蔡美峰-露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究

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1、露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究北京科技大学蔡美峰2011年6月11日第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛内容提要一、前言二、露天转地下开采覆盖层安全结构与合理厚度研究三、露天转地下开采边坡变形动力冲击演化机理及其控制研究四、结语一、前言我国冶金矿山80%的矿石量来自于露天开采。经过几十年开采，目前大多数大中型露天矿山已经进入中后期开采，很多矿山的开采方式已由山坡开采转入凹陷开采。由于大型铁矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较大。凹陷开采深度超过400m～500m后继续进行露天扩帮开采，不但经济上不合理，而且造成土地的大面积占用和剥离的大量废石对生态环境的破

2、坏。露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的综合性开采技术。可以使矿山基建投资减少25%～50%，生产成本下降25%左右。因此，露天转地下开采是大量矿山的必然选择。与国外相比，我国金属矿山露天转地下开采的整体技术水平仍然相对落后，困难和存在问题较多。对露天转地下开采过渡时机把握不准确，过渡期过长或太短，不能实现平稳过渡，造成企业生产能力的波动，甚至减产、停产。对露天和地下开采缺少统一的全面规划，露天和地下两类相关的采矿工程设施不能有效地相互利用，露天与地下不配套、不协调，不仅浪费资金，而且很难进行大规模、高效率强化开采。一、前言含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完

3、善的回收技术而被损失掉，或者回收率太低，损失贫化大，造成资源严重浪费。露天转地下开采过程中边坡和地下岩层共同变形、相互影响，引发的地压活动规律和单一开采模式有很大不同，造成的边坡和地下采场失稳破坏情况更为复杂和严重。对覆盖层作用机理认识不清，处理不当，造成通风、排水系统负荷增大，并可造成泥石流等灾害事故，加大了地下开采的风险和成本。一、前言同时，露天转地下开采是一项系统工程，过程环节多，影响因素复杂。要实施露天转地下开采的平稳过渡，既要提高生产能力、实现强化开采，又要保证生产安全，难度很大。为了解决我国金属露天矿转地下开采过程带有共性的一系列关键技术问题，实现露天转地下开采的平稳

4、过渡和安全高效生产，“露天转地下相互协调安全高效开采关键技术研究”被列入“十一五”国家科技支撑计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。一、前言以安全和效益为目标，围绕露天转地下开采平稳过渡和安全高效生产5个方面的关键技术进行系统深入的试验研究：露天转地下开采满足六大功能的覆盖层的安全结构、合理厚度及其形成技术；露天转地下平稳过渡和开拓运输系统、采矿方法与工艺、通风、排水等系统的最佳衔接技术；露天转地下开采过程中边坡及岩层变形、破坏实时监测及预测预报技术，揭示矿山地压灾害事故的发生机理和内在规律。一、前言露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术；露天转地下开采安全生产综合技术和

5、自动化安全生产管理信息系统上述5个方面关键技术，对应了露天转地下开采的各个环节。各技术环节相互依赖、相互支撑、相互匹配，构建一个整体优化的技术体系。保证首钢杏山铁矿露天转地下开采的平稳过渡和安全高效生产，提升矿山的生产规模、生产能力，实现经济效益、社会效益和环境效益的最大化。一、前言二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究覆盖层的主要功能防冲击地压形成挤压爆破端部放矿条件滞水作用减少漏风防寒保暖预防泥石流二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究覆盖层力学行为和移动特性研究实验室模拟研究模型1：覆盖层厚20m，分段高度15m，二分段放矿模型2：覆盖层厚40m，三分段

6、放矿模型3：覆盖层厚60m，两分段放矿覆盖层力学行为和移动特性研究实验研究结论结论1：露天转地下覆盖层随地下开采而沉降下移，宏观结构可分为两部分:流动层和整体下移层。结论2：流动层高度HT取决于采场结构参数、放矿制度。并受矿岩块度、湿度等因素的影响。结论3：流动层的结构流动层岩石块度最好接近地下采场矿石块度。块度过大，容易出现悬拱现象；块度过细，岩石容易侵入到放出椭球体中，过早侵蚀出现贫化。块度过大造成的悬拱粒度过细造成侵蚀贫化结论4：整体下移层高度取决于设防标准，受覆盖层渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。流动层整体下移层覆盖层物料的水渗透特性渗透系数的测定试验实验装备与

7、材料渗透实验装置渗透实验所用物料不同粒径组成覆盖层的渗透系数实验结果组数粗细比渗透系数K（cm/s）第1组6:41.0792×10-4第2组6.5:3.52.2795×10-4第3组7:31.0778×10-3第4组8:21.0647×10-2不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果土样编号12345678910干密度g/cm321.971.941.911.881.851.821.791.761.73孔隙比0.350.3710.3920.4140.4360.4590.4840.508