露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期協(xié)同開(kāi)采方法研究

任鳳玉 李海英 周勝利 王春賢

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.海南礦業(yè)股份有限公司，海南 昌江 572700)

露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期協(xié)同開(kāi)采方法研究

任鳳玉1李海英1周勝利2王春賢2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.海南礦業(yè)股份有限公司，海南 昌江 572700)

在我國(guó)冶金礦山露天轉(zhuǎn)地下的過(guò)渡期，由于露天與地下開(kāi)采相互干擾，造成過(guò)渡期安全生產(chǎn)條件差和產(chǎn)量銜接困難，這一問(wèn)題多年來(lái)一直沒(méi)有得到很好解決。針對(duì)過(guò)渡期露天開(kāi)采境界內(nèi)底部礦量、地下開(kāi)采掛幫礦量的常用開(kāi)采模式，提出了掛幫礦地下誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采方案，并從擴(kuò)展露天地下同時(shí)開(kāi)采時(shí)間與空間的需要出發(fā)，研究了露天境界細(xì)部?jī)?yōu)化方法以及露天地下協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)，由此研發(fā)出露天地下協(xié)同開(kāi)采方法。理論分析與海南鐵礦實(shí)際應(yīng)用表明，該方法可顯著改善安全生產(chǎn)條件和有效提高露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期生產(chǎn)能力。

露天轉(zhuǎn)地下 協(xié)同開(kāi)采 誘導(dǎo)冒落 境界細(xì)部?jī)?yōu)化

我國(guó)約90%的露天鐵礦山均已進(jìn)入深部開(kāi)采，其中許多深凹露天礦已經(jīng)或陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡期，由于受邊坡巖移威脅，露天與地下生產(chǎn)相互干擾[1]，不僅安全條件差，而且產(chǎn)量銜接困難，致使大型鐵礦山一般都是減產(chǎn)甚至停產(chǎn)過(guò)渡，嚴(yán)重影響了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

在已有研究中，基本上都是立足于保持邊坡穩(wěn)定的條件下，改善露天與地下的開(kāi)采環(huán)境以及加大露天地下同時(shí)開(kāi)采時(shí)間。其中國(guó)外研究主要集中于露采極限深度、露天與地下不同時(shí)空的聯(lián)合開(kāi)采方法以及露天地下開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)防控等技術(shù)[2-3]；國(guó)內(nèi)研究主要集中于露天地下開(kāi)采界線、開(kāi)拓系統(tǒng)銜接方式、掛幫礦采礦方法選擇、露天地下安全生產(chǎn)技術(shù)等[4-9]。這些研究成果，雖然為礦山確定過(guò)渡期采礦方法與安全生產(chǎn)技術(shù)提供了選擇空間，但由于未能解決過(guò)渡期生產(chǎn)相互干擾問(wèn)題，導(dǎo)致未能從根本上解決安全條件差和產(chǎn)量銜接困難的技術(shù)難題。為解決這一難題，需要針對(duì)過(guò)渡期礦體現(xiàn)有開(kāi)采條件，充分利用露天與地下開(kāi)采的工藝優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌構(gòu)建露天與地下安全高效開(kāi)采模式與工藝技術(shù)，研發(fā)露天地下協(xié)同開(kāi)采方法。

1 協(xié)同開(kāi)采模式

露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期為露天與地下同時(shí)生產(chǎn)時(shí)期，其礦石生產(chǎn)的大系統(tǒng)由露天開(kāi)采與地下開(kāi)采2個(gè)子系統(tǒng)組成，其中露天開(kāi)采的空間逐漸減小，地下開(kāi)采的空間逐漸增大，最終露天開(kāi)采系統(tǒng)消失，地下開(kāi)采系統(tǒng)躍升為礦石生產(chǎn)的大系統(tǒng)。在此過(guò)渡過(guò)程中，針對(duì)露天開(kāi)采境界內(nèi)底部礦量、地下開(kāi)采境界外掛幫礦量的常規(guī)開(kāi)采模式(見(jiàn)圖1)，研究過(guò)渡期露天與地下開(kāi)采系統(tǒng)的相互影響與相互協(xié)作關(guān)系，分析影響礦石產(chǎn)量的控制因素，充分利用露天與地下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的協(xié)同作用[10-11]，拓展露天地下同時(shí)開(kāi)采的時(shí)間與空間，應(yīng)是增大過(guò)渡期礦石生產(chǎn)能力的最佳途徑。

圖1 過(guò)渡期露天地下同時(shí)生產(chǎn)模式

在圖1生產(chǎn)模式中，采動(dòng)巖移與爆破振動(dòng)是影響露天地下同時(shí)生產(chǎn)的主要因素，為盡可能拓展同時(shí)開(kāi)采空間增大產(chǎn)能。第一、需要研究可控制邊坡巖移危害的回采工藝方法，有效減小露天與地下采礦作業(yè)的影響范圍；第二、需根據(jù)露天與地下開(kāi)采優(yōu)勢(shì)對(duì)比結(jié)果，細(xì)部?jī)?yōu)化露天開(kāi)采境界，推后露天開(kāi)采結(jié)束時(shí)間與提前地下初始開(kāi)采時(shí)間，以延長(zhǎng)露天地下同時(shí)生產(chǎn)時(shí)間；第三、需充分利用露天開(kāi)拓系統(tǒng)的現(xiàn)有工程，加快地下采準(zhǔn)進(jìn)程，快速發(fā)展壯大地下開(kāi)采系統(tǒng)，盡早形成地下生產(chǎn)能力；第四、系統(tǒng)構(gòu)建露天與地下的安全保障系統(tǒng)，包括露天采場(chǎng)安全防護(hù)措施和爆破藥量控制、地下采空區(qū)冒落危害防治措施等，以確保生產(chǎn)安全。

總之，在露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期，針對(duì)礦體開(kāi)采條件，解決邊坡巖移危害控制難題，據(jù)此研究露天地下協(xié)同開(kāi)采技術(shù)，充分發(fā)揮露天地下開(kāi)采協(xié)同作用，才能更好地實(shí)現(xiàn)安全高效的開(kāi)采目標(biāo)。

2 掛幫礦誘導(dǎo)冒落采礦法

過(guò)渡期地下開(kāi)采的掛幫礦量，通常是露天開(kāi)采的剩余礦體，其水平面積呈上小下大，而且在露天開(kāi)采卸荷與爆破振動(dòng)的作用下，礦巖結(jié)構(gòu)弱面進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)張，從而使礦巖強(qiáng)度弱化易于冒落。現(xiàn)今常用的無(wú)底柱分段崩落法、空?qǐng)龇ㄅc空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǎ荒芎芎玫剡m應(yīng)掛幫礦體的開(kāi)采條件，其中空?qǐng)龇ㄅc空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǘ夹枰拗撇蓤?chǎng)尺寸或采取支護(hù)措施保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，從而使開(kāi)采效率受到影響。此外，采動(dòng)損傷邊坡圍巖的強(qiáng)度，增大了邊坡巖移危害的風(fēng)險(xiǎn)；而無(wú)底柱分段崩落法破壞邊坡，需與露天采場(chǎng)保持一定的安全距離，初始回采時(shí)間受到限制。為消除這種露天與地下開(kāi)采的時(shí)空干擾關(guān)系與改善安全生產(chǎn)條件，就需要針對(duì)掛幫礦體的特點(diǎn)改進(jìn)采礦方法，使之既具有足夠大的開(kāi)采效率，又不嚴(yán)重影響露天生產(chǎn)安全。按此需求，本研究提出了誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采方案，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，將誘導(dǎo)工程布置在掛幫礦體內(nèi)標(biāo)高較低的位置，采用適應(yīng)的回采順序與采空區(qū)高度，使其在回采過(guò)程中形成體積足夠大的連續(xù)采空區(qū)，誘導(dǎo)上部礦巖自然冒落[12]，冒落的礦石在下部1～2個(gè)分段回采過(guò)程中按計(jì)劃回收。

圖2 掛幫礦誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采方案示意

為使冒落礦巖全部落入塌陷坑內(nèi)，誘導(dǎo)工程的回采高度需滿足下式：

式中，h為采空區(qū)平均高度，m；H為誘導(dǎo)工程底板至地表的平均高度,m；R為誘導(dǎo)工程回采范圍的等價(jià)圓半徑，m；η為礦巖平均碎脹系數(shù)；β為巖移角，(°)。

如果誘導(dǎo)工程的回采跨度小于礦巖持續(xù)冒落跨度，可利用多分段回采空間誘導(dǎo)上覆礦巖自然冒落，此時(shí)需要在回采工作面采取散體防護(hù)措施，防治采空區(qū)冒落的沖擊危害。

此外，如果掛幫礦邊坡高陡，誘導(dǎo)冒落工程所形成的地下采空區(qū)的容量不足以存放上部可能發(fā)生巖移的散體量時(shí)，可能有部分散體落入露天采場(chǎng)。此時(shí)，需進(jìn)行露天邊坡滾石試驗(yàn)，根據(jù)滾石落點(diǎn)范圍，于適宜臺(tái)階或坑底設(shè)置防護(hù)壩，防治邊坡滾石危害，確保露天生產(chǎn)安全。

研究表明，圖2所示的誘導(dǎo)冒落法，通過(guò)調(diào)整回采順序與回采高度來(lái)控制露天邊坡巖移方向，使其避開(kāi)或背離露天采場(chǎng)，從而可避免邊坡巖移對(duì)露天采場(chǎng)的威脅。通過(guò)降低誘導(dǎo)工程的位置高度，推遲地下開(kāi)采對(duì)露天邊坡擾動(dòng)的時(shí)間，可提前地下初始開(kāi)采的時(shí)間。通過(guò)大量節(jié)省落礦工程和增大首采分段的回采面積，可大幅提高開(kāi)采強(qiáng)度，快速增大地下生產(chǎn)能力。

3 露天開(kāi)采境界優(yōu)化

合理延長(zhǎng)露天地下同時(shí)開(kāi)采的時(shí)間，是增大過(guò)渡期產(chǎn)能的有效措施。為此，在選取適宜的采礦方法與回采工藝，提前地下開(kāi)采的同時(shí)，需要對(duì)露天開(kāi)采境界進(jìn)行細(xì)部?jī)?yōu)化，推后露采結(jié)束的時(shí)間。細(xì)部?jī)?yōu)化的方法是，對(duì)開(kāi)采境界附近的每一礦體或礦體的每一部位，分別進(jìn)行地下與露天2種方式的開(kāi)采方案設(shè)計(jì)，對(duì)比各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，比選出每種方式的最佳方案。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮開(kāi)采的難易程度以及最佳方案下的礦石安全回采指標(biāo)，優(yōu)選出露天或地下開(kāi)采方案，由此確定露天開(kāi)采的最佳境界。經(jīng)過(guò)細(xì)部?jī)?yōu)化后，露天開(kāi)采礦量一般顯著增大，回采時(shí)間得以延長(zhǎng)，且可使境界附近礦量得到經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)境界資源開(kāi)采效益的最大化。

以海南鐵礦為例，該礦原設(shè)計(jì)露天開(kāi)采境界的最低標(biāo)高為0m，0m以下礦體全部地下開(kāi)采。由于礦體形態(tài)復(fù)雜多變，夾層較多，如此劃分境界，使得E3a～E5a線之間及E2a以西的一些露天境界外的淺部礦量、孤立小礦體與邊角礦量地下開(kāi)采的采準(zhǔn)系數(shù)過(guò)大、且礦石損失率大。為此，本著有利于安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益最大化的原則，按照前面所述的露天開(kāi)采境界細(xì)部?jī)?yōu)化方法，將露天坑底由0m水平優(yōu)化到-72m水平，從而使不便于地下開(kāi)采的礦量得到安全高效開(kāi)采(見(jiàn)圖3)。海南鐵礦露天開(kāi)采境界的細(xì)部?jī)?yōu)化結(jié)果是，露天可采礦量增大640萬(wàn)t，隨之露天開(kāi)采時(shí)間可比設(shè)計(jì)延長(zhǎng)30個(gè)月，露天地下同時(shí)開(kāi)采時(shí)間增大36個(gè)月，有效增大了過(guò)渡期產(chǎn)能，為實(shí)現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期產(chǎn)量平穩(wěn)過(guò)渡創(chuàng)造了條件。

圖3 海南鐵礦露天境界優(yōu)化前后對(duì)比

4 露天地下協(xié)同開(kāi)采方法

掛幫礦誘導(dǎo)冒落采礦方法與露采境界細(xì)部?jī)?yōu)化兩大主要技術(shù)問(wèn)題的解決，為過(guò)渡期協(xié)同開(kāi)采創(chuàng)造了條件。在此基礎(chǔ)上，協(xié)同露天地下開(kāi)采時(shí)空與功能，便可構(gòu)成露天地下協(xié)同開(kāi)采方法，具體內(nèi)容見(jiàn)圖4。

圖4 露天地下協(xié)同開(kāi)采方法

分析得出，露天地下協(xié)同開(kāi)采方法，除了可充分利用露天與地下開(kāi)采的工藝優(yōu)勢(shì)外，還可利用巖體冒落規(guī)律與散體流動(dòng)規(guī)律[13-14]簡(jiǎn)化回采工藝，因此可取得更大的增效降耗效果。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期的常用生產(chǎn)模式，研究露天地下協(xié)同開(kāi)采方法，是解決過(guò)渡期安全生產(chǎn)條件差和產(chǎn)量銜接困難的有效途徑。

(2)采用誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采掛幫礦，通過(guò)協(xié)調(diào)地下回采順序與回采高度引導(dǎo)巖移方向使之指向塌陷坑，可大幅降低露天地下露天開(kāi)采的相互干擾，同時(shí)設(shè)置必要的防護(hù)工程防治巖移對(duì)露天采場(chǎng)的沖擊，能有效防治地采巖移危害。

(3)對(duì)比露天與地下開(kāi)采方案的礦石回采指標(biāo)與開(kāi)采難易程度，對(duì)露天開(kāi)采的境界礦量進(jìn)行露天與地下開(kāi)采的細(xì)部境界優(yōu)化，可顯著提高境界礦量的開(kāi)采效益，并便于延長(zhǎng)露天與地下同時(shí)生產(chǎn)的時(shí)間。

(4)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期的生產(chǎn)效率，主要取決于露天地下擴(kuò)展時(shí)空的協(xié)同，回采順序的協(xié)同，產(chǎn)能計(jì)劃的協(xié)同以及開(kāi)拓系統(tǒng)、巖移管控、覆蓋層形成、生產(chǎn)危害防治、安全生產(chǎn)信息傳送等的協(xié)同。解決好這些協(xié)同技術(shù)，形成適合礦山條件的露天地下協(xié)同開(kāi)采方法，可大幅度提高過(guò)渡期的開(kāi)采效率。

(5)理論研究與海南鐵礦應(yīng)用實(shí)踐表明，本研究提出的露天地下協(xié)同開(kāi)采方法，通過(guò)安全擴(kuò)展露天地下開(kāi)采的空間與時(shí)間、增大露天地下同時(shí)回采的工作面、大量節(jié)省落礦工程減小采準(zhǔn)系數(shù)及提高境界礦量的回采率，可有效提高露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)過(guò)渡。

[1] 斯特西T R，特布拉格P J．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的銜接問(wèn)題和相互影響[C]∥2012中國(guó)高效采礦技術(shù)與裝備論壇論文集，深圳：[出版者不祥]，2012：154-160. Stacey T R，terbutaline Rugby P J.Convergence issues and mutual influence in transition from open pit to underground mining[C]∥China forum symposium of efficient mining technology and equipment in 2012.Shenzhen：[s.n.]，2012:154-160.

[2] 甘德清，楊福海，王樹(shù)國(guó)．露天─地下聯(lián)合采礦法研究的進(jìn)展及其應(yīng)用前景[J]．有色金屬：礦山部分，1997(3)：9-13． Gan Deqing，Yang Fuhai，Wang Shuguo.Progress and application prospects in the research of combined with open pit and underground mining [J].Nonferrous Metals：Mining Section，1997(3):9-13.

[3] 徐長(zhǎng)佑．關(guān)于露天礦轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采中的幾個(gè)問(wèn)題[J]．武漢建材學(xué)院學(xué)報(bào)，1980(2)：58-67． Xu Changyou.A few questions on from open pit to underground mining[J].Journal of Wuhan Institute of Building Materials，1980(2):58-67.

[4] 鄧水清．露天與地下同時(shí)開(kāi)采中的相互關(guān)系[J]．有色金屬：礦山部分，1974(3)：32-35． Deng Shuiqing.The relationship between the open and underground mining in the same time[J].Nonferrous Metals：Mining Section,1974(3):32-35.

[5] 南世卿，任鳳玉，宋愛(ài)東．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡前期高效開(kāi)采方案研究[C]∥第九屆全國(guó)采礦學(xué)術(shù)會(huì)議暨礦山技術(shù)設(shè)備展示會(huì)論文集．北京：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，2012：343-344． Nan Shiqinq，Ren Fengyu，Song Aidong.Study on the high efficient method of open pit to underground mining transitional earlier stage[C]∥The ninth national conference symposium of mining technology and equipment exhibition proceedings.Beijing:China Coal Society，2012:343-344．

[6] 柳自強(qiáng)．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山邊坡問(wèn)題[J]．長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1992(S1)：203-207． Liu Ziqiang.Issues of slope from open pit to underground mining [J].Quarterly of CIMR，1992(S1):203-207.

[7] 李 楠，任鳳玉，趙云峰，等．小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成方法研究[J]．金屬礦山，2010(12)：9-11． Li Nan，Ren Fengyu，Zhao Yunfeng，et al.Study on the formation of overburden layer during the transition from open-pit to underground mining in Xiaowanggou Iron Mine[J].Metal Mine，2010(12):9-11.

[8] 李定歐．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山防洪排水的探討[J]．冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，1998(3)：6-11． Li Ding'ou.Discussion on flood control and drainage of mines in transition from open pit to underground mining[J].Metal Mine Design & Construction，1998(3):6-11.

[9] 王運(yùn)敏，汪為平．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡關(guān)鍵技術(shù)體系理論[C]∥2011年中國(guó)礦業(yè)科技大會(huì)論文集．馬鞍山：金屬礦山雜志社，2011：1-2． Wang Yunmin，Wang Weiping.The theory of key technology with smooth transition from open pit to underground mining[C]∥China mining technology congress symposium，2011.Maanshan：Metal Mine Magazine，2011:1-2．

[10] 祁芬中．協(xié)同論[J]．社聯(lián)通訊，1988(6)：67． Qi Fenzhong.Synergetics [J].Council of Social Communications，1988(6):67.

[11] 哈肯H．高等協(xié)同學(xué)[M].郭治安譯．北京：科學(xué)出版社，1989． Haken H.Advanced Synergetics[M].translated by Guo Zhian.Beijing:Science Press，1989.

[12] 任鳳玉，韓智勇，趙恩平，等．誘導(dǎo)冒落技術(shù)及其在北洺河鐵礦的應(yīng)用[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2007，27(1)：17-19． Ren Fengyu，Han Zhiyong，Zhao Enping，et al.Induced caving technique and its application in Beiminghe Iron Mine [J].Mining Research and Development，2007，27(1):17-19.

[13] 任鳳玉．隨機(jī)介質(zhì)放礦理論及其應(yīng)用[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1994． Ren Fengyu.The Stochastic Medium Method of Ore-drawing and Its Application[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1994.

[14] David J.Computer simulation of the movement of ore and waste in an underground mining pillar[J].The Canadian Mining and Metallurgical，1968，67(2):854-859.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Research on Synergetic Mining during Transition Period from Open Pit to Underground

Ren Fengyu1Li Haiying1Zhou Shengli2Wang Chunxian2

(1.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Hainan Mining Limited Company，Changjiang 572700，China)

During the transition period from open pit to underground mining，a series of difficult problems occur due to the open pit and underground mining unintended mutual interferences，which lead to poor safety condition and low productivity.This problem still has not been solved.Aimed at the normal production model at the bottom of open pit and the hanging-wall of the underground during the period，a coproduction mode of underground induced caving for hanging wall ores was put forward.From the view of extending the time and space needed by the simultaneous mining of open pit and underground，the optimization of open pit boundary and the synergetic production of open pit and underground mining are investigated.Then，the synergetic mining method for open pit and underground are explored.The theoretical analysis and operational experience of Hainan Iron Mine showed that this approach can significantly improve the safety conditions and raise the capacity of ore production in the transition period.

Transition from open pit to underground mining，Synergetic mining，Induced caving，Optimization of mining boundary

2014-06-05

“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目 (編號(hào)：2013BAB02B08)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：50934006)。

任鳳玉(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

TD853.3

A

1001-1250(2014)-11-007-04