露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效采礦工藝技術(shù)研究JIETIBAOGAO方案

"十一五''科技支撐計劃項目：

露天轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡關(guān)鍵技術(shù)研究(NO.2006BAB02A03)

《露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效采礦工藝技術(shù)研究》

結(jié)題報告

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦

2010年12月29

目錄

1概述..................................................................1

1.1研究背景.........................................................1

1.2露天轉(zhuǎn)加下開采技術(shù)難點與基本原則................錯誤!未定義書簽。

1.2.1露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)難點.....................錯誤!未定義書簽。

1.2.2露天轉(zhuǎn)地下開采基本原則......................................1

1.3研究現(xiàn)狀........................................................2

1.3.1露天轉(zhuǎn)地下開采方法..........................................2

1.3.2坑內(nèi)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究...................................4

1.3.3露天開采極限深度...........................................7

1.3.4露天轉(zhuǎn)地下開采過渡時期產(chǎn)量銜接.............................8

1.3.5露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層的構(gòu)筑.................................9

1.3.6露天開采邊坡管理...........................................10

1.3.7露天開采殘留礦柱的回收.....................................15

1.3.8露天轉(zhuǎn)地下開采的通風(fēng)、防洪及排水...........................17

L3.9露天轉(zhuǎn)地下或露天與地下聯(lián)合開采的地下空間問題...............18

1.4國內(nèi)外典型實例..................................................18

1.4.1國外技術(shù)應(yīng)用實例...........................................18

1.4.2國內(nèi)技術(shù)應(yīng)用實例...........................................20

1.5研究內(nèi)容及路線.................................................22

2石人溝鐵礦開采技術(shù)條件簡介...........................................24

2.1礦山交通位置及自然狀況..........................................24

2.2礦區(qū)地質(zhì)狀況...................................................24

2.3開采現(xiàn)狀.......................................................27

2.4研究范圍內(nèi)礦體開采狀況.........................................29

2.4.1開采技術(shù)條件...............................................29

2.4.2存在的問題................................................29

3露天轉(zhuǎn)地下開采模式研究...............................................31

3.1露天轉(zhuǎn)地下采礦方法適應(yīng)性分析....................................31

3.1.1露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案.....................................32

3.1.2露天轉(zhuǎn)地下常用采礦方法....................................39

3.1.3開采模式對露天邊坡穩(wěn)定性影響分析..........................60

3.2露天轉(zhuǎn)地下開采模式模糊選擇方法.................................71

3.2.1綜合評價指標(biāo)體系的構(gòu)建.....................................72

3.2.2層次分析法確定因素重要程度系數(shù)............................74

3.2.3隸屬函數(shù)的定義及確定方法..................................78

3.2.4模糊綜合評判步驟..........................................81

3.3石人溝鐵礦最佳開采模式選擇.....................................82

3.3.1綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建.......................................82

3.3.2影響因素權(quán)重向量的確定....................................83

3.3.3隸屬矩陣的確定............................................86

3.3.4最佳開采模式選擇..........................................88

4爆破參數(shù)優(yōu)化選擇.....................................................92

4.1礦石爆破破碎性能影響因素AHP定量化分析.........................92

2

4.1.1主要影響因素指標(biāo)體系.......................................93

4.1.2AHP定量化分析及結(jié)論......................................96

4.2爆破參數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測........................................99

4.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介..............................................100

422BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)............................................100

4.2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型.......................................102

4.2.4預(yù)測及討論................................................104

5現(xiàn)場工業(yè)試驗........................................................108

5.1試驗采場選擇及地質(zhì)概況.........................................108

5.2試驗礦塊采準(zhǔn)工程布置...........................................108

5.3主要設(shè)備引進(jìn)...................................................112

5.4采場炮孔設(shè)計...................................................113

5.4.1切割槽炮孔設(shè)計............................................113

5.4.2回采炮孔設(shè)計..............................................117

5.5采場爆破設(shè)計...................................................121

5.5.1爆破方案總體設(shè)計..........................................121

5.5.2切割槽爆破設(shè)計............................................127

5.5.3回采爆破設(shè)計..............................................135

5.6爆破施工組織...................................................142

5.6.1爆破前期準(zhǔn)備工作..........................................142

5.6.2爆破施工組織..............................................143

5.7主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)...............................................143

6露天轉(zhuǎn)地下開拓系統(tǒng)銜接技術(shù)..........................................147

6.1開拓系統(tǒng)銜接分類...............................................147

6.2典型開拓方案...................................................148

6.3石人溝鐵礦開拓系統(tǒng)現(xiàn)狀.........................................150

6.4石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下當(dāng)前開拓系統(tǒng)銜接評價.......................152

6.4.1評價指標(biāo)..................................................153

6.4.2評價結(jié)果..................................................155

6.5石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開拓方案優(yōu)化...............................160

7露天轉(zhuǎn)地下高效節(jié)能通風(fēng)模式研究......................................172

7.1通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計原理...............................................172

7.2通風(fēng)系統(tǒng)可靠性研究.............................................174

7.2.1系統(tǒng)失效模式與后果分析....................................174

7.2.2三角模糊數(shù)基本原理........................................176

7.2.3故障樹分析................................................178

7.2.4石人溝鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)及改進(jìn)措施..............................182

7.3通風(fēng)系統(tǒng)方案研究...............................................184

7.3.1影響指標(biāo)及權(quán)重............................................184

7.3.2灰色關(guān)聯(lián)分析法............................................186

7.3.3通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)選..........................................189

7.4推薦通風(fēng)系統(tǒng)方案...............................................193

7.4.1通風(fēng)系統(tǒng)及方式............................................193

7.4.2通風(fēng)工作制度及通風(fēng)時間....................................193

3

7.4.3露天完全轉(zhuǎn)入地下的通風(fēng)風(fēng)機選型............................193

7.4.4過渡期通風(fēng)能力校核........................................196

8露天轉(zhuǎn)地下防排水研究................................................202

8.1礦井涌水量預(yù)測.................................................202

8.2石人溝鐵礦防排水現(xiàn)狀..........................................204

8.3一般防排水技術(shù)................................................205

8.3.1地面防排水................................................205

8.3.2井下防排水...............................................205

8.4石人溝鐵礦地下防排水措施......................................207

8.4.1超前探水工作..............................................207

8.4.2修筑防水閘門（墻）.......................................208

8.4.3安全防范措施..............................................208

9總結(jié)................................................................210

9.1研究工作.......................................................210

9.2主要創(chuàng)新點....................................................211

4

1概述

礦產(chǎn)資源開采是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性支柱產(chǎn)業(yè)之一，涉及國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，諸如

鋼鐵、煤炭、有色金屬、黃金、化工及非金屬工業(yè)等。鐵礦是國民經(jīng)濟(jì)最重要的基礎(chǔ)

資源之一，幾十年來，我國鋼鐵工業(yè)取得了舉世矚目的進(jìn)步和發(fā)展，其年產(chǎn)量連續(xù)幾

年均居世界第一位，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展具有舉足輕重的影響作用。但是，我

國鐵礦資源目前85%以上為露天生產(chǎn)，經(jīng)過近幾十年的開采和不斷增產(chǎn)，國內(nèi)大部分

露天礦山企業(yè)都面臨著露天采場閉坑、即將轉(zhuǎn)入地下開采階段。鑒于我國露天礦山企

業(yè)多為深凹露天礦的特點，在轉(zhuǎn)入地下開采時將面臨更多的困難。為實現(xiàn)露天向地下

開采的平穩(wěn)過渡，必須對涉及平穩(wěn)過渡的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究，其中露天轉(zhuǎn)地下相

互協(xié)調(diào)安全高效采礦工藝技術(shù)是研究的重點內(nèi)容之一。

1.1研究背景

我國年生產(chǎn)能力在300萬t以上的露天鐵礦山有16座，其中有10座設(shè)計深度達(dá)

到200m（封閉圈以下）以上。相當(dāng)數(shù)量礦山的開采已步入中晚期，國內(nèi)即將進(jìn)入露

天轉(zhuǎn)地下開采的礦山生產(chǎn)能力近2000萬to由于我國大型露天鐵礦山大都是傾斜和急

傾斜礦床，礦體埋藏延深一般較大，屬短而深礦床，露天境界以下深部駐留了大量的

礦產(chǎn)資源（據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大型露天鐵礦山境界以外深部駐留有約28?30億t的

鐵礦石資源），如唐鋼石人溝鐵礦存有6452.61萬t,鞍鋼大孤山鐵礦7000萬t,鞍鋼

眼前山鐵礦1.6億t,武鋼大冶鐵礦4600萬t,攀鋼朱蘭采場8000萬t。

大型骨干露天礦山進(jìn)入深凹開采后，雖經(jīng)不斷技術(shù)創(chuàng)新，使產(chǎn)能得以延續(xù)，但總

體上露天境界內(nèi)保有的開采儲量卻日益減少。露天境界外的深部礦體必須通過露天轉(zhuǎn)

地下的方式進(jìn)行開采，以確保深部資源的有效、合理的利用。因此，必須加快露天轉(zhuǎn)

地下開采所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，以滿足我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展對鐵礦石的

需求。

目前，國內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采的技術(shù)內(nèi)涵及外延目前尚不完整和明確，僅僅為露

天采礦和地下采礦的單一集合。這些礦山只對露天轉(zhuǎn)地下開采中存在的某些問題進(jìn)行

了探索，如產(chǎn)量銜接、邊幫殘礦開采、開拓方法等，積累了一些經(jīng)驗，但露天轉(zhuǎn)地下

開采的關(guān)鍵綜合技術(shù)仍處在理論探索階段。對諸如聯(lián)合開采的開拓系統(tǒng)研究，安全、

1

高效的采礦方法研究，礦區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變場的動態(tài)演變過程規(guī)律研究，采空區(qū)破壞模式

研究以及對環(huán)境破壞的預(yù)測及恢復(fù)環(huán)境的對策研究，特別是露天平穩(wěn)過渡到地下開采

的關(guān)鍵技術(shù)研究還缺乏系統(tǒng)性。

目前，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)對鋼鐵等金屬資源需求的日益增長，帶動了鐵礦石業(yè)前所未

有的發(fā)展，刺激了國際鐵礦價格的大幅上揚。僅2005年一次性上漲幅度高達(dá)71.5%,

2008年比2007年一次上漲65%,促使國內(nèi)各大鋼鐵公司重新審視鐵礦石原料來源的

市場定位，充分挖潛自身的資源優(yōu)勢，走節(jié)約化資源利用道路。國內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開

采礦山的經(jīng)驗表明，當(dāng)?shù)V山充分利用露天與地下開采的有利工藝特點時，可以使礦山

的基建投資減少25?50%,生產(chǎn)成本降低25%左右。從我國露天金屬礦山企業(yè)面臨的

現(xiàn)狀看，露天轉(zhuǎn)地下綜合技術(shù)研究有著廣闊的市場推廣前景和深遠(yuǎn)社會經(jīng)濟(jì)意義。

為此，“十一五”期間，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院、河北礦業(yè)有限公司、東北大

學(xué)、中南大學(xué)、本鋼礦業(yè)公司、青島理工大學(xué)以唐鋼礦業(yè)公司石人溝鐵礦、本鋼南芬

鐵礦為工程依托單位，啟動了《露天轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡關(guān)鍵技術(shù)研究》課題，并設(shè)

置了六個專題：

專題一，露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層的安全結(jié)構(gòu)與合理厚度研究；

專題二，露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡方式及聯(lián)合開拓運輸系統(tǒng)最佳銜接技術(shù)研究：

專題三，露天轉(zhuǎn)地下開采巖層變形影響預(yù)測預(yù)報及決策系統(tǒng)研究；

專題四，露天轉(zhuǎn)地下及聯(lián)合開采仿真技術(shù)研究；

專題五，露天地下相互協(xié)調(diào)安全高效采礦工藝技術(shù)研究；

專題六，安全生產(chǎn)管理與生態(tài)恢復(fù)環(huán)境技術(shù)研究。

中南大學(xué)主要承擔(dān)第五個專題的研究，依托礦山為石人溝鐵礦。

1.2露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)難點與基本原則

當(dāng)?shù)V體延伸較深，且出露地表或埋藏較淺時，上部多采用初期建設(shè)投資少、投產(chǎn)

快、貧損指標(biāo)較優(yōu)的露天開采。但隨露天開采工作面不斷向下推進(jìn)，達(dá)臨界深度時，

若繼續(xù)采用露天開采方式則難以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，這時礦山將逐步由露天開

采向地下開采過渡，最終實現(xiàn)地下開采。這一類型的礦山,一般都要經(jīng)過露天開采期、

露天和地下同時開采的過渡期及地下開采期三個階段。在第一和第三階段，只單一地

2

進(jìn)行露天或地下開采。只有當(dāng)露天開采臨近結(jié)束，其深部向地下開采過渡時，存在露

天與地下同時開采，即進(jìn)入第二階段。此時，露天產(chǎn)量逐年減少，地下產(chǎn)量逐年增加,

直至露天開采結(jié)束，地下開采達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量。露天與地下開采同時在同一礦床中并行

作業(yè)的這段時間稱為露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期。在露天開采向地下開采的過渡期間，

地下采礦直接在露天坑底之下進(jìn)行，開采技術(shù)和安全條件復(fù)雜，露天與地下開采的相

互干擾與影響較大，難以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1.2.1露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)難點

礦山由露天轉(zhuǎn)為地下開采須經(jīng)歷露天開采、露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期及地下開采三

階段，因而其建設(shè)模式、開拓系統(tǒng)和采礦工藝均具有特殊性。具體表現(xiàn)如下：

（1）由露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，露天開采已進(jìn)行多年，并形成完整的生產(chǎn)系統(tǒng)

和生活福利設(shè)施，如選礦廠、機修廠、供電和供水管網(wǎng)、露天坑、排土場，以及生產(chǎn)

和銷售系統(tǒng)等。因此，在露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計時，應(yīng)充分考慮利用露天開采原有的設(shè)

施，注意研究地下開拓運輸系統(tǒng)與露天開采系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃，如地下開拓井筒的位置、

出車方向，以及過渡時期的地下采礦方法等。

（2）露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，深部礦體的勘探程度往往不夠，因此，露天開采

后期應(yīng)加大生產(chǎn)探礦的力度，進(jìn)一步掌握深部礦體的賦存條件與開采技術(shù)條件。

（3）從露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，其開拓工程相當(dāng)于一個新建設(shè)的地下礦山，且

地下采礦方法與回采工藝與露天開采截然不同，地下開拓工程的建設(shè)及投產(chǎn)過程均在

空間和時間上與露天開采并行；因此，相互之間存在著很大的干擾與影響，除了過渡

期露天與地下開采需要相互協(xié)調(diào)和保證生產(chǎn)安全外，對地下開采工藝的熟悉和適應(yīng)也

需要相當(dāng)?shù)倪^程，是過渡期應(yīng)研究解決的重大技術(shù)難題之一。

4）露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡時期，露天開采已臨近最終境界，地下開拓系統(tǒng)將逐

步形成，并具備一定生產(chǎn)能力，此時可充分利用地下巷道和采空區(qū)，研究過渡期的礦

石和廢石運輸系統(tǒng)以及采礦方法方案，研究露天廢石回填地下采空區(qū)的可能性，或論

證用地下開拓系統(tǒng)提升礦石的經(jīng)濟(jì)合理性，尤其是過渡期較長的礦山，注重露天與地

下工程與工藝要素的組合，更能發(fā)揮聯(lián)合開采的優(yōu)越性。

（5）露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡時期，隨著地下開采工作面的下降，在地下開采的

上部逐漸形成塌陷區(qū)（除充填法外），并有較多井巷與露天采場連通，因此，過渡時

3

期出現(xiàn)通風(fēng)短路、漏風(fēng)嚴(yán)重或合露天大爆破有毒氣體侵入井下巷道，以及在雨季

引起地下短時徑流量大等。因此，應(yīng)根據(jù)礦山的特點，采取適宜的采礦方法和有效的

通風(fēng)、防寒及防洪措施。

（6）露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，由于地下開拓基建工程量較大，達(dá)產(chǎn)的時間較長，

而露天開采臨近末期受作業(yè)空間限制，生產(chǎn)能力消失的比例較大，需要研究聯(lián)合開采

技術(shù)措施，以解決過渡期在時間和產(chǎn)量上的有效銜接。通常采用回收露天界外邊角礦

量的方法來補充過渡期產(chǎn)能的不足，但回采邊角礦大都在露天邊幫上進(jìn)行，常引起露

天邊坡失穩(wěn)，必須及時根據(jù)需要進(jìn)行邊坡處理。

1.2.2露天轉(zhuǎn)地下開采基本原則

對正在進(jìn)行和將要進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，應(yīng)全面考慮露天轉(zhuǎn)地下開采的過

渡方式、地下采礦方法，以及過渡期的安全生產(chǎn)技術(shù)，確保過渡期時間銜接和產(chǎn)量銜

接。一般應(yīng)按以下原則進(jìn)行規(guī)劃：

（1）在劃分露天與地下開采界限時，應(yīng)本著充分發(fā)揮露天開采優(yōu)勢的原則，合

理確定露天開采境界；

（2）過渡期間的地下采礦作業(yè)應(yīng)不影響露天作業(yè)的正常進(jìn)行和安全生產(chǎn)，選擇

的地下采礦方法，應(yīng)能避免發(fā)生露天開采與地下開采作業(yè)間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，并易于實

現(xiàn)持續(xù)生產(chǎn)。要結(jié)合礦巖條件，根據(jù)已選定的采礦方法，研究合理的回采順序，注意

其采掘順序和回采工藝與露天采場的密切配合；

（3）因地制宜地選擇邊坡角礦體的回采方法和順序。露天邊坡下的回采，盡量

采用由兩端向邊坡推進(jìn)的回采順序；

（4）制定邊坡處理方案，建立必要的巖移觀測隊伍，采用先進(jìn)的觀測手段，隨

時掌握地下采空區(qū)上覆巖層的移動規(guī)律，確保露天邊坡和生產(chǎn)作業(yè)的安全；

（5）確定合理的露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡方式。當(dāng)?shù)V體走向長度大時，應(yīng)選用分

期、分區(qū)交替過渡方式，以簡化過渡期間復(fù)雜的時空關(guān)系，有利于維持過渡期間的生

產(chǎn)能力；

（6）根據(jù)露天采掘進(jìn)度計劃，依露天減產(chǎn)的起始時間及地下開拓、采準(zhǔn)和切割

工程量，確定地下開拓、采準(zhǔn)和切割工程的時間；

1

（7）制定過渡期礦山安全生產(chǎn)技術(shù)措施。露天采掘最終境界與地下工程間應(yīng)保

持足夠的距離，以避免或防止露天爆破對地下井巷和采場的破壞作用，臨近露天底的

穿爆作業(yè)不要超深，要控制露天爆破的裝藥量，采用微差爆破、控制爆破等減震措施,

避免使用胴室爆破，同時防止地下與露天爆破的相互影響；

（8）采取切實可行的通風(fēng)、防洪措施。過渡期開采時，防止地下井巷和采空區(qū)

與露天坑相互貫通，造成風(fēng)流的上下竄動和地表水下灌，影響地下正常生產(chǎn)。過渡期

的通風(fēng)，有條件的盡量采用抽壓結(jié)合、中央對角式或分區(qū)通風(fēng)等方式。為防止地表徑

流經(jīng)露天采場涌入井下，應(yīng)在地下開采移動界限以外設(shè)置防洪堤、截水溝。對地下與

露天溝通的井巷和采空區(qū)，要及時密閉井巷和空區(qū)，保持墊層的密實性，隔絕井巷與

露天坑的連通，并設(shè)置地下防水閘門，確保地下水泵房的正常運轉(zhuǎn)和防止泥沙突然潰

入井下；

（9）編制好過渡期產(chǎn)量平衡表。在露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期間，一般有多種開采

方式并存，如露天開采、地下開采和邊角礦回采等。要根據(jù)不同開采方式的開采范圍、

生產(chǎn)能力與存在年限，確定出最佳的穩(wěn)產(chǎn)過渡期開采方案。

1.3研究現(xiàn)狀

露天轉(zhuǎn)地下開采是集露天和地下兩種工藝要素為一體的綜合性技術(shù)，要求礦山在

進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采的設(shè)計時對前后期開采進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。露天開采后期的開拓系統(tǒng)

既要考慮地下巷道的利用，同時在向地下開采過渡時，地下開采也應(yīng)盡可能利用露天

開采的相關(guān)工程和設(shè)施等有利因素，使露天開采平穩(wěn)地過渡到地下開采，使礦山產(chǎn)量

和經(jīng)濟(jì)效益保持穩(wěn)定。

目前，我國露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，設(shè)計時一般只是獨立地考慮了露天礦的開拓

系統(tǒng)，沒有把露天轉(zhuǎn)地下開采的三個階段作為整體統(tǒng)一全盤考慮，不僅沒有很好地利

用聯(lián)合開采的特點，來提高礦床開采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且給后期的轉(zhuǎn)入地下開采帶

來許多不利影響。露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡開采技術(shù)是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實踐

表明，各礦山在實施這一工程時有許多特殊的安全及采礦技術(shù)問題亟待解決。

1.3.1露天轉(zhuǎn)地下開采方法

露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，地下開采方法的選取，主要是根據(jù)礦體賦存的特點、露

2

天邊坡地壓情況和露天坑底留設(shè)境界礦柱與否等因素確定，是一項極復(fù)雜的技術(shù)難

題，不僅要處理好上部露天作業(yè)對地下開采的影響和互相干擾問題，同時還要考慮產(chǎn)

量的銜接。目前，國內(nèi)外研究將露天轉(zhuǎn)地下開采的采礦方法歸納為空場法、崩落法及

充填法三類。

（1）空場采礦法

主要有房柱法、留礦法等。使用這類方法時，露天和地下可同在一個垂直面內(nèi)同

時作業(yè)，但是要求從露天底到地下采礦場之間要留有一定厚度的隔離頂柱。對地下采

場的暴露面大小、間柱的強度，以及對露天和地下爆破的規(guī)模，都有嚴(yán)格的控制和要

求，這與一般的地下開采相比，所受到的條件限制要復(fù)雜的多。

（2）崩落法

包括分段崩落法和階段崩落法。這類采礦方法要求在地下開采區(qū)的上部有一定厚

度的廢石緩沖層，其生產(chǎn)工藝與一般的地下開采基本相同。因此，要求露天分段結(jié)束,

地下須分段投入生產(chǎn)，露天和地下的生產(chǎn)基本上是順序進(jìn)行的。

（3）充填采礦法

充填法目前有三種類型，第一：上向水平分層充填法，即隨回采工作面向上推進(jìn)

及時充填采空區(qū)，一般用于中等穩(wěn)固以上的礦體開采；第二：下向膠結(jié)充填采礦法，

即自上而下回采，在充填體假頂下作業(yè)，用于礦巖均不穩(wěn)固的礦體；第三：空場嗣后

充填法，使用空場法工藝落礦，采空區(qū)嗣后一次充填。充填法適合于露天轉(zhuǎn)地下開采

的礦山或露天與地下聯(lián)合開采的礦山采用，是目前國內(nèi)外地下礦山使用最為廣泛的一

類采礦法。它的優(yōu)點是安全、高效，且能最大限度地回收礦產(chǎn)資源，有效保護(hù)地表環(huán)

境。但其缺點是工藝較復(fù)雜，采礦直接成本較高。

上述三類采礦方法在用于露天轉(zhuǎn)地下開采時，典型方案的工藝與一般常用的典型

方案基本相似，結(jié)合露天轉(zhuǎn)地下開采第一階段的采礦方法的特點，并根據(jù)高效率、低

成本、高回收率和安全可靠的要求以及具體的開采技術(shù)條件，采取相應(yīng)的采礦技術(shù)方

案。具體的回采方案有以下幾種：空場法留境界頂柱方案；崩落法回采前形成覆蓋層

方案；膠結(jié)充填回采礦房暫留礦柱過渡方案；廢石充填法回采過渡方案等。也有礦山

采用其中兩種方法組合的開采方式，最常用的有空場法與崩落法的組合使用，如在露

天境界礦柱保護(hù)下，第一階段即過渡期用空場采礦法的房柱法方式進(jìn)行礦房回采，待

礦房回采完畢后，用崩落法回采間柱及露天境界礦柱，然后即轉(zhuǎn)入崩落法開采。這種

3

多方法組合的開采方式是按一定順序在空間和時間上有機結(jié)合而成的，即能滿足露天

轉(zhuǎn)地下的生產(chǎn)要求，同時兼有多種采礦方法的優(yōu)點，是一種極具潛力和發(fā)展前景的露

天轉(zhuǎn)地下回采組合方案。

露天轉(zhuǎn)地下開采國內(nèi)外均有不少實例，如芬蘭皮哈薩米銅礦，在露天底預(yù)留20m

頂柱，地下用留礦法、分段法回采，事后用廢石、尾砂充填采空區(qū)；原蘇聯(lián)的蓋伊斯

基礦在1號露天采場下部用階段礦房法回采礦房，用水砂礫巖充填采空區(qū)。我國白銀

廠折腰山銅礦即先用水平分層尾砂膠結(jié)充填法回采礦柱，后用無底柱分段崩落法回采

礦房，這樣不僅保證了露天和地下在過渡期可以同時開采，而且也有利于采用高效率

的崩落法。這種聯(lián)合式的采礦法近10多年在國外已被廣泛應(yīng)用。

1.3.2坑內(nèi)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

通常，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定，取決于礦體的賦存條件、傾角、厚度、礦體和圍巖

的穩(wěn)固程度、礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造以及采空區(qū)附近構(gòu)筑物的重要程度等。露天轉(zhuǎn)地下開采

的礦山，一旦地下開采方法確定后，采礦方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要，這是由于露天轉(zhuǎn)

地下開采過渡期的開采技術(shù)條件復(fù)雜這一特點所決定的。雖然許多礦山在選擇結(jié)構(gòu)參

數(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，但目前并沒有也不可能有一個適用于各種具體礦山的固定

的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在具體確定某一礦山采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)時，應(yīng)具體情況具體分析。

1）公式計算法

徐長佑教授于1990年出版了我國第一部較系統(tǒng)的露天轉(zhuǎn)地下采礦技術(shù)專著《露

天轉(zhuǎn)地下開采》一書。書中論述了露天與地下聯(lián)合開采的方式、工藝特點；概述了國

內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的經(jīng)驗與主要問題；提出了露天轉(zhuǎn)地下開采時，坑內(nèi)采礦方

法與露天殘留礦柱回采法的方案與使用范圍；確定了坑內(nèi)采礦法采場合理結(jié)構(gòu)參數(shù)與

安全隔離層厚度計算公式；提出了提高露天轉(zhuǎn)地下礦山經(jīng)濟(jì)效益的途徑。

徐長佑等人以具體礦山為例，運用巖石力學(xué)方法，系統(tǒng)地總結(jié)了地下采場礦柱的

設(shè)計、應(yīng)力計算以及預(yù)防礦柱失穩(wěn)的措施，并給出了礦柱尺寸的計算公式。礦柱強度

與礦柱形狀、規(guī)格之間的關(guān)系可用下式表示：

（B\（1-1）

S"=S』一V"

式中：

跖一礦柱強度，Pa；

4

SL構(gòu)成礦柱礦石的單向抗壓強度，Pa；

Bp—同柱寬度，m；

Hp一礦柱高度，m；

V—礦柱體積，n?；

c,d—常數(shù)。

而作用于礦柱中的應(yīng)力為：

a_?（8“+By）L（1.2）

式中：

crr—礦柱應(yīng)力，Pa；

Bo—礦房寬度，m；

L—礦房長度，m。

目前，在計算采場頂板跨度極限尺寸時，一般采用如下公式：

L_（aX（1-3）

式中：

a,—采場頂板巖層中最大拉應(yīng)力，N/m2；

7—覆蓋巖層的容重，g/cn?；

L—米場深度，cm；

H—開采深度，cm；

a,n—常數(shù)。

式（1-3）給出的極限跨度是對應(yīng)于完整巖石的理想值。由于頂板巖層中存在不同

產(chǎn)狀的各種結(jié)構(gòu)面，大大消弱了巖體強度，此時頂板的極限跨度約為無裂隙頂板極限

跨度的0.6?0.7。

2）經(jīng)驗類比法

通過參考國內(nèi)外類似礦山的經(jīng)驗，分類比較后確定具體礦山的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是最

常用的方法，由于類比法簡單易行，在國內(nèi)外礦山中應(yīng)用廣泛，但一般取值比較保守。

3）數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬方法的基本思路是：

（1）將研究對象離散化；

（2）按照給定的本構(gòu)關(guān)系，對單元進(jìn)行力學(xué)、運動學(xué)分析；

5

（3）用所有單元的組合表達(dá)整體特性；

（4）在給定的邊界條件下，用顯式差分法迭代或解聯(lián)立方程組，求出變形和應(yīng)

力。

地下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值分析理論己相當(dāng)成熟。在實踐中，各種穩(wěn)定性分析和評

價方法得出的結(jié)果不是唯一的，其主要原因不僅在于各種分析評價方法的固有特點及

局限性，更主要的是因為影響礦山巖體穩(wěn)定性的因素非常復(fù)雜，且這些影響因素中大

多都具有一定的模糊性。

KO.A.莫納斯特爾斯基針對“巨人深井”的條件，用有限元法確定了回采礦房和傾

斜礦房間隔離礦柱的最優(yōu)參數(shù)，保證礦塊礦量回采率達(dá)73%o

北京科技大學(xué)喬蘭在對新城金礦深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序優(yōu)化研究中，采用

有限元數(shù)值模擬計算方法，對新城金礦深部采場的4種結(jié)構(gòu)參數(shù)和2種開采順序等6

個方案進(jìn)行了不同開采時期的優(yōu)化分析和比較，獲得了深部采場的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

三維有限元數(shù)值模擬是進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序優(yōu)化和連續(xù)回采穩(wěn)定性分

析的最有效手段之一。三維有限元數(shù)值模擬可以定量地計算和分析回采過程中采場圍

巖中的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)、破壞區(qū)的分布狀況，確定它們隨每步回采的動態(tài)變化過

程，從而對采場圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)做出判斷。通過多方案的計算和分析，比較不同的

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同的開采順序和開挖步驟條件下的圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，可以做出優(yōu)化

的開采設(shè)計，確定最佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、最佳的開采順序和開挖步驟。從而在保證生

產(chǎn)安全的前提下，最大限度地減少開拓成本，增加礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

南昌有色冶金設(shè)計院的賀健在對福建紫金山銅礦空場采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)初步探

討中，利用美國ANSYS公司開發(fā)的ANSYS5.6彈塑性有限元分析程序?qū)請龇ǖV房、

礦柱的安全尺寸進(jìn)行了初步探索，確定了中段回采時的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4）遺傳算法GA（Geneticalgorithm）

影響采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素十分復(fù)雜，很難用一個數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述它們之間的關(guān)

系，從而給采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化造成一定的困難。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法往往要求有一個明

確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并且連續(xù)、可微分，這往往難以實現(xiàn)?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大量

的應(yīng)用問題要求結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠適合于各種類型的設(shè)計變量、各種類型的約束及各種類

型單元組合結(jié)構(gòu)的線性、非線性、靜力、動力或控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。近年來受到工程界

廣泛重視的基因遺傳算法即具有這種潛力。遺傳算法作為一種新的全局優(yōu)化搜索方

6

法，以其簡單通用、適于并行處理、應(yīng)用范圍廣等顯著特點，奠定了它作為21世紀(jì)

關(guān)鍵智能計算之一的地位，但它在礦山中的應(yīng)用剛剛起步。

中南大學(xué)的周科平將遺傳算法應(yīng)用于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，通過實例計算，證明

這種算法用可靠度作為目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，能較好地接近于工程實際，可

以獲得可靠的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且該算法克服了傳統(tǒng)方法的不足，因而具有較好的應(yīng)

用前景。

5）突變理論

突變理論是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一個新的數(shù)學(xué)分支。突變理論提出一系列

數(shù)學(xué)模型，用以解釋自然界和社會現(xiàn)象中所發(fā)生的不連續(xù)的變化過程，描述各種現(xiàn)象

為何從形態(tài)的一種形式突然地飛躍到根本不同的另一種形式。如巖石的破裂，橋梁的

斷裂，細(xì)胞的分裂，胚胎的變異，市場的破壞以及社會結(jié)構(gòu)的激變等等。托姆指出，

發(fā)生在三維空間和一維空間的四個因子控制下的突變，有七種突變類型：折迭突變、

尖頂突變、燕尾突變、蝴蝶突變、雙曲臍突變、橢圓臍形突變以及拋物臍形突變。

突變理論在在自然科學(xué)的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。在工程技術(shù)中，研究了彈性結(jié)構(gòu)的

穩(wěn)定性，通過橋梁過載導(dǎo)致毀壞的實際過程，提出最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。目前，突變理

論在巖土工程中的研究涉及諸多領(lǐng)域，邊坡穩(wěn)定，地下洞室，大壩失穩(wěn)，突變模型表

達(dá)的土的本構(gòu)關(guān)系，尖點突變模型判別場地砂土的地震孔隙水壓力等等，賈立宏在彈

塑性大變形有限元中使用全應(yīng)力一應(yīng)變實驗曲線模型在應(yīng)變空間描述巖石塑性軟化

現(xiàn)象的過程中，將突變理論引入有限元計算中，提出單元應(yīng)變能突變破壞準(zhǔn)則，將塑

性軟化和地下開挖模擬計算建立在更客觀的試驗基礎(chǔ)之上。中南大學(xué)徐國元教授將采

用尖點突變理論，對礦房礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，從中得出一些重要的結(jié)論，對

控制礦房礦柱穩(wěn)定性具有一定的指導(dǎo)意義。

1.3.3露天開采極限深度

采用露天開采的金屬礦山，在設(shè)計時通常是用境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比

的原則來確定露天開采的界線。在露天開采境界以外的礦床，露天開采水平以上的礦

體擬采用掛幫形式地下開采，而露天開采水平以下的礦體擬采用露天轉(zhuǎn)地下開采。

采用露天轉(zhuǎn)地下的開采方式，在礦山設(shè)計時應(yīng)考慮露天與地下開采這兩種工藝在

相當(dāng)長時期內(nèi)系統(tǒng)的相互利用與結(jié)合。因此，露天開采的極限深度就不能用原先單一

7

采用露天開采的方式進(jìn)行計算和確定，應(yīng)按照露天開采和地下開采每噸礦石的生產(chǎn)成

本相等的原則確定較為合理，此時露天開采的極限深度應(yīng)更為合理。

1.3.4露天轉(zhuǎn)地下開采過渡時期產(chǎn)量銜接

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，都存在過渡時期的產(chǎn)量銜接問題，即當(dāng)使露天開采產(chǎn)量

逐漸減少時，地下開采的產(chǎn)量應(yīng)同步增加，最后在露天開采結(jié)束時，地下開采達(dá)到設(shè)

計產(chǎn)量。露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期一般為3?5a或更多，過渡期的長短與過渡方式有

關(guān)，目前國內(nèi)外過渡方式有露天停產(chǎn)后過渡到地下開采，過渡期長，以及不停產(chǎn)過渡,

過渡期短。一般國內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采的實際過渡期可達(dá)5?10a。經(jīng)檢索，國內(nèi)外已

有不停產(chǎn)過渡的實例，如加拿大基德克里克多金屬礦;奧地利愛茲貝爾核格鐵礦，前

蘇聯(lián)克里沃羅格鐵礦和高山鐵礦；我國的鳳凰山鐵礦，冶山鐵礦，金嶺鐵礦等。這些

礦山都實現(xiàn)了不停產(chǎn)過渡，縮短過渡期的關(guān)鍵是：

（1）提前進(jìn)行補充地質(zhì)勘探工作，在露天開采結(jié)束前10?15a就展開，并且要

求設(shè)計生產(chǎn)與勘探緊密結(jié)合，使勘探工作更加及時有效。

（2）地下開采設(shè)計在露天開采設(shè)計時要進(jìn)行全面規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃盡早進(jìn)行地

下開采的施工設(shè)計。如加拿大基得力克里克多金屬礦上部露天開采生產(chǎn)10a將轉(zhuǎn)入地

下開采，但露天生產(chǎn)后的第2a就開始了地下開采的工程建設(shè)，使露天順利地過渡到

地下開采。

（3）地下開采系統(tǒng)的建設(shè)時間不能過短，要充分估計露天開采的產(chǎn)量變化、國

內(nèi)地下工程的施工進(jìn)度和建設(shè)資金等因素。地下開采系統(tǒng)的建設(shè)可以充分利用露天開

拓系統(tǒng)，以縮短建設(shè)周期。

（4）認(rèn)真研究露天轉(zhuǎn)地下開采的技術(shù)難題，正確選擇露天轉(zhuǎn)地下開采過渡時期

的采礦方法。

我國若干礦山已有不少的經(jīng)驗，如冶山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采整個地下工程共用了

8a時間。為了保證過渡期的生產(chǎn)銜接、穩(wěn)產(chǎn)，采用了露天沿走向分區(qū)結(jié)束、地下分段

投產(chǎn)的方法。為了縮短過渡期，采用露天胴室爆破構(gòu)造墊層15?20m,為地下采用崩

落法開采創(chuàng)造了必要條件，由于采取了以上措施，僅用了兩年多時間由露天全部轉(zhuǎn)入

地下開采，年出礦能力達(dá)32萬t,超過了露天產(chǎn)量。唐鋼石人溝鐵礦目前采取的分區(qū)

下降，剝離廢石內(nèi)排措施，既減少了排土場占地，也保證了目前露天生產(chǎn)，還為深部

8

轉(zhuǎn)入地下開采事先準(zhǔn)備了覆蓋墊層。露天境界礦柱和界外礦體、邊坡礦一般占總儲量

的5?16%,此部分礦體的回收可起到提高過渡期產(chǎn)量的作用。唐鋼石人溝鐵礦露天

開采的界內(nèi)儲量只有4000萬t,深部尚有近億噸儲量，露天底0m以上的界外礦也有

近320萬t。據(jù)1989年唐山工程技術(shù)學(xué)院與石人溝礦研究，為保證深部開采均衡下降，

采取了一系列強采界外邊坡礦的措施，加速開采界外礦量。又如白銀銅礦露天邊坡上

的殘礦原設(shè)計屬地下開采初期首采地段，要求及早回采這些殘留礦體降到露天底，從

而使其在同一水平上轉(zhuǎn)入地下開采的正常生產(chǎn)階段，并使其達(dá)到設(shè)計規(guī)模。

1.3.5露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層的構(gòu)筑

根據(jù)露天轉(zhuǎn)地下礦山實踐，地下直接使用無底柱分段崩落法回采或在露天境界底

柱保護(hù)下先空場回采，再崩落法回收殘留礦柱的過渡方式應(yīng)用較廣。而在此過程中，

必須形成合理覆蓋層，起到緩沖作業(yè)，避免巖爆或崩落的廢石危害井下作業(yè)人員和設(shè)

備、防止地表水涌入井下和井下漏風(fēng)；同時，也為后無期無底柱分段崩落法提供擠壓

爆破和放礦的必要條件。

當(dāng)露天轉(zhuǎn)地下開采并采用無底柱分段崩落法回采時，形成初始覆蓋層一般有兩種

方法：用大爆破崩落邊坡或回填剝離廢石。這兩種方法都具有簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠和省

時的優(yōu)點，而且可以一次形成廢石覆蓋層。究竟采用哪種方法，應(yīng)根據(jù)具體條件選擇,

也可兩種方法同時采用。國內(nèi)外由露天轉(zhuǎn)地下開采并采用無底柱分段崩落法的礦山，

大都能順利地解決廢石覆蓋層的形成問題。國內(nèi)冶山鐵礦是由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采

并采用無底柱分段崩落法的礦山。該礦在露天開采結(jié)束時，采用碉室爆破的方法形成

覆蓋層，其頂盤圍巖為白云巖，戶10?12,較穩(wěn)固，最小抵抗線13?20m,藥室間距

系數(shù)1.0?1.2,爆破作用指數(shù)l.Oo主爆破嗣室16個，輔助碉室17個,均為單排布置。

輔助碉室最小抵抗線為7m。實際巷道工程量478m,裝藥量92.7t,崩落實方18000011?。

爆破后形成10?20m厚的廢石覆蓋層。

在露天坑底境界礦柱保護(hù)下，在過渡期采用地下空場法回采后轉(zhuǎn)為崩落法時，廢

石覆蓋層的形成可以根據(jù)具體條件來確定。如原采用分段法、留礦法等時，當(dāng)?shù)V房采

完后，在回采房間礦柱及坑底境界礦柱時，可采用大爆破方式一次崩落礦柱，即可形

成良好的礦石墊層，再用大爆破崩落邊坡或上下圍巖或回填剝離廢石形成廢石覆蓋

層。崩落的礦石墊層大部分可在下幾個分段中逐步回收。如大廟24號礦體，在第一

9

階段采用分段采礦法，回采礦房之后，用深孔將所有礦柱一次崩落，圍巖隨即自行崩

落至地表，形成良好的廢石覆蓋層，為第二階段改為無底柱分段崩落法假造了必要的

條件。該礦初始廢石覆蓋層的厚度為25?70m,崩落廢石塊度與礦石塊度大致相同。

按覆蓋層與回采工作的先后順序，有集中放頂、邊回采邊放頂、先放頂后回采及

預(yù)留礦石墊層形成覆蓋層的方法：

（1）集中放頂形成覆蓋層，利用第一分段的采空區(qū)作為補償空間，在放頂區(qū)側(cè)

部布置鑿巖巷道，從中鉆鑿扇形深孔，爆破放頂深孔形成覆蓋層。這種方法的放頂工

作集中，工藝簡單，不需要運出部分廢石，也不需要切割；但由于需在暴露大面積巖

層之后才能放頂，故工作的可靠性與安全性差。

（2）邊回采邊放頂形成覆蓋巖層，是指在第一分段上部掘進(jìn)放頂巷道，在其中

鉆鑿與回采炮孔排面大體相一致的扇形深孔，并與回采一樣形成切割槽。以礦塊作為

放頂單元，邊回采邊放頂，逐步形成覆蓋巖層。此法安全可靠，但工藝復(fù)雜，回采和

放頂必須嚴(yán)格配合。

（3）先放頂后回采形成覆蓋巖層，指回采之前，在礦體圍巖中，掘進(jìn)一層或兩

層放頂鑿巖巷道，并在其中鑿扇形炮孔，用崩落礦石的方法崩落圍巖，形成覆蓋巖層。

回采工作安全可靠，但放頂工程量大，而且要運出部分廢石。

（4）采用礦石墊層形成覆蓋層，將礦體上部2?3分段的礦石崩落，實施松動放

礦，放出崩礦量的30%左右，余者暫留空區(qū)作為墊層。隨著工作面的推進(jìn)，圍巖暴露

面積逐漸增大，圍巖暴露時間也在增長，待達(dá)到一定數(shù)量之后，圍巖將自然崩落，并

逐漸增加到崩落高度，形成足夠厚度的巖石墊層。巖石墊層形成后放出暫留礦石墊層,

進(jìn)入正?；夭伞＿@種方式費用最低，但要積壓大量礦石和實施嚴(yán)格放礦管理。止匕外，

對采空區(qū)巖石崩落情況要進(jìn)行可靠的觀測。

對于地下無底柱分段崩落法的廢石覆蓋層的最小厚度一方面應(yīng)滿足放礦和擠壓

爆破的需要，另一方面必須確保生產(chǎn)安全。一般認(rèn)為，最小厚度應(yīng)保持20m以上。在

生產(chǎn)實踐中，國內(nèi)礦山也均參照這一經(jīng)驗數(shù)據(jù)，但理論根據(jù)并不充分。因此，對廢石

覆蓋層的最小厚度尚須進(jìn)一步研究。

1.3.6露天開采邊坡管理

露天轉(zhuǎn)地下復(fù)合開采條件下巖體變形和移動所誘發(fā)的露天邊幫的穩(wěn)定性問題，是

10

近年來采礦界關(guān)注的重要論題之一。露天轉(zhuǎn)地下開采的工程穩(wěn)定性問題既不同于單一

的露天開采，又不同于單純的地下開采，復(fù)合開采礦山的巖體經(jīng)歷露天和地下二次開

挖擾動，應(yīng)力場和位移變化比較復(fù)雜。隨著露天開挖的進(jìn)行，由于卸載作用，邊幫巖

體內(nèi)的能量逐步得以釋放，露天采動影響范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，巖體也產(chǎn)生

相應(yīng)的變形和滑移，系統(tǒng)處在一種動態(tài)平衡的變化之中。露天開挖末期或結(jié)束后進(jìn)行

的地下開采，會對露天采動影響范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生二次擾動，表現(xiàn)為地下采動效應(yīng)對

原來平衡體系的干擾或作用，使得兩種采動效應(yīng)相互影響和擾動，形成一個復(fù)合動態(tài)

變化系統(tǒng)。因此，為了保證露天邊坡和上覆巖層的穩(wěn)定性，有必要開展露天轉(zhuǎn)地下開

采時的邊坡穩(wěn)定性研究。對邊坡穩(wěn)定性的研究時，要綜合考慮露天和地下采動兩方面

的影響，進(jìn)行多因素分析。通過工程地質(zhì)調(diào)查、計算機數(shù)值分析等研究手段，尋找地

下巷道、邊坡周圍壓力的變化特性，找出邊坡應(yīng)力場的分布規(guī)律。并針對研究的結(jié)果

采取必要的安全措施，確保露天開采時邊坡的穩(wěn)定，同時還要制定露天轉(zhuǎn)地下開采過

渡時期的邊坡管理辦法，納入礦山生產(chǎn)管理之中。

我國露天開采的產(chǎn)量所占的比重相當(dāng)大，鐵礦石占77%,有色金屬礦石占52%,

化工原料占70.7%左右，建筑材料近似為100%,其中有近40%露天礦不同程度存在

邊坡穩(wěn)定性問題。例如，江西新余鋼鐵公司良山鐵礦、江西銅業(yè)公司德興銅礦和永平

銅礦、大冶有色金屬公司銅錄山銅礦、攀鋼礦業(yè)公司石灰石礦和朱家包包鐵礦、眼前

山鐵礦、水廠鐵礦、南山鐵礦、姑山鐵礦、城門山銅礦、新橋硫鐵礦、金堆城銅礦、

大冶鐵礦、南芬鐵礦、酒泉鋼鐵公司黑溝鐵礦等主要金屬非金屬露天礦山大中型邊坡

都出現(xiàn)滑坡和邊坡穩(wěn)定性問題。

1）邊坡失穩(wěn)的原因分析

（1）邊坡巖體的變形特征及破壞形式

巖體邊坡的變形以未出現(xiàn)貫通性的破壞面為特點，但在坡體的局部區(qū)域，特別是

在坡面附近可能出現(xiàn)一定程度的裂隙與錯動，而整體未產(chǎn)生滑動破壞，邊坡的變形主

要表現(xiàn)為松動和蠕動。裂隙切割巖體向臨空方向松開、移動的松動是一種斜坡卸荷回

彈的過程和現(xiàn)象。松動發(fā)育的坡體部位，即松動帶使坡體強度降低，使坡體內(nèi)各種應(yīng)

力活躍，是邊坡變形與破壞的初始表現(xiàn)。邊坡體在應(yīng)力長期作用下內(nèi)部產(chǎn)生一種緩慢

的調(diào)整性蠕動變形，是邊坡趨于破壞的演化過程。表層蠕動破碎的巖質(zhì)斜坡及回填斜

坡構(gòu)成的剪變帶，其變形位移由坡面向坡體內(nèi)部逐漸降低直至消失；深層蠕動主要發(fā)

11

生在坡體相對軟弱巖層或沿軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空方向緩慢的移動變形。

露天邊坡變形發(fā)展到一定程度將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。其破壞形式主要有崩踏與滑

坡，同時還有滑塌等，且常常是相互聯(lián)系和相互制約的。高陡邊坡以坡前緣崩塌為主,

伴隨滑塌和淺層滑坡，再演變?yōu)樯顚踊隆r體在重力與其它外力共同作用下超過巖

體強度而引起的崩塌由基座蠕動造成斜坡解體而成，且斜坡逐次后退，規(guī)模逐漸減小。

裂隙水凍結(jié)而產(chǎn)生的楔形效應(yīng)、靜水壓力及地震、雷擊等動力荷載，都會誘發(fā)巖體產(chǎn)

生崩塌破壞。滑坡是坡體內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面在重力作用下而產(chǎn)生的整體滑動，滑動速度與

崩塌相比較緩慢。平面滑動存在簡單平面剪切滑動、階梯式滑坡和多滑塊滑動等模式;

旋轉(zhuǎn)剪切滑動面成弧形狀，易發(fā)生于巖體中的單個顆粒與邊坡尺寸比小的，且又不是

相互咬合的，因而廢石邊坡、高蝕變和風(fēng)化巖石邊坡也傾向這種破壞形式。松散巖土

的坡角大于它的內(nèi)摩擦角時，順坡滑移、滾動與座塌的滑塌與風(fēng)化營力、地表水、人

工開挖坡角及振動等外力作用緊密相關(guān)。

（2）邊坡穩(wěn)定的影響因素

影響露天坑邊坡穩(wěn)定的因素，除考慮巖體的結(jié)構(gòu)特點、水文地質(zhì)條件、地形地貌

特征，還應(yīng)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)發(fā)育史，分析各種營力因素的作用及變化過程。

巖體結(jié)構(gòu)面特征對邊坡應(yīng)力場的影響主要表現(xiàn)為由于巖體的不均和不連續(xù)性，使

沿結(jié)構(gòu)面周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中或應(yīng)力阻滯現(xiàn)象。它構(gòu)成了邊坡變形與破壞的控制性條

件，從而形成不同類型變形與破壞機制。邊坡結(jié)構(gòu)面周邊應(yīng)力集中的形式主要取決于

結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與主壓應(yīng)力的關(guān)系。結(jié)構(gòu)面與主壓應(yīng)力平行，將在結(jié)構(gòu)面端點部位和應(yīng)

力阻滯部位出現(xiàn)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，從而形成向結(jié)構(gòu)面兩側(cè)發(fā)展的張裂。結(jié)構(gòu)面與

主壓應(yīng)力垂直，將發(fā)生平行結(jié)構(gòu)面方向拉應(yīng)力，或在端點部位出現(xiàn)垂直于結(jié)構(gòu)面的壓

應(yīng)力，有利于結(jié)構(gòu)面壓密實和邊坡穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面與主壓應(yīng)力斜交，結(jié)構(gòu)面周邊主要為

剪應(yīng)力集中，并在端點附近或應(yīng)力阻滯部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)呈300?400。交角，將出

現(xiàn)最大剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，對邊坡穩(wěn)定十分不利，易于沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移，出現(xiàn)折

線型蠕滑裂隙系統(tǒng)，變形和破壞較劇烈。

在自然力和人工作用下，揭露了控制邊坡穩(wěn)定的主要軟弱結(jié)構(gòu)面，形成或擴大了

臨空面，從而使邊坡失去支撐，導(dǎo)致邊坡變形與破壞；施工程序不當(dāng)，坡頂開挖進(jìn)度

慢而坡腳開挖進(jìn)度快，加陡斜坡或形成倒坡時，坡頂及坡面張力帶范圍擴大，坡腳應(yīng)

力集中帶的最大剪應(yīng)力也隨之增大，會導(dǎo)致邊坡變形與破壞。

12

風(fēng)化作用使邊坡巖體強度減小，巖石風(fēng)化越深，邊坡穩(wěn)定性越差，穩(wěn)定坡角越小。

邊坡巖土親水性較強或易溶礦物成分，如矽卡巖浸水易軟化、泥化或崩解，對邊坡穩(wěn)

定性危害大。

露采區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的變化、地震、爆破、地下水靜水壓力和動水壓力，以及生產(chǎn)

施工荷載等都使邊坡直接受力，對其穩(wěn)定的影響直接而迅速。礦區(qū)西南、東南存在較

大的水平構(gòu)造殘余應(yīng)力，此部位邊坡巖體的臨空面應(yīng)力集中，表現(xiàn)為加劇應(yīng)力分異現(xiàn)

象。坡腳、坡面、坡頂張力帶最明顯。雨水滲入，地下水位抬高。邊坡不透水結(jié)構(gòu)面

上受到靜水壓力作用，削弱了該面上的法向應(yīng)力，降低了抗滑阻力;坡體內(nèi)動水壓力會

增加沿滲流方向的推力。地震特別是炮震引起坡體振動使坡體反復(fù)振動沖擊，軟弱結(jié)

構(gòu)面咬合松動，抗剪強度降低或完全失去結(jié)構(gòu)強度，穩(wěn)定性下降甚至失穩(wěn)。

2）露天邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞是復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害過程。露采邊坡穩(wěn)定性分析可采用定性分析

法和定量分析法。定性分析法包括工程類比法和圖解法，定量分析法主要是極限平衡

法、極限分析法、可靠度分析法等。

（1）極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性

極限平衡法是目前應(yīng)用極為廣泛的一種方法，根據(jù)邊坡破壞滑動面分為Fellerius

法、Bishop法、Janbui法、Sarma法等。雖然每種方法都有它適應(yīng)的條件和范圍，但

其三個大前提是相同的：①滑動面上巖體提供的抗剪強度S與作用在滑動面上垂直應(yīng)

力S存在關(guān)系式S=C+<5tans中；②穩(wěn)定系數(shù)F為最危險破壞面作用的最大抗滑力（或

力矩）與下滑的比值；③二維（平面）極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。

（2）最危險滑面和穩(wěn)定系數(shù)限值的確定

極限平衡法分析中尋找最危險滑面，實際上是找出安全系數(shù)最小那個滑面，找出

安全系數(shù)函數(shù)網(wǎng)㈤的最小值，即/Min=Min/（X）｝為潛在滑面安全系數(shù)，是滑面幾何

尺寸、力學(xué)性質(zhì)等因素的函數(shù)。X是N維向量控制著第i個滑面幾何形狀和位置。危

險滑面的確定必須對安全系數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化的過程產(chǎn)生最小安全數(shù)值，同時確認(rèn)最小安

全系數(shù)的滑面。

穩(wěn)定系數(shù)限值F,的確定在邊坡工程分析中具有重要意義。我國《巖土工程勘察規(guī)

范》規(guī)定：①新設(shè)計邊坡，對一級邊坡工程國值宜采用1.3?1.5；二級邊坡工程宜采

用1.15?1.3；三級邊坡宜采用1.05?1.15。②驗算已有邊坡的穩(wěn)定性,Rs可采用1.10-

13

1.25o當(dāng)需對邊坡加載、增加坡角或開挖坡腳時，應(yīng)按新設(shè)計的邊坡選用人值。

3）邊坡監(jiān)測與預(yù)報及防治

應(yīng)成立邊排工段專門負(fù)責(zé)邊坡的監(jiān)測、預(yù)報及治理的管理工作，具體如下：

（1）露天邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)報

為了發(fā)現(xiàn)隱患，消除危害，有效地采取防止或整治滑坡措施，保證露天邊坡的正

常使用，就必須對露天坑邊坡建立觀測網(wǎng)，定期和不定期進(jìn)行位移、地下水等的動態(tài)

觀測。觀測結(jié)果為研究確認(rèn)滑坡的類型、移動規(guī)律、預(yù)防整治措施等提供寶貴的資料,

而且可以判斷滑坡的危害程度。同時，還必須密切注意滑坡體附近地下水的變化情況。

如地表水、地下水流向、流量、渾濁度等。

邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法建立位移觀測網(wǎng)觀測邊坡滑動動態(tài)是研究和管理邊坡有效

方法之一，是其它觀測方法的基礎(chǔ)。光電測距儀、自動擺平水準(zhǔn)儀和激光經(jīng)緯儀的綜

合利用，大大提高了觀測速度和精度。布置方法有十字交叉網(wǎng)法、方格網(wǎng)法等6種，

前兩種運用較多。

（2）監(jiān)測資料的分析與滑坡的預(yù)報

通過一定時間的多次動態(tài)觀測，對各種觀測項目的全部資料進(jìn)行系統(tǒng)的整理與分

析，確定主軸方向、滑坡周界、變形速率、受力性質(zhì)，判斷滑動面形狀，估算滑體厚

度。露采邊坡預(yù)報分為區(qū)域性趨勢預(yù)報和場地性預(yù)報。長期的區(qū)域性趨勢預(yù)報必須與

短期的場地性預(yù)報相結(jié)合。場地性預(yù)報預(yù)先判定是某一個具體邊坡能否發(fā)生滑坡及滑

動特征，滑速、滑動出現(xiàn)的時刻。

（3）露天邊坡滑坡的預(yù)防和治理

對露采邊坡滑坡災(zāi)害要以預(yù)報預(yù)防為主，全面規(guī)劃，選擇最佳治理方案。定性要

準(zhǔn)、措施要穩(wěn)、養(yǎng)護(hù)要勤。具體要做到對大中型復(fù)雜滑坡應(yīng)采取一次性根治與分期治

理相結(jié)合的原則，針對原因采取綜合措施，治早治小，防患于未然，因地制宜，從實

際出發(fā)，設(shè)計、施工都應(yīng)積極采用、推廣和發(fā)展先進(jìn)技術(shù)、注意施工方法，出現(xiàn)急劇

變形征兆時，必須采取果斷有效的應(yīng)急工程措施防止滑坡。

滑坡的成因極其復(fù)雜，各種原因主次有別，有主有輔。事先排放地表水及地下水,

可采用截水溝、排水溝、急流槽來攔截和排引地表水，用泄水隧洞，截水滲溝、盲溝

排水使地下水不再進(jìn)人或停留在滑坡范圍內(nèi)，并排除和疏干已有的水，增加邊坡的穩(wěn)

定性。采用在滑坡舌部或中前部修建各種形式的抗滑擋墻，在坡體上修建各種多級擋

14

墻，阻擋滑坡體的滑動。如鋼軌樁式抗滑墻、鋼混凝土式擋墻、抗滑樁、鋼混凝土柱、

片石擋土墻等;采用把滑體上部主滑和牽引地段的土石方挖去，填在坡下部的抗滑段，

反壓阻滑，改善坡邊，減少下滑力，增加抗滑力，提高邊坡的穩(wěn)定性;采用鉆孔水泥灌

漿法提高邊坡巖體強度，采用在邊坡及平臺上植樹植被防止滑坡，穩(wěn)定邊坡等方法。

以上治理措施，相互配合使用是既安全可靠、又經(jīng)濟(jì)合理的方法。

與其它邊坡工程相比，露天礦邊坡工程有其自身的特殊性，決定了邊坡穩(wěn)定性研

究的復(fù)雜與困難，而礦山企業(yè)對邊坡穩(wěn)定性認(rèn)識不夠，投入太少。為了保證露天礦邊

坡的穩(wěn)定性，在安全生產(chǎn)的條件下達(dá)到少剝離多采礦或者延深開采，增加礦山服務(wù)年

限，在金屬非金屬露天礦山大中型邊坡的穩(wěn)定性調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，建議進(jìn)行如