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东北大学硕士学位论文摘要 大杏山铁矿露天转井下境界顶柱优化研究 摘要 在露天矿山开采后期，许多矿山都面临向井下开采过渡的问题。矿山由露天 开采向井下开采过渡过程较复杂，对露天底境界顶柱进行优化是这个过渡期很重 要的课题，它涉及到矿山生产的平稳过渡和安全生产等多个方面。以往针对类似 的采矿问题，大多是依靠经验法，通过工程类比得出一个合适的方案。这种方法 在采矿业的发展过程中起到了非常重要的作用，现在仍被广泛采用。但由于采矿 对象力学性质和开采条件的复杂性，有时工程类比的方法并不能很好的解决具体 矿山的开采问题，这就需要采用更适合矿山开采的方法来研究开采过程中出现的 问题。数值模拟方法的出现为解决矿山开采优化问 题提供了一个很好的途径。 本论文在查阅大量资料的基础上，结合大杏山铁矿露天转井下境界顶柱优化 的问题，采用数值模拟的方法对开采进行了优化研究。首先分析了我国金属矿山 露天转井下的生产现状，搜集了大杏山铁矿开采的基础资料，比较全面的掌握了 大杏山铁矿开采的条件;论文介绍了进行采矿优化常用的方法和一般步骤;在分 析采矿优化设计的数值模拟方法基础上，介绍了基于有限元法的露天转井下境界 顶柱优化的一般步骤;针对大杏山铁矿的开采条件，采用三维有限元软件建立了 数值模拟的三维地质模型，针对可能的开采情况制定了不同的数值模拟方案，并 应用三维有限元软件进行了数值模拟;最后整理数值模拟的结果，对比分析几个 模拟方案，得出了一个数值模拟的最佳结果，为矿山生产设计提供了有价值的参 考。 关键词:露天转井下境界顶柱有限元数值模拟 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c s t u d y o n t h e b o u n d a r y r o o f p i l l a r o p t i m i z a t i o n i n t h e t r a n s i t i o n f r o m s u r f a c e mi n i n g t o u n d e r g r o u n d mi n i n g i n d a x i n g s h a n mi n e ab s t r a c t a t t h e l a t e r m i n i n g s t a g e , a l o t o f o p e n c a s t m i n e s a r e f a c e d w i t h t h e t r a n s i t i o n s t a g e fr o m s u r f a c e m i n i n g t o u n d e r g r o u n d m i n i n g , w h i c h i s v e ry c o m p l i c a t e d . i n t h i s p e r i o d , i t i s a v e r y i m p o rt a n t s u b j e c t o f t h i s t r a n s i t i o n p e r i o d t o o p t i m i z e t h e b o u n d a r y p i l l a r s o f o p e n m i n e b o tt o m , f o r i t w o r k s o n m a n y as p e c t s , li k e t h e s m o o t h t r a n s i t i o n o f m i n e p r o d u c t i o n a n d s a f e t y i n p r o d u c t i o n . i n t h e p as t , s i m i l a r p r o b l e m s w e r e s o l v e d b y p r o j e c t a n a l o g y i n d e p e n d e n c e o f e x p e r i e n c e s . t h i s m e t h o d o f a n a l o g y p l a y s a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e m i n i n g in d u s t ry a n d i s o f t e n u s e d p r e s e n t l y . b e c a u s e o f t h e c o m p l e x i t y o f m e c h a n i c a l p r o p e rt y a n d m i n i n g c o n d i t i o n s , s o m e p ro b l e m s c a n n o t b e s o m e t i m e s s o l v e d b y a n a l o g y , l i k e m i n i n g e x p l o i t a t i o n . t h e r e f o r e , i t i s n e c e s s a ry t o u s e t h e m o r e s u i t a b l e m e t h o d t o s o l v e t r o u b l e s d u r i n g t h e p r o c e s s o f t h e e x p l o i t a t i o n . s o , t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d i s v e ry g o o d f o r m i n i n g o p t i m i z a t i o n . i n t h e p a p e r , a l a r g e n u m b e r o f i n f o r m a t i o n i s r e f e r r e d a n d t h e n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s a d o p t e d t o o p t i m i z e t h e b o u n d a r y p i l l a r s i n t h e t r a n s i t i o n fr o m s u r f a c e m i n i n g t o u n d e r g r o u n d m i n i n g o f d a x in g s h a n m i n e . f i r s t l y , t h e s t a t u s o f t h e p r o d u c t i o n i s b e e n a n a l y z e d o f fr o m s u r f a c e m i n i n g t o u n d e r g r o u n d m i n i n g o f t h e m e t a l m i n e s i n o u r c o u n t ry; s e c o n d l y , t h e d a x i n g s h a n m i n e s b asic e x p l o i t i n g d a t u m a r e c o l l e c t e d a n d t h e e x p l o i t i n g c o n d i t i o n s o f t h e m i n e a r e g r a s p e d ; t h i r d l y , i t i s p r e s e n t e d o f t h e u s e d - c o m m o n l y m e t h o d s a n d g e n e r a l s t e p s o f m i n i n g o p t i m i z a t i o n ; a ft e r t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n me t h o d , t h e g e n e r a l s t e p s a r e g i v e n o f t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e b o u n d a r y p i l l a r b y f e m; t h e 3 - d g e o l o g i c a l m o d e l o f d a x i n g s h a n m i n e i s s e t u p , a n d d i f f e r e n t s c h e m e s a r e c a r r i e d o n b y t h e 3 - d f i n i t e e l e m e n t s o ft w a r e ; f i n a l l y , t h e n u m e r i c a l r e s u l t s a r e a n a l y z e d , a n d b y c o m p a r i s o n , th e o p t i m a l i s o f f e r e d ; m o r e o v e r , t h e v a l u a b l e s u g g e s t i o n s a r e p u t f o r w a r d f o r t h e p r o d u c t i o n a n d d e s i g n o f m in e. k e y w o r d s : t r a n s i t i o n f r o m s u r f a c e m i n i n g t o u n d e r g r o u n d m i n i n g , b o u n d a ry p i l l a r , f i n i t e e l e m e n t , nu me r i c a l s i mu l a t i o n 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 了 乐 勇 日期 :z o e 伞 . 1 2 . 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日 期:么 廿 丫 今 导师签名 签字 日期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 问题提出 采矿业作为国民经济的基础性产业，为社会的发展提供原料和能源供应，在 各国的发展历史中都占据着非常重要的作用。我国正经历着经济飞速发展时期， 工农业的发展对矿产资源的需求量达到了很高的水平。 为了应对这种发展的需要， 国家采取了 “ 两条腿”走路的政策，一方面采取措施提高我国矿业生产的能力; 另一方面积极开拓海外市场，从国外获取我们发展所需的资源，或者直接到国外 采购， 或者到国外开采矿产资源运回国内。 但是我国的海外矿业政策时时受挑战， 因而搞好我们国内的矿业生产，有重大的意义。从重要资源的拥有量来看，我们 国家除煤炭等少数几种矿产资源外，绝大多数的矿产资源均储量不足。用最小的 生产成本和最低程度的环境破坏为代价，获得尽可能多的矿产资源，对我们国民 经济的发展和矿业企业的发展都是至关重要的。 过去我国的采矿业大多数走的是低技术、简单设备、劳动密集型的生产方式， 企业不注重科技的投入，现在人们的这种观念正在逐渐转变，对科学技术越来越 重视。随着科学技术的突飞猛进，采矿领域也不断创新和进步，出现了各种高效 的采掘设备、先进的采矿方法， 信息时代的许多先进的高科技都己经应用到了 采 矿领域。同时我们看到采矿所面临的对象是岩体，而岩体又是一种非常复杂的地 质结构体。一定范围内的岩体均由多种岩石构成，每种岩石中所包含的 矿物成分 又各不相同，其力学性能也都不一样。岩体是非常复杂的非连续、非均匀和各向 异性体，其力学形态和本构关系，既不是单一的线弹性的，也不是简单的弹塑性 的或粘弹塑性的，而是表现出非常复杂的非线性。另一方面，矿山开采又是一个 复杂的过程，这个开挖不是一次完成的，要经历不同时期才会结束。对非线性的 矿岩体来说， 不同的开采方法、不同的凿岩方式都会影响到岩体稳定性， 这直接 关系到采矿的安全性、经济性。因而我们在进行采矿作业时总是力求采取最合理 的开采方式来回采，包括对矿山岩石力学的研究，对采矿方法的研究，对采掘设 备的研究。采矿业的快速发展也正体现了 研究的不断深入。 由于采矿对象 ( 岩体)力学性质的复杂性，采用不同的采矿方法和回采工艺、 回采顺序都会使开采呈现不同的状态，影响到矿石回采贫化率、损失率指标，有 的甚至会决定采矿是否能进行下去，对不同的矿山应该区别对待。因此我们在进 行采矿开采设计时，很有必要进行优化，选择出适合具体矿山实际的合理、安全、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 问题提出 采矿业作为国民经济的基础性产业，为社会的发展提供原料和能源供应，在 各国的发展历史中都占据着非常重要的作用。我国正经历着经济飞速发展时期， 工农业的发展对矿产资源的需求量达到了很高的水平。 为了应对这种发展的需要， 国家采取了 “ 两条腿”走路的政策，一方面采取措施提高我国矿业生产的能力; 另一方面积极开拓海外市场，从国外获取我们发展所需的资源，或者直接到国外 采购， 或者到国外开采矿产资源运回国内。 但是我国的海外矿业政策时时受挑战， 因而搞好我们国内的矿业生产，有重大的意义。从重要资源的拥有量来看，我们 国家除煤炭等少数几种矿产资源外，绝大多数的矿产资源均储量不足。用最小的 生产成本和最低程度的环境破坏为代价，获得尽可能多的矿产资源，对我们国民 经济的发展和矿业企业的发展都是至关重要的。 过去我国的采矿业大多数走的是低技术、简单设备、劳动密集型的生产方式， 企业不注重科技的投入，现在人们的这种观念正在逐渐转变，对科学技术越来越 重视。随着科学技术的突飞猛进，采矿领域也不断创新和进步，出现了各种高效 的采掘设备、先进的采矿方法， 信息时代的许多先进的高科技都己经应用到了 采 矿领域。同时我们看到采矿所面临的对象是岩体，而岩体又是一种非常复杂的地 质结构体。一定范围内的岩体均由多种岩石构成，每种岩石中所包含的 矿物成分 又各不相同，其力学性能也都不一样。岩体是非常复杂的非连续、非均匀和各向 异性体，其力学形态和本构关系，既不是单一的线弹性的，也不是简单的弹塑性 的或粘弹塑性的，而是表现出非常复杂的非线性。另一方面，矿山开采又是一个 复杂的过程，这个开挖不是一次完成的，要经历不同时期才会结束。对非线性的 矿岩体来说， 不同的开采方法、不同的凿岩方式都会影响到岩体稳定性， 这直接 关系到采矿的安全性、经济性。因而我们在进行采矿作业时总是力求采取最合理 的开采方式来回采，包括对矿山岩石力学的研究，对采矿方法的研究，对采掘设 备的研究。采矿业的快速发展也正体现了 研究的不断深入。 由于采矿对象 ( 岩体)力学性质的复杂性，采用不同的采矿方法和回采工艺、 回采顺序都会使开采呈现不同的状态，影响到矿石回采贫化率、损失率指标，有 的甚至会决定采矿是否能进行下去，对不同的矿山应该区别对待。因此我们在进 行采矿开采设计时，很有必要进行优化，选择出适合具体矿山实际的合理、安全、 东北大学硕士学位论文 经济的开采方式。现有的矿山开采大致可分为露天开采 第一章绪论 、井下开采、露天井下联 合开采等几种形式，这主要是受矿体地质赋存条件的限制。露天开采结束后向井 下开采过渡是许多矿山面临的问题，这个过渡过程能否顺利进行无疑将会影响到 矿山井下生产能否正常生产。国内的 矿山 在这个过程中有失败的例子，结果是导 致过渡时期产量急聚下降，生产衔接不上，有的则是使大量的矿石永久损失，开 采条件恶化。首钢大石河矿区的杏山铁矿开采己经接近设计的最终露天开采境界， 现已采到+ 1 5 m水平，矿山露天开采设计到一 3 3 m水平，面临着向并下开采转变的 过程，矿山也就面对怎样实现优化开采的问题，本文旨 在对露天转井下进行数值 模拟，寻找出露天底境界顶柱稳定参数，为矿山生产设计提供有价值的参考。 1 .2 本项研究的目的与意义 采矿方法的选择除了受地层、矿体自 身条件限制外，还受到安全、经济和环 境要求的约束，影响采矿设计和决策的因素非常多。以往人们在进行采矿设计时 大多是通过工程类比总结出一个合适的方案，依靠经验的积累。这种方法在采矿 业的发展过程中也是起到了非常重要的作用的，并且现在也一直在使用。有许多 的矿山用类比得出的采矿方案也很好的解决了生产问题。 但是采矿是一个复杂的系统工程，随着开采条件越来越差，必须用系统论的 原则、不确定性和非线性研究方法、多目 标决策理论才能更好的解决采矿设计的 优化问题。云庆夏教授认为，控制论的方法最适宜从系统角度综合研究采矿工程 中的错综复杂的问题， 研究在以下三上方面有很好的应用前景: ( 1 ) 在战略决策方 面解决重大问题，( 2 )在矿山生产过程中解决开采问题，( 3 ) 矿山经营管理中提 高经济效益。另外一些学者提出在我国的高校开设矿山系统工程方面的专业，以 便更好的指导矿业生产。可见人们认识到矿山开采的复杂性，影响开采的因素是 多方面的，要用系统论的观点来分析。但是对具体的矿山而言，要求的目 标侧重 是不一样的。对新建的矿山，矿山开采只受矿体赋存条件、开采技术条件、技术 装备水平、工人技能水平等因素的影响，在应用系统论进行优化时也就能得出当 时的合理、全面的开采方案，从工业场地的布置、基建工程的设计、采矿方法的 选择到采场结构的选择、回采顺序、地压控制等都可以 有具体的优化考虑;对己 经开采过一段时间的老矿山来说，要想进行开采的优化也就只能对矿山系统的局 部进行考虑了。开采工序很多，采矿设备也多样复杂，这就决定了采矿优化涉及 到多方面，具体到开采工艺的各个因素，采用的优化方法也是不一样的。优化有 定量的也有定性的，有精确的也有模糊的，视具体的对象而定。 涉及到采场开采顺序和结构参数时，用数值模拟的方法进行优化是伴随计算 东北大学硕士学位论文 经济的开采方式。现有的矿山开采大致可分为露天开采 第一章绪论 、井下开采、露天井下联 合开采等几种形式，这主要是受矿体地质赋存条件的限制。露天开采结束后向井 下开采过渡是许多矿山面临的问题，这个过渡过程能否顺利进行无疑将会影响到 矿山井下生产能否正常生产。国内的 矿山 在这个过程中有失败的例子，结果是导 致过渡时期产量急聚下降，生产衔接不上，有的则是使大量的矿石永久损失，开 采条件恶化。首钢大石河矿区的杏山铁矿开采己经接近设计的最终露天开采境界， 现已采到+ 1 5 m水平，矿山露天开采设计到一 3 3 m水平，面临着向并下开采转变的 过程，矿山也就面对怎样实现优化开采的问题，本文旨 在对露天转井下进行数值 模拟，寻找出露天底境界顶柱稳定参数，为矿山生产设计提供有价值的参考。 1 .2 本项研究的目的与意义 采矿方法的选择除了受地层、矿体自 身条件限制外，还受到安全、经济和环 境要求的约束，影响采矿设计和决策的因素非常多。以往人们在进行采矿设计时 大多是通过工程类比总结出一个合适的方案，依靠经验的积累。这种方法在采矿 业的发展过程中也是起到了非常重要的作用的，并且现在也一直在使用。有许多 的矿山用类比得出的采矿方案也很好的解决了生产问题。 但是采矿是一个复杂的系统工程，随着开采条件越来越差，必须用系统论的 原则、不确定性和非线性研究方法、多目 标决策理论才能更好的解决采矿设计的 优化问题。云庆夏教授认为，控制论的方法最适宜从系统角度综合研究采矿工程 中的错综复杂的问题， 研究在以下三上方面有很好的应用前景: ( 1 ) 在战略决策方 面解决重大问题，( 2 )在矿山生产过程中解决开采问题，( 3 ) 矿山经营管理中提 高经济效益。另外一些学者提出在我国的高校开设矿山系统工程方面的专业，以 便更好的指导矿业生产。可见人们认识到矿山开采的复杂性，影响开采的因素是 多方面的，要用系统论的观点来分析。但是对具体的矿山而言，要求的目 标侧重 是不一样的。对新建的矿山，矿山开采只受矿体赋存条件、开采技术条件、技术 装备水平、工人技能水平等因素的影响，在应用系统论进行优化时也就能得出当 时的合理、全面的开采方案，从工业场地的布置、基建工程的设计、采矿方法的 选择到采场结构的选择、回采顺序、地压控制等都可以 有具体的优化考虑;对己 经开采过一段时间的老矿山来说，要想进行开采的优化也就只能对矿山系统的局 部进行考虑了。开采工序很多，采矿设备也多样复杂，这就决定了采矿优化涉及 到多方面，具体到开采工艺的各个因素，采用的优化方法也是不一样的。优化有 定量的也有定性的，有精确的也有模糊的，视具体的对象而定。 涉及到采场开采顺序和结构参数时，用数值模拟的方法进行优化是伴随计算 东北大学硕士学 位论文第一章绪论 机的使用而逐渐成熟起来的。这种方法的应用对矿山系统工程的实现有非常重要 的作用。数值模拟通过对矿山开采矿岩体的数值化的再现，尽可能真实的反映出 开采的实际过程， 使我们能揭示开采过程中采场周围岩体的受力情况和位移变化。 我国大中型露天矿多建于 5 06 0年代，多数己 进入深凹开采，面临露天转井下开 采的问题。由于对露天转井下的岩体力学问题注意不够，常发生像白银有色金属 公司露天转井下开采的地压危害，急待用矿山岩体力学的基本原理去研究关键的 围岩与边坡岩体稳定性问题，以 及露天与井下开采工艺的相互影响、产量的平稳 过渡与采场参数优化等问题。数值模拟的理论和方法都是很成熟的了，也有许多 成功应用的例子。但研究对象不是规则的、不变的，总是呈现出多样性，需要建 立不同的模型才能解决具体的问题。因而需要我们用数值模拟的研究工具去探求 不同的课题， 积累更多的使用经验，使数值模拟的方法在工程中的应用进一步完 善。本文所研究的课题也正是用现有的数值模拟工具来模拟露天转井下这样一个 具体的工程，探索解决这类问题的方法，找到理论、方法与工程相结合的方法。 1 . 3 研究内容及思路 矿山在进行露天转井下过程中涉及的问题很多，对露天底境界顶柱的优化研 究只是一部分，而要用数值模拟的方法来研究就需要分析矿山的工程地质情况和 岩体的力学性质，了解矿山现在的开采现状，用数值模拟软件构建矿山开采的数 学模型，研究分析得出确保露天底境界的顶柱稳定的合理参数计算方法。具体的 研究思路如下图所示: 分析我国金属矿山露天转井 卜 生产现状 研究矿山工程地质调查及矿岩稳固性评价 分析采矿设计优化的目标、步骤与方法 露天转井下境界项柱数值模拟研究 土要结论 图 1 . 1 研究思路流程图 f i g . 1 . 1 t h e fl o wc h a r t o f t h e s t u d y t h i n k i n g . _ 东北大学硕士学 位论文第一章绪论 机的使用而逐渐成熟起来的。这种方法的应用对矿山系统工程的实现有非常重要 的作用。数值模拟通过对矿山开采矿岩体的数值化的再现，尽可能真实的反映出 开采的实际过程， 使我们能揭示开采过程中采场周围岩体的受力情况和位移变化。 我国大中型露天矿多建于 5 06 0年代，多数己 进入深凹开采，面临露天转井下开 采的问题。由于对露天转井下的岩体力学问题注意不够，常发生像白银有色金属 公司露天转井下开采的地压危害，急待用矿山岩体力学的基本原理去研究关键的 围岩与边坡岩体稳定性问题，以 及露天与井下开采工艺的相互影响、产量的平稳 过渡与采场参数优化等问题。数值模拟的理论和方法都是很成熟的了，也有许多 成功应用的例子。但研究对象不是规则的、不变的，总是呈现出多样性，需要建 立不同的模型才能解决具体的问题。因而需要我们用数值模拟的研究工具去探求 不同的课题， 积累更多的使用经验，使数值模拟的方法在工程中的应用进一步完 善。本文所研究的课题也正是用现有的数值模拟工具来模拟露天转井下这样一个 具体的工程，探索解决这类问题的方法，找到理论、方法与工程相结合的方法。 1 . 3 研究内容及思路 矿山在进行露天转井下过程中涉及的问题很多，对露天底境界顶柱的优化研 究只是一部分，而要用数值模拟的方法来研究就需要分析矿山的工程地质情况和 岩体的力学性质，了解矿山现在的开采现状，用数值模拟软件构建矿山开采的数 学模型，研究分析得出确保露天底境界的顶柱稳定的合理参数计算方法。具体的 研究思路如下图所示: 分析我国金属矿山露天转井 卜 生产现状 研究矿山工程地质调查及矿岩稳固性评价 分析采矿设计优化的目标、步骤与方法 露天转井下境界项柱数值模拟研究 土要结论 图 1 . 1 研究思路流程图 f i g . 1 . 1 t h e fl o wc h a r t o f t h e s t u d y t h i n k i n g . _ 东北大学硕士学 位论文 第二章我国金属矿山露天转井下生产现状 第二章我国金属矿山露天转井下生产现状 2 . 1 露天转井下开采简介 2 . 1 . 1 露天转井下开采的特点 露天转井下开采的矿山一般多是己用露天开采多年，并形成了完整的生产系 统和生活设施，如选厂、修理厂、供电和供水管网以及露天坑等，这些矿山的矿 体多数延伸较深、覆盖层不厚、多为中厚或厚大的急倾斜矿床，这类矿床初期采 用露天开采，当露天开采不断延深后，这些矿山逐步由露天开采向井下开采过渡 最终全面转向井下开采。矿山的产量尽可能少受影响，矿石少损失，采矿工艺能 顺利衔接。井下开采也应尽可能利用露天开采的相关工程和设施等有利因素。露 天转井下开采的矿山，整个矿山的开采期一般要经过露天开采期、露天与井下联 合开采的过渡期和井下开采期三个阶段，在这三个阶段中，矿山的开采强度和矿 山企业的生产能力是各不相同的，因此，在考虑露天转井下开采的开采工艺及工 程布置时，必须研究与矿山矿床赋存条件及开采技术条件相适应的开采强度和生 产能力，以求获得经济效益的最大化。国内外露天转井下开采矿山的经验表明， 当矿山充分利用了露天与井下开采的有利工艺特点时，统筹规划露天与井下开采 的工程布置，可以使矿山的基建投资减少 2 5 % -5 0 % ，过渡期生产成本降低 2 5 % 左 右。 露天转井下有以下几个特点: ( 1 )过渡期长，地质工作、 采矿设计、采准工程须先行。 对要实现露天转井下开采的矿山来说，早期的地质工作不一定能满足将来井 下开采生产的需要，这就有必要在露天采场没破坏之前施工地质工程，把矿岩的 变化情况摸清，进一步升级矿山的储量，为井下 采矿设计做好准备。露天转井下 作为过渡时期的工程，有承上启下的作用.需要提前做矿山整体开采的规划设计 工作，使露天开采 ( 特别是露采后期)的设计充分考虑到矿山能顺利的转到井下 开采，矿山和设计单位都要早做准备，实现露天转井下的平稳过渡。大多数的矿 山为了在过渡时期实现稳产，都采用露天开采和井下开采结合的方式。要根据设 计做好周密的安排，在露天开采后期就要施工露天转井下开采的采准工程，使露 采工程和地采工程有机结合，相互利用，减少相互之间的不利影响。 ( 2 )采场地压复杂，必须开展现场监测和力学研究工作。 东北大学硕士学 位论文 第二章我国金属矿山露天转井下生产现状 第二章我国金属矿山露天转井下生产现状 2 . 1 露天转井下开采简介 2 . 1 . 1 露天转井下开采的特点 露天转井下开采的矿山一般多是己用露天开采多年，并形成了完整的生产系 统和生活设施，如选厂、修理厂、供电和供水管网以及露天坑等，这些矿山的矿 体多数延伸较深、覆盖层不厚、多为中厚或厚大的急倾斜矿床，这类矿床初期采 用露天开采，当露天开采不断延深后，这些矿山逐步由露天开采向井下开采过渡 最终全面转向井下开采。矿山的产量尽可能少受影响，矿石少损失，采矿工艺能 顺利衔接。井下开采也应尽可能利用露天开采的相关工程和设施等有利因素。露 天转井下开采的矿山，整个矿山的开采期一般要经过露天开采期、露天与井下联 合开采的过渡期和井下开采期三个阶段，在这三个阶段中，矿山的开采强度和矿 山企业的生产能力是各不相同的，因此，在考虑露天转井下开采的开采工艺及工 程布置时，必须研究与矿山矿床赋存条件及开采技术条件相适应的开采强度和生 产能力，以求获得经济效益的最大化。国内外露天转井下开采矿山的经验表明， 当矿山充分利用了露天与井下开采的有利工艺特点时，统筹规划露天与井下开采 的工程布置，可以使矿山的基建投资减少 2 5 % -5 0 % ，过渡期生产成本降低 2 5 % 左 右。 露天转井下有以下几个特点: ( 1 )过渡期长，地质工作、 采矿设计、采准工程须先行。 对要实现露天转井下开采的矿山来说，早期的地质工作不一定能满足将来井 下开采生产的需要，这就有必要在露天采场没破坏之前施工地质工程，把矿岩的 变化情况摸清，进一步升级矿山的储量，为井下 采矿设计做好准备。露天转井下 作为过渡时期的工程，有承上启下的作用.需要提前做矿山整体开采的规划设计 工作，使露天开采 ( 特别是露采后期)的设计充分考虑到矿山能顺利的转到井下 开采，矿山和设计单位都要早做准备，实现露天转井下的平稳过渡。大多数的矿 山为了在过渡时期实现稳产，都采用露天开采和井下开采结合的方式。要根据设 计做好周密的安排，在露天开采后期就要施工露天转井下开采的采准工程，使露 采工程和地采工程有机结合，相互利用，减少相互之间的不利影响。 ( 2 )采场地压复杂，必须开展现场监测和力学研究工作。 东 北大学硕士学位论文第二章 我国 金属矿山霉天转井下生产现状 在露天转井下开采的条件下，形成了一个露天开采、境界矿柱和挂帮矿开采、 主矿体井下开采的统一采空区，而且其形状十分复杂。采空区地质力学过程的特 点是，同一岩体区段上受到数个应力场的作用，使应力与变形状态很不均匀，给 转井下开采带来了一系列地压问题。因为露天开采快结束，大多数的边坡存在时 间都比较长，稳定性受开采的影响较大，如果同时进行井下开采，则矿岩的受力 情况就更加复杂，因此现场的监测工作就越加重要了。采用有限元的方法来研究 露天转井下开采时期的应力分布规律，位移容易发生的区段，采动对边坡稳定的 影响等，对平稳过渡是很有益的。有条件还可以进行露天坑底回填岩石附加压载 对边坡及坑底应力分布产生有利的影响，井下开采顺序优化等的计算研究工作。 3 )安全技术要求高 一般露天转井下的矿山都是在露天开采没有结束的时候就开始施工井下工 程，在露天开采时要考虑避免或防止井下井巷和采矿场的破坏，同时井下开采还 不能影响露天采场的正常作业和安全生产，这需要研究整天采场和井下开采的合 理顺序，大多数的矿山还存在回收边坡矿的问题，从露天底的那个位置开始采， 采用什么样的采矿方法，都会影响到露天转井下能否成功。 为了避免或防止露天爆破对井下井巷和采矿场的破坏作用，在井下工程与露 天采场底之间应保持足够的距离。临近露天底的穿爆作业不要超深，控制露天爆 破的装药量;采用分段微差爆破，挤压爆破等减震措施，避免使用桐室爆破。同 时要防止露天与井下爆破的相互影响。 在井下开采岩体移动界线以外的来水方向上，应采取措施或增设防洪堤、截 水沟，拦截地表径流经露天采场涌入井下，在井下与露天沟通的井巷或采空区要 采取防水措施，必要时要设置防水闸门。要确保水泵房的正常运转和防止泥沙水 突然溃入井下。 2 . 1 . 2露天转井下开采的常用回采过渡方案 回采过渡方案是指在露天转井下开采的过渡期间，为了矿石产量持续，在井 下开采的上部边界与露天底 ( 边坡)之间，根据矿床的具体条件，在露天开采的 同 时 用某种井下采矿方法回 采一定数量的 石。主 要有下例几种方案: 1 3 1 ( 1 )分段空场法 ( 留矿法)留境界项柱方案。 采用这种方案是在境界顶柱以下回采矿体，境界顶柱的回采则是在露天开采 结束后进行。如我国凤凰山铁矿，1 9 7 3 - 1 9 7 6年由露天转井下开采的过渡期间。 在露天坑底留设7 -1 0 m厚境界顶柱， 井下用深孔留矿法回采矿房， 暂留矿柱。 在 放矿阶段，在拉底水平以上留6 -7 m厚的矿石缓冲层以保护境界顶柱等矿柱回采 东 北大学硕士学位论文第二章 我国 金属矿山霉天转井下生产现状 在露天转井下开采的条件下，形成了一个露天开采、境界矿柱和挂帮矿开采、 主矿体井下开采的统一采空区，而且其形状十分复杂。采空区地质力学过程的特 点是，同一岩体区段上受到数个应力场的作用，使应力与变形状态很不均匀，给 转井下开采带来了一系列地压问题。因为露天开采快结束，大多数的边坡存在时 间都比较长，稳定性受开采的影响较大，如果同时进行井下开采，则矿岩的受力 情况就更加复杂，因此现场的监测工作就越加重要了。采用有限元的方法来研究 露天转井下开采时期的应力分布规律，位移容易发生的区段，采动对边坡稳定的 影响等，对平稳过渡是很有益的。有条件还可以进行露天坑底回填岩石附加压载 对边坡及坑底应力分布产生有利的影响，井下开采顺序优化等的计算研究工作。 3 )安全技术要求高 一般露天转井下的矿山都是在露天开采没有结束的时候就开始施工井下工 程，在露天开采时要考虑避免或防止井下井巷和采矿场的破坏，同时井下开采还 不能影响露天采场的正常作业和安全生产，这需要研究整天采场和井下开采的合 理顺序，大多数的矿山还存在回收边坡矿的问题，从露天底的那个位置开始采， 采用什么样的采矿方法，都会影响到露天转井下能否成功。 为了避免或防止露天爆破对井下井巷和采矿场的破坏作用，在井下工程与露 天采场底之间应保持足够的距离。临近露天底的穿爆作业不要超深，控制露天爆 破的装药量;采用分段微差爆破，挤压爆破等减震措施，避免使用桐室爆破。同 时要防止露天与井下爆破的相互影响。 在井下开采岩体移动界线以外的来水方向上，应采取措施或增设防洪堤、截 水沟，拦截地表径流经露天采场涌入井下，在井下与露天沟通的井巷或采空区要 采取防水措施，必要时要设置防水闸门。要确保水泵房的正常运转和防止泥沙水 突然溃入井下。 2 . 1 . 2露天转井下开采的常用回采过渡方案 回采过渡方案是指在露天转井下开采的过渡期间，为了矿石产量持续，在井 下开采的上部边界与露天底 ( 边坡)之间，根据矿床的具体条件，在露天开采的 同 时 用某种井下采矿方法回 采一定数量的 石。主 要有下例几种方案: 1 3 1 ( 1 )分段空场法 ( 留矿法)留境界项柱方案。 采用这种方案是在境界顶柱以下回采矿体，境界顶柱的回采则是在露天开采 结束后进行。如我国凤凰山铁矿，1 9 7 3 - 1 9 7 6年由露天转井下开采的过渡期间。 在露天坑底留设7 -1 0 m厚境界顶柱， 井下用深孔留矿法回采矿房， 暂留矿柱。 在 放矿阶段，在拉底水平以上留6 -7 m厚的矿石缓冲层以保护境界顶柱等矿柱回采 东 业大学硕士学位论文第二章 我国 金属矿山露天转井下生产现状 的安全，然后用钻机从露天坑向下穿孔爆破境界矿柱，并在爆破矿柱的同时，崩 落一定数量的顶盘围岩形成覆盖层，以后转而应用阶段崩落法回采。 这种方法可使露天与井下同时进行开采，可弥补露天开采末期减少的产量， 能维持矿山的持续均衡生产，同时对露天采场积水的渗透起滞缓作用，并能降低 井下开采的漏风量。缺点是境界顶柱的矿石回采率低，贫化率大，回采境界顶柱 的掘进工程量和投资大。 ( 2 )分段空场法回采不留境界项柱方案 该方案与方案 ( 1 )的区别在于不专门设境界顶柱，将分段空场法最上部一个 分段的高度适当加大。随着露天采场最末一个阶段推进的结束，采用分区逐段由 露天转入井下回采。在矿房回采的末期，由间柱的上盘嗣室爆破一定数量的上盘 围岩，其余空区的处理取决于岩石的自 然崩落条件。随着第一阶段回采矿块的不 断结束，围岩和顶盘逐渐冒 落形成覆盖层，转而采用崩落法回采。 该方案的优点是没有回采境界顶柱和爆破围岩的作业，可提高境界顶柱的矿 石回采率，降低矿石的贫化率。该法的缺点是在露天开采末期，井下不能与露天 在同一垂直面内同时回采，且在露天采场的积水将直接灌入井下，增加井下排水 设施及其工程量和排水费用，增大井下开采初期的漏风量，对于多雨和雨量较大 且汇水面积较大的露天矿不适宜。 t 3 )充填回采矿房暂留矿柱过渡方案 该方案矿房回采工艺基本与分段空场留矿法一致，不同的是在矿房回采以后， 用废石胶结充填采空矿房，使露天矿的回采作业更安全可靠。该法主要用于开采 价值高的贵金属和多金属或其它富矿体。 采用这个方案可使露天与并下同时进行开采，生产相对安全可靠，露天境界 顶柱可起阻隔露天坑内的积水渗透作用，并可降低井下采区的漏风系数，同时境 界顶柱的矿石回收率高、贫化率低。但是这种方案回采充填工艺复杂且经营费高。 ( 4 )废石充填法回采过渡方案 该方案与胶结充填不同的仅是充填性质有改变，由 胶结充填改用废石 ( 尾砂 等)充填。它主要用于矿岩不稳固，露天开采矿体面积不大，价值不十分高以及 矿柱矿量不大或不再回收矿柱的矿山。 此方法比 胶结充填法的充填工艺简单，废石利用率高，成本低，但会造成较 大的贫化和损失。 ( 5 )分段崩落法回采前形成覆盖层过渡方案 这个方案在回采过程中不需要将矿块划分成矿房和矿柱，而以整个矿块作为 回采单元，按一定的回采顺序用崩落法进行连续回采，所以不必留设境界顶柱。 为安全生产和挤压爆破以及放矿的需要， 应留厚不小于 1 5 -2 0 m的矿石 ( 或岩石) 作覆盖层。 东北大学 硕士学 位论文第 二章我国金属矿山露天转井下生产现状 该方案不需要留境界顶柱，同时采用崩落法的回采效率高、成本低。但在同 一矿区中没有其它矿段存在可以调节产量时，在形成覆盖岩层的短时期内，必将 停止生产而影响矿山的持续生产。且形成覆盖层的工程也较其它方法大。与预留 顶柱的方法相比，渗水和漏风大。这种过渡方案一般在价值不高且矿区较大，有 调节余地而不致严重影响产量的矿山应用较好。 ( 6 )用阶段崩落法 ( 分段崩落法)开采，在回采过程中形成覆盖层过渡方案 该方案的特点和回采工艺基本与回采前形成覆盖层过渡的方案一致，但其覆 盖层的形成可在第一阶段出矿后，在放矿末期爆破一定数量的顶盘岩石造成覆盖 层。 该方法的优点基本与回采前形成覆盖层的崩落法过渡方案一致，但是可以不 全面停止露天开采的生产即可在井下随采随崩的进行回采，它一般适用于可分期 ( 分区)进行露天转井下开采或在矿区附近有其它矿山可调节产量的矿山。 从上述的几种回采过渡方案可以看出， 露天转井下过渡方案的选取主要是根 据矿床的赋存特点，矿体价值和开采技术条件以及露天矿地面设施的布置，露天 坑开采的具体特点等几个因素综合确定的。方案的选择一般都需要通过技术经济 比较来确定，尽量实现在保证安全生产的前提下过渡时期矿山能正常持续生产， 使矿山的产量不至于出现较大的波动，同时考虑建设周期短，投资要少。通常因 为矿山开采的复杂性，大多数的矿山都不能把这些问题全解决好，只能是在解决 矛盾的主要问题时，兼顾其它的方面。 2 .2 露天转井下矿山生产中对境界项柱厚度的选取 露天转井下是复杂的过程，它既不同于新建一个井下矿山，也不仅仅是露天 开采的简单结束，涉及到许多的问题，诸如过渡方案的选取，过渡开采的建设周 期和生产衔接，露天边坡的防护，境界顶柱厚度与覆盖层形成等问题。本文要论 述的大杏山铁矿选用的是境界留顶柱的采矿过渡方案，要进行研究的就是选择合 适的境界顶柱厚度，在顶柱下采用合理的回采顺序，实现露天与井下生产的安全 j顷 利过渡。 对于采用两步骤回采的过渡方案，都需要留境界顶柱，对于境界项柱安全厚 度的选取，大多数矿山都是参考类似矿山的经验来确定的。它主要取决于矿岩的 稳固性和爆破技术 ( 包括露天与井下) ， 在国内，对矿岩稳固的矿山， 其厚度一般 在 1 0 m左右，有的也取回采矿房跨度的一半。国外则认为，当矿岩的普氏 ( f )系 数介于 5 - 1 2之间时，顶柱的厚度必须等于或大于矿房的跨度，实际矿房的顶柱 厚度为 1 0 -3 0 m。如我国的凤凰山铁矿，过渡时期采用深孔留矿法，后改阶段崩 东北大学 硕士学 位论文第 二章我国金属矿山露天转井下生产现状 该方案不需要留境界顶柱，同时采用崩落法的回采效率高、成本低。但在同 一矿区中没有其它矿段存在可以调节产量时，在形成覆盖岩层的短时期内，必将 停止生产而影响矿山的持续生产。且形成覆盖层的工程也较其它方法大。与预留 顶柱的方法相比，渗水和漏风大。这种过渡方案一般在价值不高且矿区较大，有 调节余地而不致严重影响产量的矿山应用较好。 ( 6 )用阶段崩落法 ( 分段崩落法)开采，在回采过程中形成覆盖层过渡方案 该方案的特点和回采工艺基本与回采前形成覆盖层过渡的方案一致，但其覆 盖层的形成可在第一阶段出矿后，在放矿末期爆破一定数量的顶盘岩石造成覆盖 层。 该方法的优点基本与回采前形成覆盖层的崩落法过渡方案一致，但是可以不 全面停止露天开采的生产即可在井下随采随崩的进行回采，它一般适用于可分期 ( 分区)进行露天转井下开采或在矿区附近有其它矿山可调节产量的矿山。 从上述的几种回采过渡方案可以看出， 露天转井下过渡方案的选取主要是根 据矿床的赋存特点，矿体价值和开采技术条件以及露天矿地面设施的布置，露天 坑开采的具体特点等几个因素综合确定的。方案的选择一般都需要通过技术经济 比较来确定，尽量实现在保证安全生产的前提下过渡时期矿山能正常持续生产， 使矿山的产量不至于出现较大的波动，同时考虑建设周期短，投资要少。通常因 为矿山开采的复杂性，大多数的矿山都不能把这些问题全解决好，只能是在解决 矛盾的主要问