關(guān)于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采境界頂柱破壞模式及穩(wěn)定性的研究

潘榮森

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司永平銅礦，江西 鉛山 334506）

關(guān)于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采境界頂柱破壞模式及穩(wěn)定性的研究

潘榮森

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司永平銅礦，江西 鉛山 334506）

我國(guó)很多礦山由露天轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采，因此境界頂柱的安全穩(wěn)定就成了一個(gè)研究課題，國(guó)內(nèi)外的一些相關(guān)學(xué)者都進(jìn)行了研究，很多研究都取得了一些非常好的成果。通過(guò)分析露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的特點(diǎn)、露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡的采礦方法，對(duì)境界頂柱破壞模式和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

露天轉(zhuǎn)地下；開(kāi)采；境界頂柱；破壞模式；穩(wěn)定性

1 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的特點(diǎn)

如果一個(gè)礦山要露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采，那么，這類(lèi)礦山的礦體上覆蓋在基巖之上的各種松散堆積、沉積物一定沒(méi)有那么厚，礦體有比較深的延伸，礦床是急傾斜的，而且都比較厚。這一類(lèi)的礦山使用露天開(kāi)采的方法是最普遍的，因?yàn)槁短扉_(kāi)采的投如生產(chǎn)的速度快、投如建設(shè)的資金少，而且貧損指標(biāo)優(yōu)，這樣的話(huà)就可以在較短的時(shí)間里收回成本。但是隨著開(kāi)采的不斷深入，這些礦山逐步由露天開(kāi)采向地下開(kāi)采過(guò)渡最終全面轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采。這就在進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采之前，就要做好開(kāi)采的計(jì)劃，對(duì)露天和地下兩期的開(kāi)采進(jìn)行統(tǒng)一周詳?shù)囊?guī)劃，在向者地下礦場(chǎng)開(kāi)采的過(guò)程中，不僅要研究如何利用地下巷道，還要研究如何最大程度地利用露天開(kāi)采的相關(guān)的有利條件，讓露天的開(kāi)采工作能夠順利地過(guò)渡到地下的開(kāi)采工作，并且讓礦山的出產(chǎn)的礦量和經(jīng)濟(jì)效益不受到影響。國(guó)內(nèi)外的一些成功經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)V山充分利用了露天與地下開(kāi)采的有利工藝特點(diǎn)時(shí)，統(tǒng)籌規(guī)劃露天與地下開(kāi)采的工程布置，可以使生產(chǎn)成本降低25%左右。

2 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方法

（1）房柱式采礦法。在房柱式采礦法中，又包括了三種方法，即空?qǐng)龇ā⒘舻V法和充填法。充填法成本比較高，一般用于貴重金屬的開(kāi)采，因?yàn)槌涮畈傻V法礦石損失貧化小，此時(shí)降低的贏利可以通過(guò)增加貴重金屬的回收率來(lái)得到補(bǔ)償。采用這種房柱式采礦法進(jìn)行采礦時(shí)，露天部分的底部到地下開(kāi)采的部分之間必須要留有合適厚度的隔離頂柱。地下開(kāi)采受到的條件限制要比露天開(kāi)采的限制條件復(fù)雜，地下開(kāi)采必須嚴(yán)格要求地下采場(chǎng)袒露面的大小、間柱強(qiáng)度的大小，而且還要嚴(yán)格控制露天采場(chǎng)和地下采場(chǎng)的爆破規(guī)模。

（2）崩落法。用崩落法在崩落礦石的時(shí)候可以同時(shí)崩落圍巖，再用這些圍巖來(lái)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，對(duì)地壓進(jìn)行控制和管理。使用崩落法時(shí)，在進(jìn)行回采的過(guò)程中不需要把礦房和礦柱進(jìn)行劃分，可以按照一定的回采順序來(lái)崩落礦山，以整個(gè)的礦塊作為回采的單元，進(jìn)行連續(xù)的單步驟回采。不過(guò)這種崩落法開(kāi)采也是有條件限制的，它要求地下開(kāi)采的上部必須要有一層安全緩沖層。露天開(kāi)采和地下開(kāi)采的生產(chǎn)都是要按照順序進(jìn)行的，露天開(kāi)采的部分結(jié)束了，地下分段就要投入生產(chǎn)。崩落法中也包括有兩種方法，即分段崩落法和階段崩落法。

（3）聯(lián)合采礦法。把房柱式采礦法和崩落法的相融其實(shí)就是合聯(lián)合采礦法。一些圍巖比較穩(wěn)固、礦體比較厚的礦床適合這種方法，聯(lián)合采礦法同時(shí)擁有房柱式采礦法和崩落法的長(zhǎng)處，但是它采區(qū)的一些結(jié)構(gòu)的參數(shù)、回采的工藝又和一般的崩落法和房柱式采礦法不盡相同。根據(jù)以往的一些國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，聯(lián)合采礦法的特點(diǎn)就是在礦體進(jìn)行地下開(kāi)采第一階段的時(shí)候，需要把礦體分為礦房和礦柱，回采礦房時(shí)采用房柱式采礦法開(kāi)采，回采間柱和頂柱則采用崩落法使礦石的自重崩落或者是強(qiáng)制崩落。

3 境界頂柱破壞模式及穩(wěn)定性

（1）潛在的破壞模式。在進(jìn)行地下開(kāi)采的過(guò)程中，會(huì)形成很多的采空區(qū)，如果周?chē)鷰r石的強(qiáng)度比較高，而且采空區(qū)的范圍不大，露天采場(chǎng)坑底離采空區(qū)頂部的距離也就是頂柱比較厚時(shí)，采空區(qū)的頂板只會(huì)局部崩落形成的拱形頂板，坑底也不會(huì)受到它所形成的裂紋帶的影響。如果采空區(qū)的面積很大，而且周?chē)膸r石的強(qiáng)度不夠大，在爆破時(shí)受到震動(dòng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，這些問(wèn)題都可能引發(fā)頂柱突然失去穩(wěn)定，使工作面煤層上的覆巖體完全垮落的重大事故。

（2）境界頂柱穩(wěn)定性的工程類(lèi)比?？梢酝ㄟ^(guò)采用分類(lèi)比較的方法來(lái)確定適合自己礦山的境界頂柱厚度。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的實(shí)際案例南京鳳凰山鐵礦，它采用留境界頂柱空?qǐng)龇ǚ桨?。南京鳳凰山礦山在轉(zhuǎn)入過(guò)渡開(kāi)采之前，就已經(jīng)完成地下工程的開(kāi)拓和采準(zhǔn)，并運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法設(shè)計(jì)保留7～10m的境界頂柱。頂柱下的礦塊用的是階段礦房法回采的，放先出30%的礦石，等露天開(kāi)采結(jié)束后，便開(kāi)始放出礦房?jī)?nèi)儲(chǔ)存礦石，并在拉低水平以上留有6～7m厚的礦山緩沖層，再用YQ-100型鉆機(jī)從露天向下鉆頂柱炮孔，進(jìn)行爆破。同時(shí)，頂盤(pán)巖石再采用深孔爆破，放出全部礦石。在露天開(kāi)采結(jié)束后，仍然有足夠的儲(chǔ)存的礦石可以接替出礦，因此有利于礦山的持續(xù)穩(wěn)定過(guò)渡。

4 摩爾——庫(kù)倫極限平衡研究

圖1 土的強(qiáng)度線(xiàn)

法國(guó)科學(xué)家?guī)靷?C.A Coulomb)在1776年時(shí)候總結(jié)了土的破壞現(xiàn)象和影響因素，提出土的破壞公式為：

式中：S為代表抗剪強(qiáng)度（shear strength）；c為土的粘聚力（cohesion）；φ為土的內(nèi)摩擦角（internal friction angle）；σ為作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力。

公式（1）稱(chēng)為抗剪強(qiáng)度的庫(kù)侖定律（Coulomb Law），S～σ間的關(guān)系如圖1所示。式（1）中只有兩個(gè)常數(shù)參數(shù)C和φ，它取決于土的性質(zhì)（與土中應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)），稱(chēng)為土的強(qiáng)度指數(shù)，它們的數(shù)值由試驗(yàn)直接測(cè)定。

判斷一點(diǎn)應(yīng)力是否達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，主要看這個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力圓是否與強(qiáng)度線(xiàn)相切。那么反過(guò)來(lái)說(shuō)就是，如果一點(diǎn)的應(yīng)力圓與強(qiáng)度線(xiàn)相切，那么說(shuō)明該點(diǎn)達(dá)到了極限平衡。在極限應(yīng)力圓中可推導(dǎo)下面公式：

圖2 土中一點(diǎn)的極限應(yīng)力圓

在o'bB中，sinφ=Bb/Bo'，則

上式即為土中一點(diǎn)應(yīng)力的極限平衡方程。

由摩爾——庫(kù)倫極限平衡方程我們可以知道，當(dāng)τ＜S時(shí)，土不會(huì)被破壞，τ=S時(shí)土被剪壞，而且土的抗剪強(qiáng)度是隨剪切面上的正應(yīng)力的變化而變化的，所以土的抗剪強(qiáng)度不是定值。那么我們就可以將摩爾——庫(kù)倫的極限平衡方程應(yīng)用在礦體開(kāi)采過(guò)程中計(jì)算采空區(qū)上的覆蓋巖，包括頂柱和回填物以及水壓的作用下的重力以及側(cè)邊剪力，為礦山開(kāi)采提供一定的理論數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

礦山在進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采時(shí)，境界頂柱的預(yù)留厚度一定要合適，而且在開(kāi)采前要一定要做好境界頂柱破壞模式和穩(wěn)定性的研究，以此來(lái)保證采礦過(guò)程的安全，這對(duì)礦山的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有著非常重要的意義。

A Research on W reck Form and Stability of Boundary Pillar if Changing open-pit M ining to Underground M ining

PAN Rong-sen
（Yongping Copper Mine Jiangxi Copper Group Company，Qianshan，Jiangxi 334506，China）

In recentdecades，manyofthemineshastransformedopen-pitminingtoundergroundmininginourcountry，and the safetyand stabilityofboundarypillarhasbecomea research topic，some related domesticand foreign havemadesome researches，and a lotof research hasmade some significantachievements.Thispaperanalyzed the characteristicsofmining transformed from underground totheopen-pit，transitionminingmethodswhen transforming fromunderground totheopen-pit，thewreck form and the stabilityofboundarypillarwerestudied.

change from the open-pit tounderground；mine;boundary pillar；wreck form；stability

TD856.4

A

2095-980X（2015）07-0124-02

2015-06-22

潘榮森（1980-），男，助理工程師。