顺利地过渡到

地下开采。

（3）地下开采系统的建设时间不能过短，要充分估计露天开采的产量变化、国

内地下工程的施工进度和建设资金等因素。地下开采系统的建设可以充分利用露天开

拓系统，以缩短建设周期。

（4）认真研究露天转地下开采的技术难题，正确选择露天转地下开采过渡时期

的采矿方法。

我国若干矿山已有不少的经验，如冶山铁矿露天转地下开采整个地下工程共用了

8a时间。为了保证过渡期的生产衔接、稳产，采用了露天沿走向分区结束、地下分段

投产的方法。为了缩短过渡期，采用露天胴室爆破构造垫层15〜20m,为地下采用崩

落法开采创造了必要条件，由于采取了以上措施，仅用了两年多时间由露天全部转入

地下开采，年出矿能力达32万t,超过了露天产量。唐钢石人沟铁矿目前采取的分区

下降，剥离废石内排措施，既减少了排土场占地，也保证了目前露天生产，还为深部

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转入地下开采事先准备了覆盖垫层。露天境界矿柱和界外矿体、边坡矿一般占总储量

的5〜16%,此部分矿体的回收可起到提高过渡期产量的作用。唐钢石人沟铁矿露天

开采的界内储量只有4000万t,深部尚有近亿吨储量，露天底0m以上的界外矿也有

近320万t。据1989年唐山工程技术学院与石人沟矿研究，为保证深部开采均衡下降，

采取了一系列强采界外边坡矿的措施，加速开采界外矿量。又如白银铜矿露天边坡上

的残矿原设计属地下开采初期首采地段，要求及早回采这些残留矿体降到露天底，从

而使其在同一水平上转入地下开采的正常生产阶段，并使其达到设计规模。

1.3.5露天转地下开采覆盖层的构筑

根据露天转地下矿山实践，地下直接使用无底柱分段崩落法回采或在露天境界底

柱保护下先空场回采，再崩落法回收残留矿柱的过渡方式应用较广。而在此过程中，

必须形成合理覆盖层，起到缓冲作业，避免岩爆或崩落的废石危害井下作业人员和设

备、防止地表水涌入井下和井下漏风；同时，也为后无期无底柱分段崩落法提供挤压

爆破和放矿的必要条件。

当露天转地下开采并采用无底柱分段崩落法回采时，形成初始覆盖层一般有两种

方法：用大爆破崩落边坡或回填剥离废石。这两种方法都具有简单、经济、可靠和省

时的优点，而且可以一次形成废石覆盖层。究竟采用哪种方法，应根据具体条件选择,

也可两种方法同时采用。国内外由露天转地下开采并采用无底柱分段崩落法的矿山，

大都能顺利地解决废石覆盖层的形成问题。国内冶山铁矿是由露天开采转为地下开采

并采用无底柱分段崩落法的矿山。该矿在露天开采结束时，采用碉室爆破的方法形成

覆盖层，其顶盘围岩为白云岩，户10〜12,较稳固，最小抵抗线13〜20m,药室间距

系数1.0〜1.2,爆破作用指数l.Oo主爆破嗣室16个，辅助碉室17个,均为单排布置。

辅助碉室最小抵抗线为7m。实际巷道工程量478m,装药量92.7t,崩落实方18000011?。

爆破后形成10〜20m厚的废石覆盖层。

在露天坑底境界矿柱保护下，在过渡期采用地下空场法回采后转为崩落法时，废

石覆盖层的形成可以根据具体条件来确定。如原采用分段法、留矿法等时，当矿房采

完后，在回采房间矿柱及坑底境界矿柱时，可采用大爆破方式一次崩落矿柱，即可形

成良好的矿石垫层，再用大爆破崩落边坡或上下围岩或回填剥离废石形成废石覆盖

层。崩落的矿石垫层大部分可在下几个分段中逐步回收。如大庙24号矿体，在第一

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阶段采用分段采矿法，回采矿房之后，用深孔将所有矿柱一次崩落，围岩随即自行崩

落至地表，形成良好的废石覆盖层，为第二阶段改为无底柱分段崩落法假造了必要的

条件。该矿初始废石覆盖层的厚度为25〜70m,崩落废石块度与矿石块度大致相同。

按覆盖层与回采工作的先后顺序，有集中放顶、边回采边放顶、先放顶后回采及

预留矿石垫层形成覆盖层的方法：

（1）集中放顶形成覆盖层，利用第一分段的采空区作为补偿空间，在放顶区侧

部布置凿岩巷道，从中钻凿扇形深孔，爆破放顶深孔形成覆盖层。这种方法的放顶工

作集中，工艺简单，不需要运出部分废石，也不需要切割；但由于需在暴露大面积岩

层之后才能放顶，故工作的可靠性与安全性差。

（2）边回采边放顶形成覆盖岩层，是指在第一分段上部掘进放顶巷道，在其中

钻凿与回采炮孔排面大体相一致的扇形深孔，并与回采一样形成切割槽。以矿块作为

放顶单元，边回采边放顶，逐步形成覆盖岩层。此法安全可靠，但工艺复杂，回采和

放顶必须严格配合。

（3）先放顶后回采形成覆盖岩层，指回采之前，在矿体围岩中，掘进一层或两

层放顶凿岩巷道，并在其中凿扇形炮孔，用崩落矿石的方法崩落围岩，形成覆盖岩层。

回采工作安全可靠，但放顶工程量大，而且要运出部分废石。

（4）采用矿石垫层形成覆盖层，将矿体上部2〜3分段的矿石崩落，实施松动放

矿，放出崩矿量的30%左右，余者暂留空区作为垫层。随着工作面的推进，围岩暴露

面积逐渐增大，围岩暴露时间也在增长，待达到一定数量之后，围岩将自然崩落，并

逐渐增加到崩落高度，形成足够厚度的岩石垫层。岩石垫层形成后放出暂留矿石垫层,

进入正常回采。这种方式费用最低，但要积压大量矿石和实施严格放矿管理。止匕外，

对采空区岩石崩落情况要进行可靠的观测。

对于地下无底柱分段崩落法的废石覆盖层的最小厚度一方面应满足放矿和挤压

爆破的需要，另一方面必须确保生产安全。一般认为，最小厚度应保持20m以上。在

生产实践中，国内矿山也均参照这一经验数据，但理论根据并不充分。因此，对废石

覆盖层的最小厚度尚须进一步研究。

1.3.6露天开采边坡管理

露天转地下复合开采条件下岩体变形和移动所诱发的露天边帮的稳定性问题，是

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近年来采矿界关注的重要论题之一。露天转地下开采的工程稳定性问题既不同于单一

的露天开采，又不同于单纯的地下开采，复合开采矿山的岩体经历露天和地下二次开

挖扰动，应力场和位移变化比较复杂。随着露天开挖的进行，由于卸载作用，边帮岩

体内的能量逐步得以释放，露天采动影响范围内应力状态不断发生变化，岩体也产生

相应的变形和滑移，系统处在一种动态平衡的变化之中。露天开挖末期或结束后进行

的地下开采，会对露天采动影响范围内的岩体产生二次扰动，表现为地下采动效应对

原来平衡体系的干扰或作用，使得两种采动效应相互影响和扰动，形成一个复合动态

变化系统。因此，为了保证露天边坡和上覆岩层的稳定性，有必要开展露天转地下开

采时的边坡稳定性研究。对边坡稳定性的研究时，要综合考虑露天和地下采动两方面

的影响，进行多因素分析。通过工程地质调查、计算机数值分析等研究手段，寻找地

下巷道、边坡周围压力的变化特性，找出边坡应力场的分布规律。并针对研究的结果

采取必要的安全措施，确保露天开采时边坡的稳定，同时还要制定露天转地下开采过

渡时期的边坡管理办法，纳入矿山生产管理之中。

我国露天开采的产量所占的比重相当大，铁矿石占77%,有色金属矿石占52%,

化工原料占70.7%左右，建筑材料近似为100%,其中有近40%露天矿不同程度存在

边坡稳定性问题。例如，江西新余钢铁公司良山铁矿、江西铜业公司德兴铜矿和永平

铜矿、大冶有色金属公司铜录山铜矿、攀钢矿业公司石灰石矿和朱家包包铁矿、眼前

山铁矿、水厂铁矿、南山铁矿、姑山铁矿、城门山铜矿、新桥硫铁矿、金堆城铜矿、

大冶铁矿、南芬铁矿、酒泉钢铁公司黑沟铁矿等主要金属非金属露天矿山大中型边坡

都出现滑坡和边坡稳定性问题。

1）边坡失稳的原因分析

（1）边坡岩体的变形特征及破坏形式

岩体边坡的变形以未出现贯通性的破坏面为特点，但在坡体的局部区域，特别是

在坡面附近可能出现一定程度的裂隙与错动，而整体未产生滑动破坏，边坡的变形主

要表现为松动和蠕动。裂隙切割岩体向临空方向松开、移动的松动是一种斜坡卸荷回

弹的过程和现象。松动发育的坡体部位，即松动带使坡体强度降低，使坡体内各种应

力活跃，是边坡变形与破坏的初始表现。边坡体在应力长期作用下内部产生一种缓慢

的调整性蠕动变形，是边坡趋于破坏的演化过程。表层蠕动破碎的岩质斜坡及回填斜

坡构成的剪变带，其变形位移由坡面向坡体内部逐渐降低直至消失；深层蠕动主要发

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生在坡体相对软弱岩层或沿软弱结构面向临空方向缓慢的移动变形。

露天边坡变形发展到一定程度将导致边坡失稳破坏。其破坏形式主要有崩踏与滑

坡，同时还有滑塌等，且常常是相互联系和相互制约的。高陡边坡以坡前缘崩塌为主,

伴随滑塌和浅层滑坡，再演变为深层滑坡。岩体在重力与其它外力共同作用下超过岩

体强度而引起的崩塌由基座蠕动造成斜坡解体而成，且斜坡逐次后退，规模逐渐减小。

裂隙水冻结而产生的楔形效应、静水压力及地震、雷击等动力荷载，都会诱发岩体产

生崩塌破坏。滑坡是坡体内软弱结构面在重力作用下而产生的整体滑动，滑动速度与

崩塌相比较缓慢。平面滑动存在简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡和多滑块滑动等模式;

旋转剪切滑动面成弧形状，易发生于岩体中的单个颗粒与边坡尺寸比小的，且又不是

相互咬合的，因而废石边坡、高蚀变和风化岩石边坡也倾向这种破坏形式。松散岩土

的坡角大于它的内摩擦角时，顺坡滑移、滚动与座塌的滑塌与风化营力、地表水、人

工开挖坡角及振动等外力作用紧密相关。

（2）边坡稳定的影响因素

影响露天坑边坡稳定的因素，除考虑岩体的结构特点、水文地质条件、地形地貌

特征，还应结合区域地质发育史，分析各种营力因素的作用及变化过程。

岩体结构面特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩体的不均和不连续性，使

沿结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象。它构成了边坡变形与破坏的控制性条

件，从而形成不同类型变形与破坏机制。边坡结构面周边应力集中的形式主要取决于

结构面的产状与主压应力的关系。结构面与主压应力平行，将在结构面端点部位和应

力阻滞部位出现拉应力和剪应力集中，从而形成向结构面两侧发展的张裂。结构面与

主压应力垂直，将发生平行结构面方向拉应力，或在端点部位出现垂直于结构面的压

应力，有利于结构面压密实和边坡稳定。结构面与主压应力斜交，结构面周边主要为

剪应力集中，并在端点附近或应力阻滞部位出现拉应力，当呈300〜400。交角，将出

现最大剪应力与拉应力，对边坡稳定十分不利，易于沿结构面发生剪切滑移，出现折

线型蠕滑裂隙系统，变形和破坏较剧烈。

在自然力和人工作用下，揭露了控制边坡稳定的主要软弱结构面，形成或扩大了

临空面，从而使边坡失去支撑，导致边坡变形与破坏；施工程序不当，坡顶开挖进度

慢而坡脚开挖进度快，加陡斜坡或形成倒坡时，坡顶及坡面张力带范围扩大，坡脚应

力集中带的最大剪应力也随之增大，会导致边坡变形与破坏。

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风化作用使边坡岩体强度减小，岩石风化越深，边坡稳定性越差，稳定坡角越小。

边坡岩土亲水性较强或易溶矿物成分，如矽卡岩浸水易软化、泥化或崩解，对边坡稳

定性危害大。

露采区域构造应力的变化、地震、爆破、地下水静水压力和动水压力，以及生产

施工荷载等都使边坡直接受力，对其稳定的影响直接而迅速。矿区西南、东南存在较

大的水平构造残余应力，此部位边坡岩体的临空面应力集中，表现为加剧应力分异现

象。坡脚、坡面、坡顶张力带最明显。雨水渗入，地下水位抬高。边坡不透水结构面

上受到静水压力作用，削弱了该面上的法向应力，降低了抗滑阻力;坡体内动水压力会

增加沿渗流方向的推力。地震特别是炮震引起坡体振动使坡体反复振动冲击，软弱结

构面咬合松动，抗剪强度降低或完全失去结构强度，稳定性下降甚至失稳。

2）露天边坡稳定性分析方法

边坡发生失稳破坏是复杂的地质灾害过程。露采边坡稳定性分析可采用定性分析

法和定量分析法。定性分析法包括工程类比法和图解法，定量分析法主要是极限平衡

法、极限分析法、可靠度分析法等。

（1）极限平衡法分析边坡稳定性

极限平衡法是目前应用极为广泛的一种方法，根据边坡破坏滑动面分为Fellerius

法、Bishop法、Janbui法、Sarma法等。虽然每种方法都有它适应的条件和范围，但

其三个大前提是相同的：①滑动面上岩体提供的抗剪强度S与作用在滑动面上垂直应

力S存在关系式S=C+<5tans中；②稳定系数F为最危险破坏面作用的最大抗滑力（或

力矩）与下滑的比值；③二维（平面）极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。

（2）最危险滑面和稳定系数限值的确定

极限平衡法分析中寻找最危险滑面，实际上是找出安全系数最小那个滑面，找出

安全系数函数网㈤的最小值，即/Min=Min/（X）｝为潜在滑面安全系数，是滑面几何

尺寸、力学性质等因素的函数。X是N维向量控制着第i个滑面几何形状和位置。危

险滑面的确定必须对安全系数优化，优化的过程产生最小安全数值，同时确认最小安

全系数的滑面。

稳定系数限值F,的确定在边坡工程分析中具有重要意义。我国《岩土工程勘察规

范》规定：①新设计边坡，对一级边坡工程国值宜采用1.3〜1.5；二级边坡工程宜采

用1.15〜1.3；三级边坡宜采用1.05〜1.15。②验算已有边坡的稳定性,Rs可采用1.10-

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1.25o当需对边坡加载、增加坡角或开挖坡脚时，应按新设计的边坡选用人值。

3）边坡监测与预报及防治

应成立边排工段专门负责边坡的监测、预报及治理的管理工作，具体如下：

（1）露天边坡稳定性监测和预报

为了发现隐患，消除危害，有效地采取防止或整治滑坡措施，保证露天边坡的正

常使用，就必须对露天坑边坡建立观测网，定期和不定期进行位移、地下水等的动态

观测。观测结果为研究确认滑坡的类型、移动规律、预防整治措施等提供宝贵的资料,

而且可以判断滑坡的危害程度。同时，还必须密切注意滑坡体附近地下水的变化情况。

如地表水、地下水流向、流量、浑浊度等。

边坡稳定性监测方法建立位移观测网观测边坡滑动动态是研究和管理边坡有效

方法之一，是其它观测方法的基础。光电测距仪、自动摆平水准仪和激光经纬仪的综

合利用，大大提高了观测速度和精度。布置方法有十字交叉网法、方格网法等6种，

前两种运用较多。

（2）监测资料的分析与滑坡的预报

通过一定时间的多次动态观测，对各种观测项目的全部资料进行系统的整理与分

析，确定主轴方向、滑坡周界、变形速率、受力性质，判断滑动面形状，估算滑体厚

度。露采边坡预报分为区域性趋势预报和场地性预报。长期的区域性趋势预报必须与

短期的场地性预报相结合。场地性预报预先判定是某一个具体边坡能否发生滑坡及滑

动特征，滑速、滑动出现的时刻。

（3）露天边坡滑坡的预防和治理

对露采边坡滑坡灾害要以预报预防为主，全面规划，选择最佳治理方案。定性要

准、措施要稳、养护要勤。具体要做到对大中型复杂滑坡应采取一次性根治与分期治

理相结合的原则，针对原因采取综合措施，治早治小，防患于未然，因地制宜，从实

际出发，设计、施工都应积极采用、推广和发展先进技术、注意施工方法，出现急剧

变形征兆时，必须采取果断有效的应急工程措施防止滑坡。

滑坡的成因极其复杂，各种原因主次有别，有主有辅。事先排放地表水及地下水,

可采用截水沟、排水沟、急流槽来拦截和排引地表水，用泄水隧洞，截水渗沟、盲沟

排水使地下水不再进人或停留在滑坡范围内，并排除和疏干已有的水，增加边坡的稳

定性。采用在滑坡舌部或中前部修建各种形式的抗滑挡墙，在坡体上修建各种多级挡

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墙，阻挡滑坡体的滑动。如钢轨桩式抗滑墙、钢混凝土式挡墙、抗滑桩、钢混凝土柱、

片石挡土墙等;采用把滑体上部主滑和牵引地段的土石方挖去，填在坡下部的抗滑段，

反压阻滑，改善坡边，减少下滑力，增加抗滑力，提高边坡的稳定性;采用钻孔水泥灌

浆法提高边坡岩体强度，采用在边坡及平台上植树植被防止滑坡，稳定边坡等方法。

以上治理措施，相互配合使用是既安全可靠、又经济合理的方法。

与其它边坡工程相比，露天矿边坡工程有其自身的特殊性，决定了边坡稳定性研

究的复杂与困难，而矿山企业对边坡稳定性认识不够，投入太少。为了保证露天矿边

坡的稳定性，在安全生产的条件下达到少剥离多采矿或者延深开采，增加矿山服务年

限，在金属非金属露天矿山大中型边坡的稳定性调查工作的基础上，建议进行如