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）

我國很多礦山由露天轉(zhuǎn)為地下開采，因此境界頂柱的安全穩(wěn)定就成了一個(gè)研究課題，國內(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。通過分析露天轉(zhuǎn)地下開采的特點(diǎn)、露天轉(zhuǎn)地下開采過渡的采礦方法，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；開采；境界頂柱；破壞模式；穩(wěn)定性

1 露天轉(zhuǎn)地下開采的特點(diǎn)

如果一個(gè)礦山要露天轉(zhuǎn)地下開采，那么，這類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。這一類的礦山使用露天開采的方法是最普遍的，因?yàn)槁短扉_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)，這樣的話就可以在較短的時(shí)間里收回成本。但是隨著開采的不斷深入，這些礦山逐步由露天開采向地下開采過渡最終全面轉(zhuǎn)向地下開采。這就在進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采之前，就要做好開采的計(jì)劃，對(duì)露天和地下兩期的開采進(jìn)行統(tǒng)一周詳?shù)囊?guī)劃，在向者地下礦場(chǎng)開采的過程中，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采的相關(guān)的有利條件，讓露天的開采工作能夠順利地過渡到地下的開采工作，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采的有利工藝特點(diǎn)時(shí)，統(tǒng)籌規(guī)劃露天與地下開采的工程布置，可以使生產(chǎn)成本降低25%左右。

2 露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡方法

（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增加貴重金屬的回收率來得到補(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采的部分之間必須要留有合適厚度的隔離頂柱。地下開采受到的條件限制要比露天開采的限制條件復(fù)雜，地下開采必須嚴(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。不過這種崩落法開采也是有條件限制的，它要求地下開采的上部必須要有一層安全緩沖層。露天開采和地下開采的生產(chǎn)都是要按照順序進(jìn)行的，露天開采的部分結(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)以往的一些國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)來說，聯(lián)合采礦法的特點(diǎn)就是在礦體進(jìn)行地下開采第一階段的時(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)行地下開采的過程中，會(huì)形成很多的采空區(qū)，如果周圍巖石的強(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，而且周圍的巖石的強(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)定性的工程類比?？梢酝ㄟ^采用分類比較的方法來確定適合自己礦山的境界頂柱厚度。露天轉(zhuǎn)地下開采的實(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)入過渡開采之前，就已經(jīng)完成地下工程的開拓和采準(zhǔn)，并運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)類比法設(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，等露天開采結(jié)束后，便開始放出礦房?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)，頂盤巖石再采用深孔爆破，放出全部礦石。在露天開采結(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)定過渡。

4 摩爾——庫倫極限平衡研究

圖1 土的強(qiáng)度線

法國科學(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）稱為抗剪強(qiáng)度的庫侖定律（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)無關(guān)），稱為土的強(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)度線相切。那么反過來說就是，如果一點(diǎn)的應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切，那么說明該點(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——庫倫的極限平衡方程應(yīng)用在礦體開采過程中計(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，為礦山開采提供一定的理論數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

礦山在進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采時(shí)，境界頂柱的預(yù)留厚度一定要合適，而且在開采前要一定要做好境界頂柱破壞模式和穩(wěn)定性的研究，以此來保證采礦過程的安全，這對(duì)礦山的生產(chǎn)經(jīng)營的長(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。