任鳳玉 李海英 周勝利 王春賢

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.海南礦業(yè)股份有限公司，海南 昌江 572700)

露天轉地下過渡期協(xié)同開采方法研究

任鳳玉1李海英1周勝利2王春賢2

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.海南礦業(yè)股份有限公司，海南 昌江 572700)

在我國冶金礦山露天轉地下的過渡期，由于露天與地下開采相互干擾，造成過渡期安全生產條件差和產量銜接困難，這一問題多年來一直沒有得到很好解決。針對過渡期露天開采境界內底部礦量、地下開采掛幫礦量的常用開采模式，提出了掛幫礦地下誘導冒落法開采方案，并從擴展露天地下同時開采時間與空間的需要出發(fā)，研究了露天境界細部優(yōu)化方法以及露天地下協(xié)同生產技術，由此研發(fā)出露天地下協(xié)同開采方法。理論分析與海南鐵礦實際應用表明，該方法可顯著改善安全生產條件和有效提高露天轉地下過渡期生產能力。

露天轉地下 協(xié)同開采 誘導冒落 境界細部優(yōu)化

我國約90%的露天鐵礦山均已進入深部開采，其中許多深凹露天礦已經或陸續(xù)轉入地下開采。在露天轉地下開采的過渡期，由于受邊坡巖移威脅，露天與地下生產相互干擾[1]，不僅安全條件差，而且產量銜接困難，致使大型鐵礦山一般都是減產甚至停產過渡，嚴重影響了礦山企業(yè)的經濟效益。

在已有研究中，基本上都是立足于保持邊坡穩(wěn)定的條件下，改善露天與地下的開采環(huán)境以及加大露天地下同時開采時間。其中國外研究主要集中于露采極限深度、露天與地下不同時空的聯(lián)合開采方法以及露天地下開采風險防控等技術[2-3]；國內研究主要集中于露天地下開采界線、開拓系統(tǒng)銜接方式、掛幫礦采礦方法選擇、露天地下安全生產技術等[4-9]。這些研究成果，雖然為礦山確定過渡期采礦方法與安全生產技術提供了選擇空間，但由于未能解決過渡期生產相互干擾問題，導致未能從根本上解決安全條件差和產量銜接困難的技術難題。為解決這一難題，需要針對過渡期礦體現(xiàn)有開采條件，充分利用露天與地下開采的工藝優(yōu)勢，統(tǒng)籌構建露天與地下安全高效開采模式與工藝技術，研發(fā)露天地下協(xié)同開采方法。

1 協(xié)同開采模式

露天轉地下過渡期為露天與地下同時生產時期，其礦石生產的大系統(tǒng)由露天開采與地下開采2個子系統(tǒng)組成，其中露天開采的空間逐漸減小，地下開采的空間逐漸增大，最終露天開采系統(tǒng)消失，地下開采系統(tǒng)躍升為礦石生產的大系統(tǒng)。在此過渡過程中，針對露天開采境界內底部礦量、地下開采境界外掛幫礦量的常規(guī)開采模式(見圖1)，研究過渡期露天與地下開采系統(tǒng)的相互影響與相互協(xié)作關系，分析影響礦石產量的控制因素，充分利用露天與地下生產系統(tǒng)之間的協(xié)同作用[10-11]，拓展露天地下同時開采的時間與空間，應是增大過渡期礦石生產能力的最佳途徑。

圖1 過渡期露天地下同時生產模式

在圖1生產模式中，采動巖移與爆破振動是影響露天地下同時生產的主要因素，為盡可能拓展同時開采空間增大產能。第一、需要研究可控制邊坡巖移危害的回采工藝方法，有效減小露天與地下采礦作業(yè)的影響范圍；第二、需根據露天與地下開采優(yōu)勢對比結果，細部優(yōu)化露天開采境界，推后露天開采結束時間與提前地下初始開采時間，以延長露天地下同時生產時間；第三、需充分利用露天開拓系統(tǒng)的現(xiàn)有工程，加快地下采準進程，快速發(fā)展壯大地下開采系統(tǒng)，盡早形成地下生產能力；第四、系統(tǒng)構建露天與地下的安全保障系統(tǒng)，包括露天采場安全防護措施和爆破藥量控制、地下采空區(qū)冒落危害防治措施等，以確保生產安全。

總之，在露天轉地下過渡期，針對礦體開采條件，解決邊坡巖移危害控制難題，據此研究露天地下協(xié)同開采技術，充分發(fā)揮露天地下開采協(xié)同作用，才能更好地實現(xiàn)安全高效的開采目標。

2 掛幫礦誘導冒落采礦法

過渡期地下開采的掛幫礦量，通常是露天開采的剩余礦體，其水平面積呈上小下大，而且在露天開采卸荷與爆破振動的作用下，礦巖結構弱面進一步發(fā)育、擴張，從而使礦巖強度弱化易于冒落?，F(xiàn)今常用的無底柱分段崩落法、空場法與空場嗣后充填法，均不能很好地適應掛幫礦體的開采條件，其中空場法與空場嗣后充填法都需要限制采場尺寸或采取支護措施保護邊坡的穩(wěn)定性，從而使開采效率受到影響。此外，采動損傷邊坡圍巖的強度，增大了邊坡巖移危害的風險；而無底柱分段崩落法破壞邊坡，需與露天采場保持一定的安全距離，初始回采時間受到限制。為消除這種露天與地下開采的時空干擾關系與改善安全生產條件，就需要針對掛幫礦體的特點改進采礦方法，使之既具有足夠大的開采效率，又不嚴重影響露天生產安全。按此需求，本研究提出了誘導冒落法開采方案，采場結構如圖2所示，將誘導工程布置在掛幫礦體內標高較低的位置，采用適應的回采順序與采空區(qū)高度，使其在回采過程中形成體積足夠大的連續(xù)采空區(qū)，誘導上部礦巖自然冒落[12]，冒落的礦石在下部1～2個分段回采過程中按計劃回收。

圖2 掛幫礦誘導冒落法開采方案示意

為使冒落礦巖全部落入塌陷坑內，誘導工程的回采高度需滿足下式：

式中，h為采空區(qū)平均高度，m；H為誘導工程底板至地表的平均高度,m；R為誘導工程回采范圍的等價圓半徑，m；η為礦巖平均碎脹系數(shù)；β為巖移角，(°)。

如果誘導工程的回采跨度小于礦巖持續(xù)冒落跨度，可利用多分段回采空間誘導上覆礦巖自然冒落，此時需要在回采工作面采取散體防護措施，防治采空區(qū)冒落的沖擊危害。

此外，如果掛幫礦邊坡高陡，誘導冒落工程所形成的地下采空區(qū)的容量不足以存放上部可能發(fā)生巖移的散體量時，可能有部分散體落入露天采場。此時，需進行露天邊坡滾石試驗，根據滾石落點范圍，于適宜臺階或坑底設置防護壩，防治邊坡滾石危害，確保露天生產安全。

研究表明，圖2所示的誘導冒落法，通過調整回采順序與回采高度來控制露天邊坡巖移方向，使其避開或背離露天采場，從而可避免邊坡巖移對露天采場的威脅。通過降低誘導工程的位置高度，推遲地下開采對露天邊坡擾動的時間，可提前地下初始開采的時間。通過大量節(jié)省落礦工程和增大首采分段的回采面積，可大幅提高開采強度，快速增大地下生產能力。

3 露天開采境界優(yōu)化

合理延長露天地下同時開采的時間，是增大過渡期產能的有效措施。為此，在選取適宜的采礦方法與回采工藝，提前地下開采的同時，需要對露天開采境界進行細部優(yōu)化，推后露采結束的時間。細部優(yōu)化的方法是，對開采境界附近的每一礦體或礦體的每一部位，分別進行地下與露天2種方式的開采方案設計，對比各方案的技術經濟指標，比選出每種方式的最佳方案。在此基礎上，綜合考慮開采的難易程度以及最佳方案下的礦石安全回采指標，優(yōu)選出露天或地下開采方案，由此確定露天開采的最佳境界。經過細部優(yōu)化后，露天開采礦量一般顯著增大，回采時間得以延長，且可使境界附近礦量得到經濟高效開采，實現(xiàn)境界資源開采效益的最大化。

以海南鐵礦為例，該礦原設計露天開采境界的最低標高為0m，0m以下礦體全部地下開采。由于礦體形態(tài)復雜多變，夾層較多，如此劃分境界，使得E3a～E5a線之間及E2a以西的一些露天境界外的淺部礦量、孤立小礦體與邊角礦量地下開采的采準系數(shù)過大、且礦石損失率大。為此，本著有利于安全生產與經濟效益最大化的原則，按照前面所述的露天開采境界細部優(yōu)化方法，將露天坑底由0m水平優(yōu)化到-72m水平，從而使不便于地下開采的礦量得到安全高效開采(見圖3)。海南鐵礦露天開采境界的細部優(yōu)化結果是，露天可采礦量增大640萬t，隨之露天開采時間可比設計延長30個月，露天地下同時開采時間增大36個月，有效增大了過渡期產能，為實現(xiàn)露天轉地下過渡期產量平穩(wěn)過渡創(chuàng)造了條件。

圖3 海南鐵礦露天境界優(yōu)化前后對比

4 露天地下協(xié)同開采方法

掛幫礦誘導冒落采礦方法與露采境界細部優(yōu)化兩大主要技術問題的解決，為過渡期協(xié)同開采創(chuàng)造了條件。在此基礎上，協(xié)同露天地下開采時空與功能，便可構成露天地下協(xié)同開采方法，具體內容見圖4。

圖4 露天地下協(xié)同開采方法

分析得出，露天地下協(xié)同開采方法，除了可充分利用露天與地下開采的工藝優(yōu)勢外，還可利用巖體冒落規(guī)律與散體流動規(guī)律[13-14]簡化回采工藝，因此可取得更大的增效降耗效果。

5 結 論

(1)針對露天轉地下過渡期的常用生產模式，研究露天地下協(xié)同開采方法，是解決過渡期安全生產條件差和產量銜接困難的有效途徑。

(2)采用誘導冒落法開采掛幫礦，通過協(xié)調地下回采順序與回采高度引導巖移方向使之指向塌陷坑，可大幅降低露天地下露天開采的相互干擾，同時設置必要的防護工程防治巖移對露天采場的沖擊，能有效防治地采巖移危害。

(3)對比露天與地下開采方案的礦石回采指標與開采難易程度，對露天開采的境界礦量進行露天與地下開采的細部境界優(yōu)化，可顯著提高境界礦量的開采效益，并便于延長露天與地下同時生產的時間。

(4)露天轉地下開采過渡期的生產效率，主要取決于露天地下擴展時空的協(xié)同，回采順序的協(xié)同，產能計劃的協(xié)同以及開拓系統(tǒng)、巖移管控、覆蓋層形成、生產危害防治、安全生產信息傳送等的協(xié)同。解決好這些協(xié)同技術，形成適合礦山條件的露天地下協(xié)同開采方法，可大幅度提高過渡期的開采效率。

(5)理論研究與海南鐵礦應用實踐表明，本研究提出的露天地下協(xié)同開采方法，通過安全擴展露天地下開采的空間與時間、增大露天地下同時回采的工作面、大量節(jié)省落礦工程減小采準系數(shù)及提高境界礦量的回采率，可有效提高露天轉地下過渡期產能，實現(xiàn)穩(wěn)產或增產過渡。

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(責任編輯 徐志宏)

Research on Synergetic Mining during Transition Period from Open Pit to Underground

Ren Fengyu1Li Haiying1Zhou Shengli2Wang Chunxian2

(1.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Hainan Mining Limited Company，Changjiang 572700，China)

During the transition period from open pit to underground mining，a series of difficult problems occur due to the open pit and underground mining unintended mutual interferences，which lead to poor safety condition and low productivity.This problem still has not been solved.Aimed at the normal production model at the bottom of open pit and the hanging-wall of the underground during the period，a coproduction mode of underground induced caving for hanging wall ores was put forward.From the view of extending the time and space needed by the simultaneous mining of open pit and underground，the optimization of open pit boundary and the synergetic production of open pit and underground mining are investigated.Then，the synergetic mining method for open pit and underground are explored.The theoretical analysis and operational experience of Hainan Iron Mine showed that this approach can significantly improve the safety conditions and raise the capacity of ore production in the transition period.

Transition from open pit to underground mining，Synergetic mining，Induced caving，Optimization of mining boundary

2014-06-05

“十二五”國家科技支撐項目 (編號：2013BAB02B08)，國家自然科學基金重點項目(編號：50934006)。

任鳳玉(1956—)，男，教授，博士生導師。

TD853.3

A

1001-1250(2014)-11-007-04