陳　超　井伯祥

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室)

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露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層理論研究與實(shí)踐的進(jìn)展及趨勢(shì)*

陳超1，2井伯祥1，2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室)

摘要露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層作為地下開采的保護(hù)設(shè)施，具有防止沖擊地壓、形成擠壓爆破和端部放礦條件、阻滯水、減少漏風(fēng)、防寒保暖、預(yù)防泥石流等作用。詳細(xì)討論了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在露天轉(zhuǎn)地下結(jié)構(gòu)、運(yùn)移規(guī)律、安全作用機(jī)理等方面的最新研究成果，介紹了國(guó)內(nèi)礦山露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成應(yīng)用過程中的成功經(jīng)驗(yàn)。最后，總結(jié)了未來露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層研究的方向和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層散體特性無底柱分段崩落法

露天礦山在我國(guó)的鐵礦采掘產(chǎn)業(yè)中占有相當(dāng)大的比重，本世紀(jì)初期，露天產(chǎn)能約占地下產(chǎn)能的80%左右，但隨著近十年開采強(qiáng)度的大幅攀升，目前很多露天鐵礦淺表資源枯竭，亟待轉(zhuǎn)入地下生產(chǎn)。預(yù)計(jì)2025年左右，現(xiàn)有露天鐵礦產(chǎn)能將消失50%左右。露天轉(zhuǎn)地下開采工程并不是簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)換問題，僅從工藝角度，就涉及到露天、地下2套生產(chǎn)工藝，還要兼顧兩者的相互銜接，其涉及工程問題繁瑣，而且銜接過渡過程往往涉及到很多復(fù)雜的安全問題。

露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層是介于露天采場(chǎng)和地下采場(chǎng)之間的一個(gè)安全隔離層，是轉(zhuǎn)地下過程中采用崩落法的礦山必須設(shè)置的安全工程設(shè)施，能夠起到防止邊坡滑塌沖擊地壓、阻滯水滲透、減少漏風(fēng)、防寒保暖、預(yù)防井下泥石流和提供落礦放礦條件等作用，保障轉(zhuǎn)地下過渡期的安全穩(wěn)定。另外，由于覆蓋層散體是直接覆于地下礦石之上，對(duì)于回采礦石散體的流動(dòng)性、力學(xué)性質(zhì)、品位變化等都有著密切聯(lián)系。

1露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層基礎(chǔ)理論研究

1.1覆蓋層理論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究

覆蓋層理論研究的基礎(chǔ)是無底柱分段崩落法的研究，其核心是放礦學(xué)理論研究。放礦學(xué)理論研究可以追溯到上世紀(jì)30年代的前蘇聯(lián)，當(dāng)時(shí)僅僅是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立簡(jiǎn)易放礦模型觀測(cè)崩落礦巖的流動(dòng)，得到了礦巖流動(dòng)的最初實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這也是后來各種放礦研究的雛形。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，學(xué)者И.M.馬拉霍夫于50年代提出橢球體放礦理論，為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和選取提供了理論支撐，該理論也為后來國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究放礦理論及巖土力學(xué)性質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此后，放礦系統(tǒng)理論不斷被完善并提出新的理論，六七十年代逐步提出了放礦角和放礦漏斗理論、三軸橢球體理論，通過松散介質(zhì)力學(xué)及隨機(jī)放礦理論提出數(shù)值模擬方案；八九十年代離散元理論開始被引入到放礦研究的領(lǐng)域，離散元理論是以粒子運(yùn)動(dòng)概率論為基礎(chǔ)的研究，對(duì)覆蓋層的數(shù)值研究起到了一定的推進(jìn)作用，并取得了相當(dāng)大的研究進(jìn)展；21世紀(jì)后提出覆蓋層分層結(jié)構(gòu)，通過利用各層內(nèi)部耦合作用機(jī)理的差異，從而形成一個(gè)完整的覆蓋層保護(hù)系統(tǒng)，上下分層聯(lián)合作用更好地形成安全合理的覆蓋層保護(hù)散體，是覆蓋層理論研究系統(tǒng)新的里程碑。

覆蓋層散體的研究是依據(jù)采用無底柱分段崩落法的地下礦山，且只適用于采用無底柱分段崩落法開采的礦山。無底柱分段崩落法是上世紀(jì)60年代被引入我國(guó)的，之后便以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、出礦量大、操作方便等優(yōu)點(diǎn)被迅速?gòu)V泛應(yīng)用至今。露天轉(zhuǎn)地下的礦山在過渡期需要出礦量大的地下開采方式，以緩解露天開采礦石減少而造成的減產(chǎn)，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)過渡，而無底柱分段崩落法是地下開采的最佳方案。

研究無底柱分段崩落法是有機(jī)地運(yùn)用隨機(jī)介質(zhì)放礦理論和橢球體放礦理論，而對(duì)于覆蓋層散體流動(dòng)的研究目前最普遍采用的研究理論是隨機(jī)介質(zhì)理論。隨機(jī)介質(zhì)理論是波蘭學(xué)者J.Litwiniszyn于20世紀(jì)50年代在研究巖層移動(dòng)時(shí)提出來的[1]。在我國(guó)，則是由中國(guó)工程院劉寶琛院士引入的，他是隨機(jī)介質(zhì)理論在中國(guó)發(fā)展的探索者和實(shí)踐者。其原理是將散體簡(jiǎn)單的視作連續(xù)流動(dòng)的隨機(jī)介質(zhì)，采用概率論的方法計(jì)算散體顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中的速度和位移的理論體系。

為了解決露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層功能機(jī)理及形成方法方面的難題，采礦行業(yè)的專家學(xué)者在散體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用各種方法對(duì)覆蓋層的形成進(jìn)行了研究。在覆蓋層基礎(chǔ)理論研究方面，目前主要有華北理工大學(xué)的分層控制-高臺(tái)階一次形成理論、東北大學(xué)的誘導(dǎo)冒落形成理論以及北京科技大學(xué)預(yù)防泥石流機(jī)理研究。此外，馬鞍山礦山研究院等單位對(duì)覆蓋層的移動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)構(gòu)成、損失控制等方面也進(jìn)行了大量研究。

北京科技大學(xué)朱志根、吳愛祥基于對(duì)無底柱分段崩落法的研究，運(yùn)用散體力學(xué)的理論，對(duì)不同塊度大小的覆蓋巖層散體顆粒和崩落礦石的相互影響進(jìn)行室內(nèi)物理試驗(yàn)研究[2]，研究表明顆粒塊度的大小對(duì)放出礦體的形狀和大小有重要影響，結(jié)論也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有著一定的指導(dǎo)意義。

華北理工大學(xué)甘德清以首鋼杏山鐵礦為研究背景，從覆蓋層回填料動(dòng)力學(xué)原理與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和自然分級(jí)的影響因素分析出發(fā)，通過理論分析、物理模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)排土場(chǎng)試驗(yàn)等研究手段，深入分析了露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級(jí)規(guī)律，最終驗(yàn)證了杏山鐵礦采用倒排排土場(chǎng)廢石形成具有一定合理結(jié)構(gòu)和厚度的覆蓋層方案的可行性[3]。

北京科技大學(xué)杜翠鳳針對(duì)大冶鐵礦地下開采過程中由于覆蓋層設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致的漏風(fēng)問題，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究[4]。大冶鐵礦的漏風(fēng)問題十分嚴(yán)重，通風(fēng)困難使地下污風(fēng)排不出巷道，危害地下施工人員。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用4種粒級(jí)顆粒形成覆蓋層，研究4種粒級(jí)的孔隙率與覆蓋層高度的某種關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出最佳散體塊度和覆蓋層厚度，防止地表漏風(fēng)。

另外，目前大量的研究還對(duì)于覆蓋層散體從塊度對(duì)放礦影響研究[5-7]、散體移動(dòng)規(guī)律研究[8]、合理覆蓋層形成方法的研究[9-13]、滲流通風(fēng)研究[14-16]以及產(chǎn)能銜接及平穩(wěn)過渡方案的優(yōu)化研究[17-19]等方面做了基礎(chǔ)研究的探索和發(fā)現(xiàn)。

1.2露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層運(yùn)移規(guī)律研究

華北理工大學(xué)的研究人員很早就在露天轉(zhuǎn)地下開采工藝等方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出、研發(fā)了露天轉(zhuǎn)地下聯(lián)合采礦方法等基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)。早期的研究中，甘德清及其研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合石人溝等礦山的工程實(shí)踐，對(duì)覆蓋層的功能機(jī)理和結(jié)構(gòu)厚度的確定方法進(jìn)行了一些初步的探索和實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算機(jī)模擬、物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀察了覆蓋層礦巖界面隨著放礦的移動(dòng)規(guī)律(圖1)，并根據(jù)物理形似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，初步構(gòu)建了覆蓋層滲漏模型，這些早期的研究探索為后期提出的覆蓋層分層控制理論提供了基礎(chǔ)。

圖1　覆蓋層分層特性示意

甘德清課題組在進(jìn)行“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究”期間，結(jié)合研究?jī)?nèi)容，以首鋼杏山鐵礦為示范礦山，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。甘德清教授等以隨機(jī)介質(zhì)放礦理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了相似模擬平臺(tái)和數(shù)值模擬模型，該項(xiàng)目從露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層安全功能需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，研究覆蓋層整體移動(dòng)規(guī)律及其移動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)變化(圖2)。其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：覆蓋層的運(yùn)移過程是放出橢球體和松動(dòng)橢球體形成的漸變過程，在均勻出礦的前提下覆蓋層運(yùn)移具有分層的規(guī)律，即松動(dòng)橢球體內(nèi)的覆蓋層為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層(流動(dòng)層)；松動(dòng)橢球體影響之外的覆蓋層為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層(整體下移層)，如圖3所示。橢球體內(nèi)覆蓋層的顆粒移動(dòng)速度具有脈沖式的特點(diǎn)，細(xì)顆粒運(yùn)移速度大于粗顆粒的速度，細(xì)顆粒向下的快速運(yùn)移是引起礦石超前貧化的主要原因。

圖2　覆蓋層巖石顆粒接觸力和顆粒移動(dòng)速度變化

圖3　覆蓋層分層結(jié)構(gòu)

依據(jù)覆蓋層的分層移動(dòng)規(guī)律，甘德清教授等提出了露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層分層控制理論，將覆蓋層按其移動(dòng)規(guī)律和功能需求特點(diǎn)分為2層：上面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體下移層作為實(shí)現(xiàn)覆蓋層防透水、防漏風(fēng)的滲漏平衡層，下面結(jié)構(gòu)變化大、參與礦石放出的流動(dòng)層作為覆蓋層損失控制層，整體下移層和流動(dòng)層聯(lián)合起到預(yù)防、緩解沖擊地壓災(zāi)害和防寒保暖的作用。

根據(jù)放礦橢球體理論，研究落礦時(shí)礦巖間的相互影響，利用不同種類的散體進(jìn)行礦巖界面的滲流實(shí)驗(yàn)，研究滲漏情況，最終從放礦橢球體理論和防排水2個(gè)方面綜合確定覆蓋層的合理厚度。

1.3覆蓋層數(shù)值分析研究

工程巖土力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值研究分為連續(xù)介質(zhì)理論力學(xué)研究和非連續(xù)介質(zhì)理論力學(xué)的研究[20]。前者研究的對(duì)象主要是一個(gè)完整的整體，研究方法主要有有限元法和快速拉格朗日法，所使用的計(jì)算工具有FLAC、GTS、ANSYS等；該模型是由多個(gè)模塊組成，由連接節(jié)點(diǎn)將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的幾何模型，并且將應(yīng)力施加到節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，細(xì)化處理后，通過計(jì)算機(jī)對(duì)其模型的計(jì)算研究其外部變形及內(nèi)部應(yīng)力變化的規(guī)律。后者的研究對(duì)象則是一個(gè)由破壞的整體或者由眾多不連續(xù)的有相互接觸面(點(diǎn))的相互獨(dú)立顆粒組成的集合，研究方法主要是塊體分析法和離散元法，主要使用的工具是DDA、PFC、FLUENT、UDEC等；該方法主要是建立大量數(shù)目的顆粒，使其進(jìn)行點(diǎn)或面接觸，提前設(shè)定顆粒屬性和接觸條件，生成整體的散體模型，然后通過計(jì)算機(jī)計(jì)算散體在移動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)情況，記錄散體在移動(dòng)過程中的各個(gè)物理特性的變化和物理力學(xué)參數(shù)的變化，研究散體非線性問題。

露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層屬于巖土中非連續(xù)介質(zhì)，主要采用離散元法。離散元法(DEM)是由美國(guó)工程院院士、英國(guó)皇家工程院院士Perter Cundall在上世紀(jì)70年代提出的一種研究散體性質(zhì)的數(shù)值方法，將離散單元給予實(shí)驗(yàn)所需的屬性以及進(jìn)行合理的面(點(diǎn))接觸連接，通過牛頓第二定律建立模型，將非線性靜態(tài)問題轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)問題，最終進(jìn)行非線性物理量的積分求解，進(jìn)而得到各個(gè)單元在任意時(shí)刻的物理參數(shù)及其變化情況。

我國(guó)關(guān)于離散元的研究比較滯后，上世紀(jì)80年代末，王泳嘉教授在第一屆全國(guó)巖石力學(xué)數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)討論會(huì)上首次引述了離散元概念，并將離散元方法引入了我國(guó)[21]，隨后該方法在我國(guó)巖土力學(xué)研究方面迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用到了礦冶、農(nóng)業(yè)、食品、化工、制藥和環(huán)境等領(lǐng)域中。目前，最著名的離散元方法商用程序的開發(fā)公司是總部位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州的ITASCA國(guó)際工程軟件開發(fā)公司，創(chuàng)始人是被譽(yù)為巖石力學(xué)之父的Charles fairhurst院士。該公司目前在全世界11個(gè)國(guó)家設(shè)立有14家公司，不僅與中國(guó)多家高等科研機(jī)構(gòu)有著合作關(guān)系并為之提供高端分析軟件，并且設(shè)有在華全權(quán)負(fù)責(zé)的咨詢有限公司，完成了多個(gè)領(lǐng)域的工程。

上世紀(jì)末，在Perter Cundall院士的領(lǐng)導(dǎo)參與下，由ITASCA公司開發(fā)出一款專業(yè)研究散體的軟件——顆粒流分析程序(PFC)[22]。隨著該軟件在世界范圍內(nèi)的廣泛使用，ITASCA公司也不斷對(duì)其進(jìn)行程序的完善和版本的更新，現(xiàn)階段最新的版本為5.0版。顆粒流分析程序(PFC)能夠很好地從本質(zhì)上分析非連續(xù)的散體介質(zhì)的物理量變化和力學(xué)特性等非線性問題，雖然有一定的局限性[23]，卻是現(xiàn)階段研究露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層散體移動(dòng)規(guī)律的最理想、最普遍的手段。

北京科技大學(xué)劉志娜運(yùn)用PFC數(shù)值模擬軟件針對(duì)大冶鐵礦東采車間設(shè)計(jì)了6組不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的相似模擬實(shí)驗(yàn)，以放出礦石的貧化率為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過對(duì)放礦過程的分析，找出放礦最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并詳細(xì)分析了數(shù)值實(shí)驗(yàn)中回收率和貧化率不穩(wěn)定的原因，還研究了放礦過程中的顆粒間不平衡力的變化情況[24]。

華北理工大學(xué)張亞賓基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論，結(jié)合杏山鐵礦的生產(chǎn)實(shí)際，采用PFC模擬了覆巖下的放礦過程，以礦石的放出率和貧化率為技術(shù)指標(biāo)，按厚度分成3組，觀測(cè)覆蓋層移動(dòng)和礦石放出情況，找出覆蓋層合理厚度[25]。在前述結(jié)論的基礎(chǔ)上，又將覆蓋層散體顆粒粒徑分3組實(shí)驗(yàn)，找出利于放礦的合理粒徑，為礦山實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

東北大學(xué)王培濤基于離散元方法理論，以礦石的回收率和貧化率為標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用PFC對(duì)有覆蓋層的采用無底柱分段崩落法的礦塊進(jìn)行數(shù)值模擬，采用平面放礦和立面放礦2種方案在同種情形下對(duì)比實(shí)驗(yàn)[26]。結(jié)果表明，平面放礦較立面放礦的回收率高。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，通過改變立面放礦方案中顆粒間摩擦系數(shù)，從另一方面找出提高礦石回收率的手段以及內(nèi)摩擦角對(duì)于放礦結(jié)果的影響規(guī)律。

除上述研究外，不少學(xué)者運(yùn)用離散元原理對(duì)開采地壓穩(wěn)定[27]、圍巖穩(wěn)定[28]、礦石下落沖擊[29]、邊坡圍巖的穩(wěn)定性[30-37]、開采工藝優(yōu)化[38-42]、低貧化放礦的合理性[43]、地表沉降[44]以及磨機(jī)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械安全穩(wěn)定的分析[45-50]等問題也進(jìn)行了研究，并得到了豐富的成果。

2應(yīng)用實(shí)踐

我國(guó)許多礦山進(jìn)行了露天轉(zhuǎn)地下開采，最早的屬上世紀(jì)60年代的江蘇鳳凰山鐵礦，其他轉(zhuǎn)型礦山如安徽銅官山銅礦、甘肅白銀折腰山銅礦、江西良山鐵礦等。經(jīng)過大量的理論研究以及國(guó)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)踐，覆蓋層的研究理論對(duì)不少礦山實(shí)際生產(chǎn)已經(jīng)起到了指導(dǎo)作用，有的甚至還獲得了較好的效益，使礦山安全平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)過渡。

武鋼大冶鐵礦礦體自西向東依次為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山六大礦體。2001年?yáng)|部露天開采結(jié)束，進(jìn)入地下工程。北京科技大學(xué)基于地表漏風(fēng)問題對(duì)覆蓋層及其孔隙率進(jìn)行研究，為礦山覆蓋層厚度的確定提供了理論基礎(chǔ)[51-52]。武漢科技大學(xué)基于圍巖的穩(wěn)定性為礦山提供形成覆蓋層的方案(崩落圍巖和削坡)[53-55]，其中獅子山形成的覆蓋層為-48～0 m水平。在形成覆蓋層之后進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)，并對(duì)覆蓋層形成過程中的防震問題、回采順序、圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為改善放礦質(zhì)量做好準(zhǔn)備。

河鋼廟溝鐵礦于1986年基建，1989年投產(chǎn)，露天開采最大生產(chǎn)規(guī)模為260萬t/a。2010年中鋼工程設(shè)計(jì)研究院對(duì)其露天開采儲(chǔ)量和年限進(jìn)行評(píng)估，還可以持續(xù)10 a，露天開采坑底定為372 m水平，2011年進(jìn)行了露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計(jì)。華北理工大學(xué)基于覆蓋層分層理論[19]，參考礦山工程規(guī)范，并結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)情況和條件，為廟溝鐵礦提供了2種覆蓋層形成方案：硐室爆破邊坡方案和排土場(chǎng)廢石回填方案。經(jīng)過對(duì)2種方案的工期、投資額度、安全系數(shù)等一系列的問題比較分析，最終確定為廢石回填形成覆蓋層方案，另外，方案包括了覆蓋層形成的詳細(xì)參數(shù)、工程量和經(jīng)濟(jì)概算。此方案預(yù)計(jì)2017年實(shí)施。

首鋼杏山鐵礦原為露天開采鐵礦，2004年底露天開采資源所剩不多，-33 m以下的深部礦產(chǎn)資源采用地下開采，中冶北方工程技術(shù)有限公司基于覆蓋層的防水、防凍、防漏風(fēng)等作用，在理論上為礦山設(shè)計(jì)的覆蓋層厚度不小于40 m[56]；華北理工大學(xué)基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的覆蓋層結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論與露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級(jí)理論，考慮到覆蓋層的基本功能，為杏山鐵礦制定了詳細(xì)的覆蓋層形成方案和技術(shù)保障措施[3，12，57]。覆蓋層形成的方法為高臺(tái)階一次翻卸成形，主體結(jié)構(gòu)分為下移層和流動(dòng)層，并設(shè)計(jì)相應(yīng)分層的厚度及粒級(jí)配比方案。杏山鐵礦2007年開始地下基建工程，2011年覆蓋層構(gòu)建完畢。對(duì)形成的覆蓋層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示該覆蓋層能夠滿足生產(chǎn)要求，監(jiān)測(cè)指標(biāo)良好。該覆蓋層的成功實(shí)施對(duì)于覆蓋層研究具有重要意義。

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，未來將有更多的露天礦山進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，通過不斷深入覆蓋層研究，了解和掌握覆蓋層的內(nèi)部機(jī)理，為礦山提供更為科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝С帧?/p>

3亟待解決的技術(shù)問題

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過渡期的聯(lián)合開采工藝和技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得了一定的研究成果并對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐起到了一定的指導(dǎo)作用，但現(xiàn)階段僅僅是對(duì)覆蓋層某項(xiàng)功能單獨(dú)研究，目的單一，對(duì)于礦山的要求僅僅是滿足了安全結(jié)構(gòu)，保證了外部結(jié)構(gòu)的完整性和保持厚度，忽視了內(nèi)部粒子間細(xì)微的變化，導(dǎo)致覆蓋層內(nèi)部作用機(jī)理不明了，沒有真正地從根本上了解覆蓋層的運(yùn)動(dòng)，致使理論研究對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)的推廣應(yīng)用受到限制。綜合上述分析，總結(jié)出亟待解決的技術(shù)問題：

(1)開采擾動(dòng)下覆蓋層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。覆巖下放礦過程中，礦石放出所留出的空間需要覆巖隨即補(bǔ)充，于是覆蓋層的結(jié)構(gòu)隨著崩落礦石運(yùn)出而變化。對(duì)于放礦過程中其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律認(rèn)識(shí)的欠缺，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不明確，可能導(dǎo)致放礦過程中覆蓋層結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，產(chǎn)生潛在的危機(jī)，如漏風(fēng)、漏水等一系列問題，給礦山生產(chǎn)造成巨大損失。

(2)開采擾動(dòng)下覆蓋層內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的變化。在開始放礦的同時(shí)，覆蓋層的內(nèi)部平衡應(yīng)力會(huì)瞬間被打破，石塊開始向趨于平衡的方向移動(dòng)，之后不久會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，而之后的放礦過程中，每一次出礦都將打破其應(yīng)力場(chǎng)的平衡，而隨后又達(dá)到新的平衡，于是放礦過程就是一個(gè)覆蓋層應(yīng)力場(chǎng)不斷失衡與平衡循環(huán)演變的過程，直至放出礦石達(dá)到截止品位。由于對(duì)這種應(yīng)力場(chǎng)變化認(rèn)識(shí)不清楚，在放礦過程中不能有效控制石塊間應(yīng)力，有可能造成局部應(yīng)力過大，影響放礦品質(zhì)。

(3)多相耦合場(chǎng)作用。覆蓋層本身是由多相散體耦合而成的一種散體流，在覆蓋層移動(dòng)的過程中，各相流體相互作用，相互影響，而這種作用效果并不清楚，各相流體在流動(dòng)過程中之間是促進(jìn)或阻礙，其結(jié)果還并不得知，現(xiàn)今覆蓋層這方面所做的研究鮮有涉及。

(4)覆蓋層中水的滲流過程和驅(qū)動(dòng)力源、滲流速度和趨勢(shì)。水在覆蓋層運(yùn)動(dòng)過程中是以滲流方式在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，流速會(huì)對(duì)覆蓋層造成一定影響，而對(duì)于這一影響是益或弊以及其過渡節(jié)點(diǎn)還未知。了解水的滲流趨勢(shì)和流速，對(duì)于保證覆蓋層結(jié)構(gòu)的完整性有重要意義。

(5)泥石流的觸發(fā)機(jī)理和節(jié)點(diǎn)。泥石流等災(zāi)害會(huì)給地下工作帶來巨大的危害，礦山泥石流災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，如果了解其觸發(fā)機(jī)理和節(jié)點(diǎn)，采取有效預(yù)防措施，可避免不必要損失，從而大大提高礦山安全性。

上述覆蓋層技術(shù)問題均為內(nèi)部耦合作用，工程實(shí)驗(yàn)及物理實(shí)驗(yàn)的研究是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出過程中的機(jī)理，尤其是工業(yè)實(shí)驗(yàn)不僅需要投入大量的人力和物力，工作量大，而且中間存在著許多誤差和盲點(diǎn)，不能夠直接準(zhǔn)確地從變化過程中了解其機(jī)理。另外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化應(yīng)用的普及，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)將會(huì)成為覆蓋層研究最為廣泛和權(quán)威的技術(shù)手段。數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用不僅節(jié)省了宏觀的研究投入，而且能夠全方位時(shí)刻了解其運(yùn)動(dòng)過程中各場(chǎng)的變化規(guī)律。雖然現(xiàn)階段的技術(shù)條件還不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境，但是隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，上述技術(shù)難題終將會(huì)被解決。

4結(jié)語

關(guān)于覆蓋層的研究已經(jīng)進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)，在這漫長(zhǎng)的探索歷程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)覆蓋層從外形到本質(zhì)的認(rèn)知轉(zhuǎn)化，形成方式從經(jīng)驗(yàn)式的借鑒到有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例證明了前人對(duì)于覆蓋層的探索理念是成功的，是可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)的，然而，如今的覆蓋層研究理論體系還不夠豐富，已有的理論知識(shí)對(duì)于整個(gè)覆蓋層理論體系還只是初步的認(rèn)識(shí)，更多的技術(shù)問題還有待解決，在露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層運(yùn)移規(guī)律和形成方法方面，更需要通過生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。未來礦山覆蓋層的形成方法是將覆蓋層的形成機(jī)理與礦山自身的地質(zhì)條件及技術(shù)水平相結(jié)合，形成完全適用于自身礦山的保護(hù)層，不再需要借鑒其他成功實(shí)例，而形成的覆蓋層能夠在保證礦山安全的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]Litwiniszyn J. Application of the equation of stochastic processesto mechanics of loose bodies[J]. Archiwum Mechaniki Stosowanej，1956，8(4)：393-411.

[2]朱志根,吳愛祥.崩落礦石塊度對(duì)放礦的影響分析[J].礦業(yè)快報(bào),2006,25(10):10-12.

[3]甘德清,齊寶軍,盧宏建,等.杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級(jí)研究[J].金屬礦山,2011(11):9-13.

[4]杜翠鳳,王賓,劉志軍，等.露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層漏風(fēng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].金屬礦山,2009(8):122-125.

[5]王威,冉光建,茍書洲,等.無底柱放礦中巖石提前混入原因分析及預(yù)防措施[J].中國(guó)礦山工程,2015(3):33-37.

[6]文義明.小粒徑廢石覆蓋層下放礦貧化控制方法研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2011.

[7]朱志根.崩落法放礦堵塞影響因素的試驗(yàn)分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(7):88-89，104.

[8]溫海民,陳超,劉艷東.露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層界面移動(dòng)規(guī)律初步分析[J].山西建筑,2012(24):82-83.

[9]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.

[10]吳志濤.金山店鐵礦東區(qū)合理覆蓋層厚度的確定及地表變形規(guī)律的探究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2014.

[11]甘德清,高鋒,張?jiān)迄i,等.某露天礦擴(kuò)幫形成覆蓋層方法探究[J].礦業(yè)工程,2014(2):6-9.

[12]盧宏建,甘德清,陳超.杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成方法[J].金屬礦山,2014(1):25-28.

[13]閆淑慧,顧乃滿,甘德清.勞服鐵礦覆蓋層形成方式研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(11):187-189.

[14]張亞賓,喬蘭,甘德清,等.基于多孔介質(zhì)理論的覆蓋層漏風(fēng)特性研究[J].金屬礦山,2012(7):53-55.

[15]吳永強(qiáng),孫艷秋.露天轉(zhuǎn)地下崩落法采礦覆蓋層滲流量影響因素分析[J].金屬礦山,2013(4):125-127.

[16]付建新,譚玉葉,宋衛(wèi)東.崩落法開采塌陷區(qū)上覆黃土層降雨入滲機(jī)理研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015(2):349-353，366.

[17]楊洪寶,張子祥,王海燕,等.廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下產(chǎn)能銜接技術(shù)研究[J].礦業(yè)工程,2015(2):15-17.

[18]盧宏建,南世卿,甘德清,等.大型鐵礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案優(yōu)化[J].金屬礦山,2014(11):1-6.

[19]姜鵬.眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采關(guān)鍵技術(shù)分析[J].礦業(yè)工程,2012(1):15-17.

[20]朱煥春.PFC及其在礦山崩落開采研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(9):1927-1931.

[21]王泳嘉,劉國(guó)興,邢紀(jì)波.離散元法在崩落法放礦中應(yīng)用的研究[J].有色金屬,1987(2):20-26.

[22]Cundall P A, Strack O D L. A discrete nu-merical model for granular assembles [J]. Geotech-nique, 1979,29(1):47-65.

[23]田瑞霞,焦紅光.離散元軟件PFC在礦業(yè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析[J].礦冶,2011(1):79-82，89.

[24]劉志娜,梅林芳,宋衛(wèi)東.基于PFC數(shù)值模擬的無底柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(1):3-5.

[25]甘德清,張亞賓,陳超.基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的覆蓋層結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].金屬礦山,2012(3):15-18.

[26]王培濤,楊天鴻,柳小波.無底柱分段崩落法放礦規(guī)律的PFC2D模擬仿真[J].金屬礦山,2010(8):123-127.

[27]柴衡山,劉濤,郭生茂.基于離散元的地壓誘導(dǎo)破裂機(jī)理研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015(4):12-15.

[28]葛勇勇.基于離散元程序算法的采動(dòng)圍巖控制數(shù)值模擬研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2013.

[29]秦宏楠,李長(zhǎng)洪,馬海濤,等.基于顆粒流的溜井沖擊破壞規(guī)律研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015(4):20-26.

[30]崔鐵軍,馬云東,王來貴.基于PFC3D的露天礦邊坡爆破過程模擬及穩(wěn)定性研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2014(7):759-767.

[31]彭博,陳玉明,袁利偉.基于PFC2D馬鞍山鐵礦2號(hào)露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析[J].黃金,2014(12):37-40.

[32]南世卿,楊天鴻.基于離散元法的邊坡失穩(wěn)破壞過程研究[C]∥第二十屆“冀魯川遼晉瓊粵”七省礦業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.唐山：河北省冶金學(xué)會(huì)，2013:8.

[33]王培濤,楊天鴻,于慶磊,等.節(jié)理邊坡巖體參數(shù)獲取與PFC2D應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013(4):560-565.

[34]張漓黎.眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡變形破壞離散單元法分析[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2014.

[35]孟京京.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的離散元分析及其應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2014.

[36]廖九波,李夕兵,周子龍,等.軟巖巷道開挖支護(hù)的顆粒離散元模擬[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013(4):1639-1646.

[37]潘東.基于離散元數(shù)值模擬采空區(qū)頂板崩落礦巖沖擊效應(yīng)研究[J].礦產(chǎn)勘查,2012(5):727-730.

[38]曾慶田,劉科偉,嚴(yán)體,等.基于多數(shù)值模擬方法聯(lián)合的自然崩落法開采研究[J].黃金科學(xué)技術(shù),2015(1):66-73.

[39]舒平.基于PFC3D的無底柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].銅業(yè)工程,2015(2):40-43.

[40]陸玉根,韋輝朕,孫國(guó)權(quán).基于PFC3d顆粒流數(shù)值模型的無底柱崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選[C]∥中國(guó)礦業(yè)科技文匯—2014.北京：冶金工業(yè)出版社，2014:4.

[41]仲崇春,于長(zhǎng)軍,黃志國(guó).無底柱分段崩落法回采參數(shù)數(shù)值研究[J].有色金屬：礦山部分,2014(6):15-17.

[42]王平,李彬,李艷,等.無底柱分段崩落法放礦數(shù)值模擬[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013(6):12-14，30.

[43]仝慶亮,嚴(yán)榮富.低貧化放礦的PFC2D數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(3):1-3.

[44]焦明東.不同開挖方式對(duì)地表沉降影響的離散元分析[J].低溫建筑技術(shù),2014(11):86-89.

[45]王鑫,肖正明,龍穩(wěn).基于離散元法的塔磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].礦山機(jī)械,2015(7):74-78.

[46]侯亞娟.基于離散元與有限元耦合的大型球磨機(jī)襯板性能研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2015.

[47]王觀民,于偉濤,姬建鋼,等.基于離散元法的自磨機(jī)出料分流器模擬分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].礦山機(jī)械,2015(6):77-79.

[48]邊小雷,侯亞娟,趙梅,等.離散元法及其在顆粒粉碎領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].礦山機(jī)械,2015(6):62-67.

[49]張明波.基于離散元方法的雙齒輥破碎機(jī)破碎過程仿真研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2015.

[50]母福生,朱賢云,謝海慶,等.基于離散元法與正交試驗(yàn)的齒板破碎力研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014(11):217-221.

[51]杜翠鳳,王賓,劉志軍,等.露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層漏風(fēng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].金屬礦山,2009(8):122-125.

[52]宋衛(wèi)東,杜建華,謝正平,等.大冶鐵礦深凹露天開采最終邊坡穩(wěn)定性分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005(4):385-389.

[53]章啟忠.大冶鐵礦深凹露天轉(zhuǎn)地下開采的幾個(gè)安全問題研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2007.

[54]吳亞東.大冶鐵礦東區(qū)難采礦體開采工藝研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2008.

[55]廖成孟.大冶鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全回采工藝的研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2007.

[56]陳光富.杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].黃金,2009(7):23-26.

[57]禹朝群.首鋼杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層移動(dòng)特性研究[D].唐山：河北理工大學(xué),2010.

Progress and Trend of the Theoretical Research and Practice of the Covering Layers of Open-pit to Underground

Chen Chao1,2Jing Boxiang1,2

(1.School of Mining Engineering, North China University of Science and Technology;2.Laboratory of Mining Development and Safety Technology in Hebei Province)

AbstractAs the protection facilities of underground mining, the covering layers of Open-pit to underground has the effects of prevention of impact pressure, forming condition of extrusion blasting and side ore drawing, stopping, retention of water, reduction of the air leakage, prevention of cold and keeping warm, prevention of mudslides. The latest research results of the structures, migration regularities and security mechanism of Open-pit to underground obtained by some research institutions in domestic and overseas are analyzed in detail, the successful experiences of the formation and application of the covering layers of open-pit to underground are introduced. Based on above analysis, the direction and trend of the covering layers of open-pit to underground in the future are summarized.

KeywordsOpen-pit to underground, Covering layers, Bulk properties, Non-pillar sublevel caving method

(收稿日期2015-12-03)

*河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：E2013209328)。

陳超(1975—)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，063009 河北省唐山市。

·采礦工程·