露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層安全結(jié)構(gòu)和邊坡變形動力沖擊與控制研究

1、露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層安全結(jié)構(gòu)和邊坡變形動力沖擊與控制研究,第二屆金屬礦采礦科學(xué)技術(shù)前沿論壇,內(nèi) 容 提 要,一、前言 二、露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層安全結(jié)構(gòu)與合理厚度研究 三、露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡變形動力沖擊演化機(jī)理及其控制研究 四、結(jié)語,一、前 言,我國冶金礦山80%的礦石量來自于露天開采。經(jīng)過幾十年開采，目前大多數(shù)大中型露天礦山已經(jīng)進(jìn)入中后期開采，很多礦山的開采方式已由山坡開采轉(zhuǎn)入凹陷開采。 由于大型鐵礦床多數(shù)為傾斜和急傾斜礦體，埋藏延深較大。凹陷開采深度超過400m500m后繼續(xù)進(jìn)行露天擴(kuò)幫開采，不但經(jīng)濟(jì)上不合理，而且造成土地的大面積占用和剝離的大量廢石對生態(tài)環(huán)境的破壞。 露天轉(zhuǎn)地下開采是集露天

2、和地下兩種工藝優(yōu)點(diǎn)為一體的綜合性開采技術(shù)。可以使礦山基建投資減少25%50%，生產(chǎn)成本下降25%左右。因此，露天轉(zhuǎn)地下開采是大量礦山的必然選擇,與國外相比，我國金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的整體技術(shù)水平仍然相對落后，困難和存在問題較多。 對露天轉(zhuǎn)地下開采過渡時機(jī)把握不準(zhǔn)確，過渡期過長或太短，不能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，造成企業(yè)生產(chǎn)能力的波動，甚至減產(chǎn)、停產(chǎn)。 對露天和地下開采缺少統(tǒng)一的全面規(guī)劃，露天和地下兩類相關(guān)的采礦工程設(shè)施不能有效地相互利用，露天與地下不配套、不協(xié)調(diào)，不僅浪費(fèi)資金，而且很難進(jìn)行大規(guī)模、高效率強(qiáng)化開采,一、前 言,含有大量礦石的境外卦幫礦和零散礦體由于沒有完善的回收技術(shù)而被損失掉，或者回收率

3、太低，損失貧化大，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。 露天轉(zhuǎn)地下開采過程中邊坡和地下巖層共同變形、相互影響，引發(fā)的地壓活動規(guī)律和單一開采模式有很大不同，造成的邊坡和地下采場失穩(wěn)破壞情況更為復(fù)雜和嚴(yán)重。 對覆蓋層作用機(jī)理認(rèn)識不清，處理不當(dāng)，造成通風(fēng)、排水系統(tǒng)負(fù)荷增大，并可造成泥石流等災(zāi)害事故，加大了地下開采的風(fēng)險和成本,一、前 言,同時，露天轉(zhuǎn)地下開采是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，過程環(huán)節(jié)多，影響因素復(fù)雜。要實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開采的平穩(wěn)過渡，既要提高生產(chǎn)能力、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化開采，又要保證生產(chǎn)安全，難度很大。 為了解決我國金屬露天礦轉(zhuǎn)地下開采過程帶有共性的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下開采的平穩(wěn)過渡和安全高效生產(chǎn)，“露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)

4、調(diào)安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究”被列入“十一五”國家科技支撐計(jì)劃，首鋼杏山鐵礦為課題研究的工程依托單位,一、前 言,以安全和效益為目標(biāo)，圍繞露天轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡和安全高效生產(chǎn)5個方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的試驗(yàn)研究： 露天轉(zhuǎn)地下開采滿足六大功能的覆蓋層的安全結(jié)構(gòu)、合理厚度及其形成技術(shù)； 露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、采礦方法與工藝、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)的最佳銜接技術(shù)； 露天轉(zhuǎn)地下開采過程中邊坡及巖層變形、破壞實(shí)時監(jiān)測及預(yù)測預(yù)報技術(shù)，揭示礦山地壓災(zāi)害事故的發(fā)生機(jī)理和內(nèi)在規(guī)律,一、前 言,露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)的安全高效采礦工藝技術(shù)； 露天轉(zhuǎn)地下開采安全生產(chǎn)綜合技術(shù)和自動化安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng) 上述5個

5、方面關(guān)鍵技術(shù)，對應(yīng)了露天轉(zhuǎn)地下開采的各個環(huán)節(jié)。各技術(shù)環(huán)節(jié)相互依賴、相互支撐、相互匹配，構(gòu)建一個整體優(yōu)化的技術(shù)體系。保證首鋼杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的平穩(wěn)過渡和安全高效生產(chǎn)，提升礦山的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益的最大化,一、前 言,二、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,覆蓋層的主要功能,防沖擊地壓 形成擠壓爆破端部放礦條件 滯水作用 減少漏風(fēng) 防寒保暖 預(yù)防泥石流,二、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,覆蓋層力學(xué)行為和移動特性研究,實(shí)驗(yàn)室模擬研究,模型1： 覆蓋層厚20m， 分段高度15m， 二分段放礦,模型2：覆蓋層厚40m，三分段放礦,模型3：

6、覆蓋層厚60m，兩分段放礦,覆蓋層力學(xué)行為和移動特性研究,實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論,結(jié)論1：露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層隨地下開采而沉降下移，宏觀結(jié)構(gòu)可分為兩部分: 流動層和整體下移層,結(jié)論2：流動層高度HT 取決于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、放礦制度。并受礦巖塊度、濕度等因素的影響,結(jié)論3：流動層的結(jié)構(gòu) 流動層巖石塊度最好接近地下采場礦石塊度。塊度過大，容易出現(xiàn)懸拱現(xiàn)象；塊度過細(xì)，巖石容易侵入到放出橢球體中，過早侵蝕出現(xiàn)貧化,塊度過大造成的懸拱,粒度過細(xì)造成侵蝕貧化,結(jié)論4：整體下移層高度取決于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，受覆蓋層滲流特性、竄風(fēng)特性、溫變特性等因素所控制,覆蓋層物料的水滲透特性,滲透系數(shù)的測定試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝備與材料,滲透實(shí)驗(yàn)裝置,滲

7、透實(shí)驗(yàn)所用物料,不同粒徑組成覆蓋層的滲透系數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同孔隙比下粗粒土的滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不均勻系數(shù)不同時的滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同曲率系數(shù)時滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果,覆蓋層的竄風(fēng)特性,實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn) 為了研究分析覆蓋層的漏風(fēng)參數(shù)及其影響因素，并進(jìn)行了7種不同孔隙率條件下的漏風(fēng)實(shí)驗(yàn),覆蓋層的竄風(fēng)特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 漏風(fēng)系數(shù)與覆蓋層厚度的關(guān)系,漏風(fēng)系數(shù)與覆蓋層厚度間滿足指數(shù)關(guān)系，隨著覆蓋層厚度的增加和孔隙率的降低，曲線下降的速度加快，礦井的漏風(fēng)量逐漸減小,覆蓋層厚度m,漏風(fēng)系數(shù),漏風(fēng)系數(shù),覆蓋層厚度m,漏風(fēng)系數(shù)與覆蓋層厚度關(guān)系圖（孔隙率38.5,漏風(fēng)系數(shù)與覆蓋層厚度關(guān)系圖（孔隙率31.77,漏風(fēng)量與覆蓋層

8、厚度的關(guān)系,覆蓋層厚度與漏風(fēng)量的關(guān)系（孔隙率31.77,漏風(fēng)量，l/s,覆蓋層厚度，m,覆蓋層厚度與漏風(fēng)量的關(guān)系（孔隙率38.5,漏風(fēng)量，l/s,覆蓋層厚度，m,不同孔隙率下的最小覆蓋層厚度,通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合，得出了不同孔隙率下為防竄風(fēng)所需的最小覆蓋層厚度,覆蓋層厚度對防寒的影響,計(jì)算模型和邊界條件 計(jì)算程序：FLUENT用于計(jì)算流體流動和傳熱問題的基于有限元方法的CFD軟件,數(shù)值計(jì)算實(shí)體模型,有限元數(shù)值計(jì)算模型,覆蓋層漏風(fēng)量的數(shù)值分析,覆蓋層厚度對防寒的影響,計(jì)算結(jié)果,不同孔隙比和覆蓋層厚度條件下的漏風(fēng)平均風(fēng)速（m/s,覆蓋層漏風(fēng)對井下溫度的影響,礦山進(jìn)路斷面為18m，則根據(jù)上表中數(shù)

9、據(jù)可得到不同孔隙率條件下覆蓋層的漏風(fēng)風(fēng)量,不同孔隙率條件下覆蓋層的漏風(fēng)風(fēng)量 （m/s,覆蓋層厚度對防寒的影響,杏山鐵礦-30-45m分段運(yùn)輸巷道井下空氣溫度為7，滲入冷風(fēng)后在進(jìn)路與運(yùn)輸巷道交叉處的溫度見下表,當(dāng)覆蓋層厚度達(dá)到40m以上時，滲漏進(jìn)入井下的冷風(fēng)對井下的空氣溫度影響比較輕微,不同孔隙率條件下覆蓋層漏風(fēng)對井下溫度影響（,預(yù)防井下泥石流災(zāi)害研究,泥石流發(fā)生的條件,對于采用崩落采礦法的露天轉(zhuǎn)地下礦山，極易滿足井下泥石流發(fā)生的三個基本條件,露天覆蓋層 露天邊坡沖積物,有大量固體物質(zhì)，即粘性土和巖石碎屑的存在,露天坑底第一分段的回采即與露天覆蓋層充分聯(lián)通,降（暴）雨短時間內(nèi)露天采坑匯集大量降水

10、、分段出礦,存在能讓泥石流流動的通道,短時內(nèi)補(bǔ)給充足的水源及誘發(fā)因素，如持續(xù)降雨、采礦活動等,預(yù)防井下泥石流災(zāi)害研究,預(yù)防泥石流發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)措施,要預(yù)防井下泥石流的發(fā)生，需要抑制、消除泥石流發(fā)生的必要條件，對露天轉(zhuǎn)地下礦山而言，可采取的措施如下,減少覆蓋層中可能產(chǎn)生泥石流的固體物質(zhì),與覆蓋層功用矛盾，工程實(shí)現(xiàn)比較困難,和采礦方法有沖突,減少、消除泥石流產(chǎn)生的通道,減少、消除覆蓋層中的補(bǔ)水能力，降低水滲透壓力,可以通過增加覆蓋層和井下的疏水通道達(dá)到目的,覆蓋層安全結(jié)構(gòu)和合理厚度的確定,整體下移層的結(jié)構(gòu)由粗料和細(xì)料兩部分組成，顆粒粒徑大于等于5mm的粗顆粒占體積比為60%70% ；顆粒粒徑小于5

11、mm的細(xì)顆粒占體積比為30%40% 。細(xì)料的滲透系數(shù)控制為10-4m/s左右，整體下移層的厚度大于20m,流動層的主要粒度構(gòu)成在300mm500mm之間。 流動層的厚度和地下崩落采礦法的分段高度有關(guān)，其最小厚度大于1.5倍的分段高度,整體下移層結(jié)構(gòu)及厚度的確定,流動層結(jié)構(gòu)及厚度的確定,覆蓋層安全結(jié)構(gòu)和合理厚度的確定,覆蓋層的總厚度由整體下移層厚度和流動層厚度兩部分組成，等于整體下移層厚度與流動層厚度相加之和,覆蓋層的總厚度,杏山鐵礦覆蓋層的總厚度為50m，分兩層鋪設(shè)，上部是整體下移層厚度約20m，下部是和礦石層接觸的流動層，約30m。整體下移層主要起防止通風(fēng)漏風(fēng)、防寒和遲滯水滲透的作用，粒度結(jié)

12、構(gòu)較細(xì)；流動層和礦石層接觸，主要起防止礦石放礦過程中過早貧化的作用，粒度結(jié)構(gòu)較粗。 實(shí)際回填時，在露天坑+10 m平臺進(jìn)行汽車高臺階礦巖散體的排放，排放高度可以滿足礦巖自然分級高度的要求。該方法簡化了回填工藝，縮短了回填周期，降低了成本，更有利于礦山控制基建時間,三、露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡和地下巖體變形破壞的演化特征及其控制研究,詳細(xì)調(diào)查了礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，礦體地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件等。 礦體圍巖穩(wěn)定性及采場的災(zāi)害特性調(diào)查與分析。 礦區(qū)4個水平8個點(diǎn)的補(bǔ)充地應(yīng)力測量,工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖穩(wěn)定性條件,工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖穩(wěn)定性條件,地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,杏山鐵礦礦區(qū)地應(yīng)力場主應(yīng)力隨深度回歸曲線,杏山鐵礦h,max

13、，h,min，和v與深度的關(guān)系,應(yīng)力值(MPa,深 度 (m,露天轉(zhuǎn)地下開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體不連續(xù)面特征、邊坡特征、地下礦體賦存特征，結(jié)構(gòu)面與邊坡面的組合切割關(guān)系及地下礦體開采影響程度的不同，對露天礦邊坡分為四個分區(qū)，分析得出、區(qū)最不穩(wěn)定,邊坡地質(zhì)分區(qū)圖,露天轉(zhuǎn)地下開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,選擇貫穿、兩區(qū)最不穩(wěn)定區(qū)域的B11剖面為相似實(shí)驗(yàn)剖面建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型的平面位置圖,模型剖面圖,模擬實(shí)驗(yàn)裝置和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng),露天轉(zhuǎn)地下開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,應(yīng)變監(jiān)測：DH-3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)(全智能化巡回?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)） 應(yīng)力監(jiān)測：ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計(jì) 失穩(wěn)破壞過程監(jiān)測：自

14、動連續(xù)數(shù)碼攝像,應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng),露天轉(zhuǎn)地下開采后，由于地下礦體的開采打破了上部邊坡巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)。引起邊坡巖體內(nèi)部應(yīng)力的不斷調(diào)整，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過巖體強(qiáng)度極限或超過邊坡巖體穩(wěn)定性能量極限時便發(fā)生破壞。其破壞是一個漸進(jìn)的、不斷擴(kuò)大的過程： 局部裂隙發(fā)生、發(fā)展裂隙貫通邊坡切割、破壞體滑移、塌落成為新的覆蓋層的一部分，并對地下開采形成沖擊新一步地下開采引起新一輪邊坡失穩(wěn)和沖擊破壞,露天轉(zhuǎn)地下開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,邊坡失穩(wěn)破壞過程,露天轉(zhuǎn)地下開采的第一階段，地下開采對坡體的切割作用較小，坡體的剪切破壞范圍較小,60水平開采后邊坡破壞形態(tài),邊坡巖體破壞形式主要是受斷層切割部分的巖體沿?cái)?/p>

15、層發(fā)生了滑移，使得斷層由局部活化轉(zhuǎn)化為全部活化，對地下開采造成一定的動力沖擊影響,z/m,90水平開采后邊坡破壞形態(tài),隨著礦體開采向深部延深，邊坡上下盤受開采影響垮落的巖體不斷下移，并在下移過程中不斷破碎，對坡腳的切割程度加劇，對上下盤邊坡巖體的破壞累積效應(yīng)不斷積累，在上下盤邊坡巖體更高處出現(xiàn)了向采空區(qū)方向發(fā)展的裂隙，且上盤裂隙張開度較下盤裂隙的張開度大,135m水平開采后邊坡破壞形態(tài),上盤邊坡巖體淺表層破壞比較嚴(yán)重。采空區(qū)處的上盤巖體破壞向深部發(fā)展，出現(xiàn)了第二次滑移，再次發(fā)生對地下開采的沖擊影響。上盤坡體裂隙不斷向巖體深部發(fā)展，一定深度范圍內(nèi)變形已超出了允許極限并發(fā)生局部變形破壞，同時也是邊

16、坡巖體下一次動力沖擊的蓄能過程,165水平開采邊坡破壞形態(tài),z/m,210水平開采后邊坡破壞形態(tài),z/m,255水平開采后邊坡破壞形態(tài),邊坡變形動力沖擊演化機(jī)理,a) 首次動力沖擊孕育階段,b) 首次動力沖擊,c) 循環(huán)動力沖擊孕育階段,d) 循環(huán)動力沖擊,坡體裂隙孕育發(fā)展,礦體采出覆蓋層下移,坡體被切割部分滑移產(chǎn)生動力沖擊影響,上部微裂隙發(fā)展,上部微裂隙發(fā)展,礦體采出覆蓋層繼續(xù)下移,坡體滑移巖體隨著開采再次發(fā)生動力沖擊影響,覆蓋層隨著開采繼續(xù)下移,坡體深部裂隙的再次孕育發(fā)展,坡體滑落后形成的覆蓋層隨著開采繼續(xù)下移,在地下礦體的初始開采階段，覆蓋層隨著礦體的采出而下移。隨著開采的進(jìn)行邊坡巖體中

17、變形能不斷積累，微裂隙不斷發(fā)展擴(kuò)張，當(dāng)開采到某一深度時，積儲的變形能突然釋放導(dǎo)致原有微裂隙的迅速擴(kuò)張貫通，從而使大塊的滑移體向下運(yùn)動沖向采場，造成了采場的動力沖擊災(zāi)害。 首次動力沖擊發(fā)生后礦體繼續(xù)向下開采，邊坡巖體又進(jìn)入下一次的變形蓄能階段，隨著礦體繼續(xù)開采又進(jìn)入下一次變形能積累與損傷微裂隙發(fā)展擴(kuò)張過程，當(dāng)繼續(xù)開采一定深度時，累積的變形能又突然釋放，大塊坡體再次滑移形成又一次動力沖擊影響。 在礦體的向下開采過程中會反復(fù)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，形成循環(huán)動力沖擊影響，不斷威脅著礦山的安全生產(chǎn),邊坡變形動力沖擊演化機(jī)理,在地下礦體的開采過程中，由于礦體采出，覆蓋層下移，打破了原有露天礦邊坡應(yīng)力平衡狀態(tài)應(yīng)力不斷

18、調(diào)整，并會導(dǎo)致循環(huán)動力沖擊災(zāi)害。 為了改善邊坡巖體的平衡狀態(tài)，必須在開采的過程中利用開采廢石等不斷回填覆蓋層下移形成的空間，保持覆蓋層的頂部標(biāo)高不變(如右圖所示)，以增強(qiáng)對邊坡巖體的支撐防止坡體突然的大范圍滑移,循環(huán)動力沖擊控制措施,動力沖擊控制措施,為了防止循環(huán)動力沖擊影響保持覆蓋層頂部標(biāo)高不變,露天轉(zhuǎn)地下邊坡變形、破壞特征及其穩(wěn)定性數(shù)值模擬 露天轉(zhuǎn)地下邊坡巖體變形規(guī)律 露天轉(zhuǎn)地下邊坡應(yīng)力變化規(guī)律 露天轉(zhuǎn)地下邊坡破壞場特征 邊坡及巖層變形實(shí)時監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報技術(shù) 監(jiān)測網(wǎng)布置 實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù) 基于支持向量機(jī)的邊坡變形評價與預(yù)測 露天轉(zhuǎn)地下開采地壓監(jiān)測與圍巖穩(wěn)定性分析研究 巷道表面位移測量 巷道圍巖深部位移測量 巷道圍巖應(yīng)力