金屬礦床露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡方式現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)討論

張子祥 何榮興 許雁超 白桂秋

（1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦）

露天開(kāi)采具有建設(shè)與投產(chǎn)快、生產(chǎn)能力強(qiáng)、勞動(dòng)效率高、開(kāi)采成本和礦石損失貧化低、勞動(dòng)條件好、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)。因此，地表淺部的礦體，通常選用露天方式進(jìn)行開(kāi)采［1-2］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)約90%的鐵礦石、近50%的有色金屬礦石都采用露天采礦［3］。但隨著露天開(kāi)采深度的增加，生產(chǎn)剝采比逐漸增加，礦石開(kāi)采成本、運(yùn)輸成本及高陡邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)不斷加大，而且礦石產(chǎn)能也逐漸減小，對(duì)于露天境界以之外的掛幫礦或深部礦體資源，應(yīng)計(jì)劃轉(zhuǎn)為地下進(jìn)行開(kāi)采，在未來(lái)的10～15 a內(nèi)，90%以上露天開(kāi)采的礦山都將轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。由于生產(chǎn)方式和開(kāi)拓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，在露天開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行掛幫礦或地下開(kāi)拓、采準(zhǔn)等基建工程建設(shè)，露天地下生產(chǎn)上相互干擾，安全條件差，管理復(fù)雜等問(wèn)題，造成露天轉(zhuǎn)地下礦山產(chǎn)量銜接困難，大部分露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采都是減產(chǎn)甚至停產(chǎn)過(guò)渡，嚴(yán)重影響了礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益［4-5］。例如智利Chuquicamata 銅礦低產(chǎn)過(guò)渡12 a，產(chǎn)能降低50%～97%，國(guó)內(nèi)某鐵礦低產(chǎn)過(guò)渡8 a，產(chǎn)能降低40%～90%。因此，研究露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)銜接中存在問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)措施，對(duì)保證礦山穩(wěn)產(chǎn)過(guò)渡具有重要意義。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡方式和地下采礦方法各自存在問(wèn)題和特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析，剖析目前露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出針對(duì)性的建議和措施，以期為國(guó)內(nèi)露天礦山轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采提供借鑒及過(guò)渡期內(nèi)的戰(zhàn)略布局提供理論支撐。

1 露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡方式

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期，是露天轉(zhuǎn)地下成功與否的關(guān)鍵期。露天、地下開(kāi)采在不同程度上相互干擾，各自的生產(chǎn)能力都受限制，安全性也要低于單一開(kāi)采模式，不同的開(kāi)采模式具有不同的特點(diǎn)和局限性，每個(gè)礦山應(yīng)該根據(jù)礦山的具體條件進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。目前主要的過(guò)渡方式有境界礦柱過(guò)渡方式、境界礦柱和覆蓋層的過(guò)渡方式、楔形過(guò)渡方式。

1.1 境界頂柱過(guò)渡方式

境界頂柱過(guò)渡方式是在露天開(kāi)采最終境界留設(shè)一定厚度的礦體或人工構(gòu)筑一定厚度的鋼筋混凝土作為隔離頂柱（即境界頂柱）［6-13］，把露天開(kāi)采與地下開(kāi)采的空間隔離，以便消除二者間的相互干擾，其過(guò)渡方式如圖1 所示。該過(guò)渡方式的關(guān)鍵點(diǎn)是合理確定境界頂柱厚度，留設(shè)厚度大，礦柱礦量回收難度大，造成礦量永久損失；厚度小，那么頂柱穩(wěn)定性就差，不僅會(huì)造成部分礦量損失，而且起不到隔離的作用，還會(huì)存在頂柱突然坍塌冒頂?shù)陌踩{。境界頂柱的理想厚度與采礦方法及礦巖力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，一般常采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程類(lèi)比的方法來(lái)綜合確定。如石人溝鐵礦采用工程類(lèi)比法和極限平衡解析方法，確定礦山的境界礦柱厚度為20 m［13］；山東黃金集團(tuán)歸來(lái)莊金礦，基于理論計(jì)算、類(lèi)比法和數(shù)值模擬聯(lián)合分析，最終確定其境界礦柱厚度最優(yōu)值為10 m［14］。

采用隔離頂柱把露天采場(chǎng)與地下采場(chǎng)隔離，掛幫礦作業(yè)空間小，開(kāi)采強(qiáng)度低，地下采礦法受保護(hù)礦柱限制效率低，雖然隔離頂柱回采困難，但是現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，適用各類(lèi)條件礦體，一般多用于井下選用空?qǐng)龇?、充填法開(kāi)采的礦山。

1.2 境界礦柱和覆蓋層過(guò)渡方式

大型金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下經(jīng)常將無(wú)底柱分段崩落法作為轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的采礦方法，結(jié)合地下采礦方法的特點(diǎn)，部分礦山將露天境界外的掛幫礦體與露天開(kāi)采同時(shí)進(jìn)行，在開(kāi)采掛幫礦上部留設(shè)傾斜的境界礦柱，露天坑底部不留境界礦柱，當(dāng)露天開(kāi)采達(dá)到坑底境界后，采用廢石回填、崩落邊坡圍巖或者在露天坑底部打深孔崩落礦石形成覆蓋層的方法進(jìn)行過(guò)渡，即境界礦柱和覆蓋層過(guò)渡方式，如圖2所示。

境界礦柱和覆蓋層的露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡方式，取消回采難度較大的露天坑底部境界礦柱，在覆蓋層下面采用崩落法回采露天坑底部礦石，有利于快速增加地下產(chǎn)能。但在掛幫礦開(kāi)采期間，境界礦柱隨掛幫礦回采，邊坡穩(wěn)定性降低，威脅露天采場(chǎng)的生產(chǎn)安全。此外，露天開(kāi)采到境界時(shí)，在安全形成覆蓋層后，才能用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采露天坑底下部礦體，因此，露天開(kāi)采和地下開(kāi)采不能完全接續(xù)，需要布置安全防護(hù)措施降低對(duì)露天生產(chǎn)安全的威脅。由此可見(jiàn)，采用境界礦柱和覆蓋層過(guò)渡方式，露天與地下在時(shí)間上和空間上相互影響問(wèn)題依然存在。

1.3 楔形轉(zhuǎn)接過(guò)渡方式

為解決傳統(tǒng)過(guò)渡模式露天、地下生產(chǎn)相互干擾影響產(chǎn)能的問(wèn)題，東北大學(xué)任鳳玉教授［5］把露天陡幫開(kāi)采技術(shù)與地下誘導(dǎo)冒落開(kāi)采技術(shù)緊密結(jié)合，提出了取消人工覆蓋層和隔離礦柱的楔形轉(zhuǎn)接過(guò)渡方式（圖3）。露天、地下采場(chǎng)規(guī)模隨開(kāi)采深度的增加，分別呈楔形增大與縮小，該過(guò)渡模式利用這一特點(diǎn)，形成露采在下、地采在上，且兩者在水平投影面上空間位置相互錯(cuò)開(kāi)，沿斜切礦體的方向形成露天、地下分界線(xiàn)。采用誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采掛幫礦，運(yùn)用不擴(kuò)幫延深法回采露天底部礦石，延長(zhǎng)露天開(kāi)采期接續(xù)產(chǎn)量。在露天開(kāi)采和地下開(kāi)采間留設(shè)一定的安全距離，并砌筑防護(hù)壩，避免掛幫礦采動(dòng)誘發(fā)邊坡巖層移動(dòng)形成滾石對(duì)露天采場(chǎng)造成安全威脅，同時(shí)利用邊坡巖體臨界冒落跨度合理調(diào)控回采順序和位置，在邊坡形成塌陷坑接納上部邊坡冒落巖體，該法最大限度上提高了露天開(kāi)采和地下開(kāi)采的連續(xù)性以及地下開(kāi)采強(qiáng)度，能夠有效保障過(guò)渡期內(nèi)產(chǎn)能銜接。但該法有一定的局限性，僅適應(yīng)采用崩落法開(kāi)采的礦山，尤其是礦體厚大，或者多條礦體，有一定的掛幫礦量，而且對(duì)掛幫礦回采順序比較嚴(yán)格，對(duì)礦山生產(chǎn)技術(shù)及管理水平要求較高，一般需要在科研單位指導(dǎo)設(shè)計(jì)下完成。

2 露天轉(zhuǎn)地下采礦方法

金屬礦床露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期產(chǎn)能銜接問(wèn)題，與過(guò)渡期運(yùn)用的采礦方法密切相關(guān)，在很大程度上影響著過(guò)渡方式，主要有空?qǐng)龇ā⒈缆浞?、充填法及?lián)合采礦法，以下將分別論述各方法的特點(diǎn)。

2.1 空?qǐng)龇?/h3>

露天轉(zhuǎn)地下選擇空?qǐng)龇ɑ夭傻叵碌V體，在露天坑底部留設(shè)一定厚度的礦體作為礦柱，將露天開(kāi)采與地下開(kāi)采隔離，同時(shí)在采場(chǎng)中留滿(mǎn)礦石，以確保邊坡穩(wěn)定及露天安全生產(chǎn)。鳳凰山鐵礦選用留礦法進(jìn)行地下開(kāi)采，如圖4 所示，境界礦柱將露天開(kāi)采與地下開(kāi)采隔離，地下開(kāi)采礦房?jī)?nèi)隨著采高采場(chǎng)內(nèi)滯留大量礦石，在露天開(kāi)采結(jié)束后，將礦石全部放出，并回采境界礦柱。該方法有助于露天開(kāi)采結(jié)束時(shí)產(chǎn)能銜接調(diào)節(jié)，但地下開(kāi)采形成空?qǐng)鰲l件，導(dǎo)致和隔離礦柱回收條件惡化、回收難度大，礦石貧損指標(biāo)較高。如果在過(guò)渡期內(nèi)，能夠?qū)⒙短旌偷叵律a(chǎn)在平面上錯(cuò)開(kāi)，可以不留境界礦柱。金嶺鐵礦采用空?qǐng)龇ɑ夭?，礦石回采率較高，貧化率較低，但導(dǎo)致露天降雨直接涌入地下，增加井下泥石流威脅，增加地下礦石貧化。在多雨的南方尤其含泥多的地區(qū)，高陡邊坡穩(wěn)定性較差的露天礦山，采用此方法回采易造成空區(qū)冒落或露天邊坡滑落等安全事故。

2.2 崩落法

分段崩落法在露天轉(zhuǎn)地下礦山開(kāi)采中得到廣泛應(yīng)用，如廟溝鐵礦、銅官山銅礦、尖山鐵礦、司家營(yíng)鐵礦、杏山鐵礦、小汪溝鐵礦等。該方法是在覆蓋巖下出礦，不用預(yù)留礦柱，能夠適應(yīng)礦體的不斷變化，且開(kāi)采強(qiáng)度大、成本低、生產(chǎn)安全，可以彌補(bǔ)或克服過(guò)渡期內(nèi)的露天、地下生產(chǎn)過(guò)程中的眾多限制，轉(zhuǎn)接過(guò)渡方式比較靈活，可取消境界頂柱的留設(shè)，有助于加快產(chǎn)能銜接。由于前期露天開(kāi)采對(duì)地表的破壞已經(jīng)形成，后期地下開(kāi)采對(duì)地表的破壞范圍增加不大，對(duì)于允許崩落地段的礦山，無(wú)底柱分段崩落法是露天轉(zhuǎn)地下首選采礦方法。

2.3 充填法

隨著綠色開(kāi)采的提倡和礦山環(huán)境保護(hù)政策出臺(tái)，新建尾礦庫(kù)審批政策的調(diào)整，充填采礦法逐漸取代無(wú)底柱分段崩落法，成為露天轉(zhuǎn)地下采礦方法的首選。充填法將尾礦、廢石等廢棄物作為充填料充填至地下采場(chǎng)，維護(hù)采場(chǎng)的穩(wěn)固性，可提高礦石回收率和井下作業(yè)區(qū)的穩(wěn)定性和安全性，最重要的是降低了礦山企業(yè)的尾礦庫(kù)庫(kù)容壓力，甚至可取消尾礦庫(kù)建設(shè)和擴(kuò)建，減少或避免對(duì)土地和地面設(shè)施的破壞，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)省占地成本；但由于充填采礦方法需要建立充填系統(tǒng)，增加了過(guò)渡期投資和工程量，同時(shí)增加了地下采礦工藝流程和復(fù)雜性，限制過(guò)渡期產(chǎn)能銜接［15-16］。露天轉(zhuǎn)地下選擇充填法開(kāi)采，一般都會(huì)選擇境界頂柱的過(guò)渡方式，如姑山鐵礦露天開(kāi)采至-170 m 轉(zhuǎn)入井下開(kāi)采，井下采用上向水平進(jìn)路法開(kāi)采，經(jīng)過(guò)理論分析和論證，在坑底留設(shè)22 m 厚的境界頂柱，向地下過(guò)渡［17-18］。歸來(lái)莊金礦利用下向進(jìn)路充填法進(jìn)行地下開(kāi)采，從露天坑底直接向下進(jìn)行回采三層，然后利用鋼筋混凝土構(gòu)筑10 m 厚人工境界礦柱［6］。

露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡方式和采礦方法是相對(duì)應(yīng)的，國(guó)內(nèi)部分露天礦轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期的地下采礦方法見(jiàn)表1［3，5，13，17-19］。

3 露天轉(zhuǎn)地下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及措施

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隨著研究的深入，國(guó)內(nèi)對(duì)露天轉(zhuǎn)地下的理論、技術(shù)都已有一定了解，可以將露天轉(zhuǎn)地下的難點(diǎn)概括為技術(shù)和管理兩方面。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采涉及的技術(shù)問(wèn)題包括覆蓋層的安全結(jié)構(gòu)與合理厚度、聯(lián)合開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)最佳銜接技術(shù)、邊坡巖移、塌陷控制技術(shù)、露天地下相互協(xié)調(diào)安全高效采礦工藝技術(shù)、生態(tài)恢復(fù)環(huán)境技術(shù)、通風(fēng)排水等技術(shù)問(wèn)題［19-20］。露天轉(zhuǎn)地下過(guò)程中的生產(chǎn)管理難度增加，管理是否合理影響著技術(shù)問(wèn)題解決的難易程度，根據(jù)國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn)地下的現(xiàn)狀，列舉一些需要注意的問(wèn)題和措施：

（1）科學(xué)確定露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡期，以保證礦山持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。首先，從時(shí)間上來(lái)講，對(duì)露采10～20 a 的中小型鐵礦山，露天開(kāi)采設(shè)計(jì)和地下開(kāi)采設(shè)計(jì)需同時(shí)進(jìn)行；對(duì)露采20～30 a 以上的大型鐵礦山，在露采設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行礦床開(kāi)采整體規(guī)劃，露天礦閉坑前8 a 左右（特大型礦山15 a 左右）時(shí)間，礦山應(yīng)編制過(guò)渡規(guī)劃和地下開(kāi)采設(shè)計(jì)。其次，建立露天礦山企業(yè)盈利動(dòng)態(tài)核算系統(tǒng)，露天開(kāi)采進(jìn)入深部時(shí)，生產(chǎn)成本逐漸增加，從空間上確定合理露天開(kāi)釆境界，同時(shí)根據(jù)露天采剝計(jì)劃，科學(xué)確定露天減產(chǎn)期及地下開(kāi)拓、采準(zhǔn)、切割的工程量和時(shí)間節(jié)點(diǎn)。再次，考慮礦山的盈利受礦產(chǎn)品和主要耗材市場(chǎng)價(jià)格影響，如鐵精礦價(jià)格受?chē)?guó)際市場(chǎng)影響，會(huì)產(chǎn)生周期性的波動(dòng)，如果精礦價(jià)格進(jìn)入低谷期，此時(shí)的露天轉(zhuǎn)地下條件基本成熟時(shí)，可以提前在礦產(chǎn)品低谷期內(nèi)啟動(dòng)轉(zhuǎn)地下開(kāi)采，保障礦山整體的經(jīng)濟(jì)效益；該部分對(duì)于目前正在生產(chǎn)的露天礦山是非常重要的，因?yàn)橐恍徟掷m(xù)、流程是非常繁瑣的，到露天開(kāi)采末期再籌劃轉(zhuǎn)地下事宜，沒(méi)有時(shí)間保障，任何技術(shù)是不能彌補(bǔ)的，最終只能減產(chǎn)過(guò)渡甚至停產(chǎn)過(guò)渡，最終損害企業(yè)總體經(jīng)濟(jì)效益。

（2）在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期，應(yīng)充分考慮礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和開(kāi)采特點(diǎn)，把兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。在進(jìn)行開(kāi)采可研和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)渡期內(nèi)的工程利用，露天開(kāi)采后期既要考慮過(guò)渡期內(nèi)開(kāi)拓、運(yùn)輸生產(chǎn)上的相互干擾，同時(shí)地下開(kāi)采也應(yīng)盡可能利用露天開(kāi)采的相關(guān)工程和設(shè)施等。過(guò)渡期的地下釆礦作業(yè)應(yīng)不影響露天作業(yè)的生產(chǎn)安全，地下采礦方法的優(yōu)化選擇，應(yīng)盡量避免露天開(kāi)釆與地下開(kāi)釆的不協(xié)調(diào)，并考慮到持續(xù)再生產(chǎn)，使露天開(kāi)采科學(xué)合理地過(guò)渡至地下開(kāi)采，降低礦山基建投資成本［17］；如海南鐵礦選用無(wú)底柱分段崩落法回采掛幫礦和地下礦體，采用楔形過(guò)渡方式，形成露天地下協(xié)同開(kāi)采，通過(guò)平硐斜坡道和露天道路系統(tǒng)，快速進(jìn)行采準(zhǔn)回采，另一方面通過(guò)不斷優(yōu)化露天境界，延伸最終境界開(kāi)采，露天地下同時(shí)開(kāi)采36個(gè)月，有效增大了過(guò)渡期的礦石產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了海南鐵礦露天轉(zhuǎn)地下的增產(chǎn)過(guò)渡（圖5）。

（3）露天最終開(kāi)采境界與地下開(kāi)拓、采準(zhǔn)及回采工程必須保持一定的安全距離，近露天坑底部的穿爆作業(yè)必須控制同次爆破藥量，應(yīng)盡量避免露天爆破對(duì)地下采場(chǎng)穩(wěn)定性的破壞；必須在露天坑內(nèi)部實(shí)施防護(hù)工程，防止邊坡滾石沖擊露天生產(chǎn)區(qū)域，造成安全危害。

（4）在轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期，必須防止地下巷道、釆空區(qū)與露天坑相互貫通，造成井下通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)和地表水下灌至采場(chǎng)。在地下開(kāi)采移動(dòng)界線(xiàn)以外設(shè)置防洪堤、截水溝等截留防洪工程以減少地表徑流由露天涌入地下采場(chǎng)，及時(shí)封閉露天連通地下井巷和空區(qū)的通道，保持墊層密實(shí)，科學(xué)設(shè)置地下防水閘門(mén)，以確保地下水泵房正常運(yùn)轉(zhuǎn)和防止泥沙潰入地下。必要時(shí)應(yīng)設(shè)置井下應(yīng)急水倉(cāng)，其體積應(yīng)能夠存儲(chǔ)8 h以上的災(zāi)害透水量。

（5）建立邊坡巖移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定期數(shù)據(jù)評(píng)估制度。依據(jù)礦山實(shí)際情況采取科學(xué)的觀測(cè)方法與手段，如采用無(wú)人機(jī)測(cè)量、GPS、CNSS、微震監(jiān)測(cè)等技術(shù)，同時(shí)要進(jìn)行定期檢測(cè)和維修，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，如果礦山不具備這方面技術(shù)人員，可以和科研院所進(jìn)行合作，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡、空區(qū)頂板位移進(jìn)行評(píng)估，隨時(shí)掌控地下采空區(qū)上覆巖體的移動(dòng)規(guī)律，以保障過(guò)渡期露天和地下安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一種客觀必然趨勢(shì)，露天轉(zhuǎn)地下不是露天開(kāi)采技術(shù)和地下開(kāi)采技術(shù)的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是一項(xiàng)科學(xué)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用。因此，礦山企業(yè)提前規(guī)劃露天轉(zhuǎn)地下相關(guān)事宜，抓住露天轉(zhuǎn)地下合理時(shí)機(jī)，根據(jù)選擇的地下采礦方法選擇合理的過(guò)渡模式，并根據(jù)掛幫礦賦存條件、采礦方法、地下開(kāi)拓系統(tǒng)，在充分利用露天系統(tǒng)且盡量避免相互影響、能夠快速銜接的原則上，建立合理的開(kāi)拓系統(tǒng)和安全技術(shù)措施，在短時(shí)間內(nèi)完成露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡，避免形成減產(chǎn)或停產(chǎn)過(guò)渡的不利局面，影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和良性發(fā)展。