蔡美峰-露天转地下开采课件.ppt（54页）

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北京科技大学 蔡美峰蔡美峰2011年年6月月11日日第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛内内 容容 提提 要要一、前言一、前言二、露天转地下开采覆盖层安全结构与合理厚度二、露天转地下开采覆盖层安全结构与合理厚度研究研究 三、露天转地下开采边坡变形动力冲击演化机理三、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及其控制研究 四、结语四、结语一、前一、前 言言u我国冶金矿山我国冶金矿山80%的矿石量来自于露天开采。经过几十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

2、期开年开采，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。采，很多矿山的开采方式已由山坡开采转入凹陷开采。u由于大型铁矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较由于大型铁矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较大。凹陷开采深度超过大。凹陷开采深度超过400m500m后继续进行露天扩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坏。用和剥离的大量废石对生态环境的破坏。u露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的

3、综合性开采技术。可以使矿山基建投资减少综合性开采技术。可以使矿山基建投资减少25%50%，生产成本下降生产成本下降25%左右。因此，露天转地下开采是大量左右。因此，露天转地下开采是大量矿山的必然选择。矿山的必然选择。u与国外相比，我国金属矿山露天转地下开采的整体技术与国外相比，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。水平仍然相对落后，困难和存在问题较多。l对露天转地下开采过渡时机把握不准确，过渡期过长或太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

4、产。减产、停产。l对露天和地下开采缺少统一的全面规划，露天和地下两类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。效率强化开采。一、前一、前 言言l含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完善的含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完善的回收技术而被损失掉，或者回收率太低，损失贫化大，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。造成资源严重浪费。l露天

5、转地下开采过程中边坡和地下岩层共同变形、相互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，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。造成的边坡和地下采场失稳破坏情况更为复杂和严重。l对覆盖层作用机理认识不清，处理不当，造成通风、排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。地下开采的风险和成本。一、前一、前 言言u同时，露天转地下开采是一项系统工程，过程环节多，同时，

6、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，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。全，难度很大。u为了解决我国金属露天矿转地下开采过程带有共性的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过一系列关键技术问题，实现露天转地下开采的平稳过渡和安全高效生产，渡和安全高效生产，“露天转地下相互协调安全高效露天转地下相互协调安全高效开采关键技术研究开采关键技术研究”被列入被列入“十一五十一五”国家科技

7、支撑国家科技支撑计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。一、前一、前 言言u以安全和效益为目标，围绕露天转地下开采平稳过渡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和安全高效生产5个方面的关键技术进行系统深入的试个方面的关键技术进行系统深入的试验研究：验研究：l露天转地下开采满足六大功能的覆盖层的安全结构、合理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；厚度及其形成技术；l露天转地下平稳过渡和开拓运输系统、采矿方法与工艺、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；通

8、风、排水等系统的最佳衔接技术；l露天转地下开采过程中边坡及岩层变形、破坏实时监测及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。规律。一、前一、前 言言l露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术；露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术；l露天转地下开采安全生产综合技术和自动化安全生产管理露天转地下开采安全生产综合技术和自动化安全生产管理信息系统信息系统u上述上述5 5个方面关键技术，对应了露天转地下开采的各个个方面关键技术，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

9、、相互匹配，构环节。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。的最大化。一、前一、前 言言二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究合理厚度研究u覆盖层的主要功能覆盖层的主要功能l防冲击地压防冲击地压 l形成挤压爆破端部放矿条件形成挤压爆破端部放矿条件l滞水作

10、用滞水作用 l减少漏风减少漏风 l防寒保暖防寒保暖 l预防泥石流预防泥石流 二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究合理厚度研究u覆盖层力学行为和移动特性研究覆盖层力学行为和移动特性研究l实验室模拟研究实验室模拟研究模型模型1：覆盖层厚覆盖层厚20m，分段高度分段高度15m，二分段放矿二分段放矿模型模型2：覆盖层厚：覆盖层厚40m，三分段放矿，三分段放矿 模型模型3：覆盖层厚：覆盖层厚60m，两分段放矿，两分段放矿u覆盖层力学行为和移动特性研究覆盖层力学行为和移动特性研究l实验研究结论实验研究结论结论结论1 1：露天转地下覆盖层随地下开采而沉降下移，

11、宏观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结构可分为两部分:流动层和整体下移层。流动层和整体下移层。结论结论2：流动层高度流动层高度HT 取决于采场结构参数、放矿制度。并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。受矿岩块度、湿度等因素的影响。kHHHhHhBhQdsTfSfhf)(5.2)1(3416222fhQhB放 出 体 体 积；放 出 体 高 度；回 采 巷 道 宽 度；放 出 椭 球 体 偏 心 率；安全系数，取崩落分段高度；度；松动体影响的覆盖层高松动体高度；2.1HHHdTks结论结论3：流动层的结构：流动层的结构 流动层岩石块度最好接近地

12、下采场矿石块度。块度过大，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，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。过早侵蚀出现贫化。块度过大造成的悬拱块度过大造成的悬拱粒度过细造成侵蚀贫化粒度过细造成侵蚀贫化结论结论4 4：整体下移层高度整体下移层高度取决于设防标准，受覆盖取决于设防标准，受覆盖层渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。层渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。流动层流动层整体下移层整体下移层u覆盖层物料的水渗透特性覆盖层物料的水渗透特性l渗透系数的测定试验渗透系数的测定试验实验装备

13、与材料实验装备与材料渗透实验装置渗透实验装置 渗透实验所用物料渗透实验所用物料 不同粒径组成覆盖层的渗透系数不同粒径组成覆盖层的渗透系数l实验结果实验结果组数组数粗细比粗细比渗透系数渗透系数K K（cm/scm/s）第第1 1组组6:46:41.07921.07921010-4-4第第2 2组组6.5:3.56.5:3.52.27952.27951010-4-4第第3 3组组7:37:31.07781.07781010-3-3第第4 4组组8:28:21.06471.06471010-2-2不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果土样编号土样编号12345678

14、910干密度干密度g/cm321.971.941.911.881.851.821.791.761.73孔隙比孔隙比0.350.3710.3920.4140.4360.4590.4840.5080.5340.561不均匀系数不均匀系数16161616161616161616曲率系数曲率系数1111111111渗透系数渗透系数cm/s7.710-32.2 10-22.2 10-22.3 10-23.3 10-23.8 10-25.7 10-27.2 10-28.7 10-29.4 10-2不均匀系数不同时的渗透系数实验结果不均匀系数不同时的渗透系数实验结果土样编号土样编号12345678910干密

15、度干密度g/cm31.861.861.861.861.861.861.861.861.861.86不均匀系数不均匀系数42.335.328.923.11813.59.76.53.92.9曲率系数曲率系数2222222222渗透系数渗透系数cm/s6.710-24.510-22.810-22.410-22.310-22.110-21.910-2110-29.610-38.810-3不同曲率系数时渗透实验结果不同曲率系数时渗透实验结果土样编号土样编号12345678910干密度干密度g/cm31.951.951.951.951.951.951.951.951.951.95不均匀系数不均匀系数202

16、02020202020202020曲率系数曲率系数0.10.30.50.81.11.522.63.23.9渗透系数渗透系数cm/s3.110-36.410-36.410-36.710-36.910-31.310-21.210-21.010-21.610-21.610-2u覆盖层的窜风特性覆盖层的窜风特性l实验室模拟实验实验室模拟实验 为了研究分析覆为了研究分析覆盖层的漏风参数及其盖层的漏风参数及其影响因素，并进行了影响因素，并进行了7 7种不同孔隙率条件种不同孔隙率条件下的漏风实验。下的漏风实验。u覆盖层的窜风特性覆盖层的窜风特性l实验结果分析实验结果分析漏风系数与覆盖层厚度的关系漏风系数与覆

17、盖层厚度的关系 漏风系数与覆盖层厚度间满足指数关系，随着覆盖层厚度漏风系数与覆盖层厚度间满足指数关系，随着覆盖层厚度的增加和孔隙率的降低，曲线下降的速度加快，矿井的漏风量的增加和孔隙率的降低，曲线下降的速度加快，矿井的漏风量逐渐减小。逐渐减小。覆盖层厚度m漏风系数漏风系数覆盖层厚度m漏风系数与覆盖层厚度关系图（孔隙率38.5%）漏风系数与覆盖层厚度关系图（孔隙率31.77%）漏风量与覆盖层厚度的关系漏风量与覆盖层厚度的关系 覆盖层厚度与漏风量的关系（孔隙率31.77%）漏风量，l/s覆盖层厚度，m覆盖层厚度与漏风量的关系（孔隙率38.5%）漏风量，l/s覆盖层厚度，m不同孔隙率下的最小覆盖层厚

18、度不同孔隙率下的最小覆盖层厚度 通过对实验数据的线性拟合，得出了不同孔隙率下为防通过对实验数据的线性拟合，得出了不同孔隙率下为防窜风所需的最小覆盖层厚度。窜风所需的最小覆盖层厚度。孔隙率孔隙率最小覆盖层厚度最小覆盖层厚度孔隙率孔隙率最小覆盖层厚度最小覆盖层厚度38.54%197m23.7%30.25m31.77%101m21.35%15.83m27.99%55.13m20.25%5.57mu覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响计算模型和边界条件计算模型和边界条件 计算程序：计算程序：FLUENTFLUENT用于计算流体流动和传热问题用于计算流体流动和传热问题的基于有限元方法的的基于有限

19、元方法的CFDCFD软件。软件。数值计算实体模型数值计算实体模型有限元数值计算模型有限元数值计算模型 l覆盖层漏风量的数值分析覆盖层漏风量的数值分析u覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响计算结果计算结果不同孔隙比和覆盖层厚度条件下的漏风平均风速（不同孔隙比和覆盖层厚度条件下的漏风平均风速（m/s）覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率孔隙率（%）21.423.728.031.835.938.5200.1120.1130.1150.1180.1200.124300.09670.0972 0.09750.09760.09790.0983 400.05330.05340.05360.05390.0

20、5410.0546500.01630.01660.01670.01730.01760.0182覆盖层漏风对井下温度的影响覆盖层漏风对井下温度的影响 矿山进路断面为矿山进路断面为18m，则根据上表中数据可得到不同孔，则根据上表中数据可得到不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量。隙率条件下覆盖层的漏风风量。不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量（m/s）覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率孔隙率（%）21.423.728.031.835.938.5202.022.032.072.122.162.23301.741.751.761.761.761.77400.960.960.960.

21、970.970.98500.290.300.300.310.320.33u覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响 杏山铁矿杏山铁矿-30-30-45m-45m分段运输巷道井下空气温度为分段运输巷道井下空气温度为77，渗入冷风后在进路与运输巷道交叉处的温度见下表。渗入冷风后在进路与运输巷道交叉处的温度见下表。当覆盖层厚度达到当覆盖层厚度达到40m以上时，渗漏进入井下的冷风对井以上时，渗漏进入井下的冷风对井下的空气温度影响比较轻微。下的空气温度影响比较轻微。覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率孔隙率（%）21.423.728.031.835.938.5205.515.505.485.445.41

22、5.36305.715.705.705.705.695.69406.276.276.276.276.266.26506.776.776.776.766.766.77不同孔隙率条件下覆盖层漏风对井下温度影响（不同孔隙率条件下覆盖层漏风对井下温度影响（）u预防井下泥石流灾害研究预防井下泥石流灾害研究l泥石流发生的条件泥石流发生的条件 对于采用崩落采矿法的露天转地下矿山，极易满足井下对于采用崩落采矿法的露天转地下矿山，极易满足井下泥石流发生的三个基本条件。泥石流发生的三个基本条件。露天覆盖层露天覆盖层露天边坡冲积物露天边坡冲积物有大量固体物质，即粘有大量固体物质，即粘性土和岩石碎屑的存在性土和岩石碎

23、屑的存在露天坑底第一分段露天坑底第一分段的回采即与露天覆的回采即与露天覆盖层充分联通盖层充分联通降（暴）雨短时间降（暴）雨短时间内露天采坑汇集大内露天采坑汇集大量降水、分段出矿量降水、分段出矿存在能让泥石流流动的存在能让泥石流流动的通道通道短时内补给充足的水源短时内补给充足的水源及诱发因素，如持续降及诱发因素，如持续降雨、采矿活动等雨、采矿活动等u预防井下泥石流灾害研究预防井下泥石流灾害研究l预防泥石流发生的关键技术措施预防泥石流发生的关键技术措施 要预防井下泥石流的发生，需要抑制、消除泥石流要预防井下泥石流的发生，需要抑制、消除泥石流发生的必要条件，对露天转地下矿山而言，可采取的措发生的必要

24、条件，对露天转地下矿山而言，可采取的措施如下：施如下：减少覆盖层中可能产生减少覆盖层中可能产生泥石流的固体物质泥石流的固体物质与覆盖层功用矛盾，工程实与覆盖层功用矛盾，工程实现比较困难现比较困难和采矿方法有冲突和采矿方法有冲突减少、消除泥石流产生减少、消除泥石流产生的通道的通道减少、消除覆盖层中的减少、消除覆盖层中的补水能力，降低水渗透补水能力，降低水渗透压力压力可以通过增加覆盖层和井下可以通过增加覆盖层和井下的疏水通道达到目的的疏水通道达到目的u覆盖层安全结构和合理厚度的确定覆盖层安全结构和合理厚度的确定 整体下移层的结构由粗料和细料两部分组成，颗粒粒径整体下移层的结构由粗料和细料两部分组成

25、，颗粒粒径大于等于大于等于5mm的粗颗粒占体积比为的粗颗粒占体积比为60%70%；颗粒粒径小；颗粒粒径小于于5mm的细颗粒占体积比为的细颗粒占体积比为30%40%。细料的渗透系数控。细料的渗透系数控制为制为10-4m/s左右，整体下移层的厚度大于左右，整体下移层的厚度大于20m。流动层的主要粒度构成在流动层的主要粒度构成在300mm300mm500mm500mm之间。之间。流动层的厚度和地下崩落采矿法的分段高度有关，其最小流动层的厚度和地下崩落采矿法的分段高度有关，其最小厚度大于厚度大于1.51.5倍的分段高度。倍的分段高度。l整体下移层结构及厚度的确定整体下移层结构及厚度的确定l流动层结构及

26、厚度的确定流动层结构及厚度的确定u覆盖层安全结构和合理厚度的确定覆盖层安全结构和合理厚度的确定 覆盖层的总厚度由整体下移层厚度和流动层厚度两部覆盖层的总厚度由整体下移层厚度和流动层厚度两部分组成，等于整体下移层厚度与流动层厚度相加之和。分组成，等于整体下移层厚度与流动层厚度相加之和。l覆盖层的总厚度覆盖层的总厚度整体下移层整体下移层矿石层矿石层流动层流动层H1H2H3 杏山铁矿覆盖层的总厚度为杏山铁矿覆盖层的总厚度为50m，分两层铺设，上部是，分两层铺设，上部是整体下移层厚度约整体下移层厚度约20m，下部是和矿石层接触的流动层，约，下部是和矿石层接触的流动层，约30m。整体下移层主要起防止通风

27、漏风、防寒和迟滞水渗透整体下移层主要起防止通风漏风、防寒和迟滞水渗透的作用，粒度结构较细；流动层和矿石层接触，主要起防止的作用，粒度结构较细；流动层和矿石层接触，主要起防止矿石放矿过程中过早贫化的作用，粒度结构较粗。矿石放矿过程中过早贫化的作用，粒度结构较粗。实际回填时，实际回填时，在露天坑在露天坑+10 m平台进行汽车高台阶矿岩平台进行汽车高台阶矿岩散体的排放，排放高度可以满足矿岩自然分级高度的要求散体的排放，排放高度可以满足矿岩自然分级高度的要求。该方法简化了回填工艺，缩短了回填周期，降低了成本，更该方法简化了回填工艺，缩短了回填周期，降低了成本，更有利于矿山控制基建时间。有利于矿山控制基

28、建时间。三、露天转地下开采边坡和地下岩体变形三、露天转地下开采边坡和地下岩体变形破坏的演化特征及其控制研究破坏的演化特征及其控制研究l详细调查了矿区地质构造，矿体地质特征、水文地质详细调查了矿区地质构造，矿体地质特征、水文地质条件等。条件等。l矿体围岩稳定性及采场的灾害特性调查与分析。矿体围岩稳定性及采场的灾害特性调查与分析。l矿区矿区4 4个水平个水平8 8个点的补充地应力测量。个点的补充地应力测量。u工程地质环境及围岩稳定性条件工程地质环境及围岩稳定性条件u工程地质环境及围岩稳定性条件工程地质环境及围岩稳定性条件l地应力计算结果地应力计算结果 1 2 3测点号测点号深度深度(m)数值数值方

29、向方向倾角倾角数值数值方向方向倾角倾角数值数值方向方向倾角倾角(Mpa)()()(MPa)()()(MPa)()()1605.02-82102.86-1723.51.99-128-7521658.61-92-65.74-101784.74175-831658.08-88-65.74-90734.74178-104406.87-93165.28177-0.91.48-100-805708.74105-2.05.73-16562.86-145-84616010.623057.28-60154.9614370733015.35-78-98.99-109848.59-178-2833014.12100

30、-12.99.1840708.5810-15l杏山铁矿矿区地应力场主应力随深度回归曲线杏山铁矿矿区地应力场主应力随深度回归曲线杏山铁矿杏山铁矿h,max，h,min，和，和v与深度的关系与深度的关系应力值应力值(MPa)深深度度(m)u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究l 根据岩体结构特征、岩体不连续面特征、边坡特征、地下矿体赋存特征，结构面与边坡面的组合切割关系及地下矿体开采影响程度的不同，对露天矿边坡分为四个分区，分析得出、区最不稳定。边坡地质分区图边坡地质分区图u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究l选择贯穿选择贯穿、两区最不稳定区域的两

31、区最不稳定区域的B11B11剖面为剖面为相似实验剖面建立了实验模型。相似实验剖面建立了实验模型。x4422400 x4422600 x4422800 x4423000 x4423200Y503500Y503600Y503700Y503400-300-200-1000100模型的平面位置图模型的平面位置图模型剖面图模型剖面图l模拟实验装置和应力应变监测系统模拟实验装置和应力应变监测系统u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究应变监测：应变监测：DH-3816DH-3816静态静态应变测试系统应变测试系统(全智能化巡全智能化巡回数据采集系统）回数据采集系统）应力监测：应力监测

32、：ZYJ-25ZYJ-25型钻孔型钻孔应力计应力计失稳破坏过程监测：失稳破坏过程监测：自动自动连续数码摄像连续数码摄像应力监测系统应力监测系统 露天转地下开采后，由于地下矿体的开采打破了上部露天转地下开采后，由于地下矿体的开采打破了上部边坡岩体的应力平衡状态。引起边坡岩体内部应力的不断边坡岩体的应力平衡状态。引起边坡岩体内部应力的不断调整，出现局部应力集中，当应力集中超过岩体强度极限调整，出现局部应力集中，当应力集中超过岩体强度极限或超过边坡岩体稳定性能量极限时便发生破坏。其破坏是或超过边坡岩体稳定性能量极限时便发生破坏。其破坏是一个渐进的、不断扩大的过程：一个渐进的、不断扩大的过程：局部裂隙

33、发生、发展局部裂隙发生、发展裂隙贯通裂隙贯通边坡切割、破坏体边坡切割、破坏体滑移、塌落滑移、塌落成为新的覆盖层的一部分，并对地下开采形成为新的覆盖层的一部分，并对地下开采形成冲击成冲击新一步地下开采引起新一轮边坡失稳和冲击破坏。新一步地下开采引起新一轮边坡失稳和冲击破坏。u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究l边坡失稳破坏过程边坡失稳破坏过程 露天转地下开采的第一阶段，地下开采对坡体的切露天转地下开采的第一阶段，地下开采对坡体的切割作用较小，坡体的剪切破坏范围较小。割作用较小，坡体的剪切破坏范围较小。-60水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态 边坡岩体破坏形式主

34、要是受断层切割部分的岩体沿边坡岩体破坏形式主要是受断层切割部分的岩体沿断层发生了滑移，使得断层由局部活化转化为全部活化，断层发生了滑移，使得断层由局部活化转化为全部活化，对地下开采造成一定的动力冲击影响。对地下开采造成一定的动力冲击影响。z/m-90水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态 随着矿体开采向深部延深，边坡上下盘受开采影响垮落的随着矿体开采向深部延深，边坡上下盘受开采影响垮落的岩体不断下移，并在下移过程中不断破碎，对坡脚的切割程度岩体不断下移，并在下移过程中不断破碎，对坡脚的切割程度加剧，对上下盘边坡岩体的破坏累积效应不断积累，在上下盘加剧，对上下盘边坡岩体的破坏累积效应不断积

35、累，在上下盘边坡岩体更高处出现了向采空区方向发展的裂隙，且上盘裂隙边坡岩体更高处出现了向采空区方向发展的裂隙，且上盘裂隙张开度较下盘裂隙的张开度大。张开度较下盘裂隙的张开度大。-135m水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态 上盘边坡岩体浅表层破坏比较严重。采空区处的上盘岩上盘边坡岩体浅表层破坏比较严重。采空区处的上盘岩体破坏向深部发展，出现了第二次滑移，再次发生对地下开体破坏向深部发展，出现了第二次滑移，再次发生对地下开采的冲击影响。上盘坡体裂隙不断向岩体深部发展，一定深采的冲击影响。上盘坡体裂隙不断向岩体深部发展，一定深度范围内变形已超出了允许极限并发生局部变形破坏，同时度范围内变形

36、已超出了允许极限并发生局部变形破坏，同时也是边坡岩体下一次动力冲击的蓄能过程。也是边坡岩体下一次动力冲击的蓄能过程。-165水平开采边坡破坏形态水平开采边坡破坏形态z/m-210水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态z/m-255水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态l边坡变形动力冲击演化机理边坡变形动力冲击演化机理(a)首次动力冲击孕育阶段首次动力冲击孕育阶段坡体裂隙孕育发展矿体采出覆盖层下移矿体矿体坡体被切割部分滑移 产生动力冲击影响矿体采出覆盖 层继续下移上部微裂隙的发展(b)首次动力冲击首次动力冲击矿体坡体深部裂隙的 再次孕育发展坡体滑落后形成的覆盖 层随着开采继续下移矿体

37、坡体滑移岩体随着开采再次发生动力冲击影响覆盖层随着开 采继续下移上部微裂隙的发展(c)循环动力冲击孕育阶段循环动力冲击孕育阶段(d)循环动力冲击循环动力冲击坡体裂隙孕育发展矿体采出覆盖层下移坡体被切割部分滑移产生动力冲击影响上部微裂隙发展上部微裂隙发展矿体采出覆盖层继续下移坡体滑移岩体随着开采再次发生动力冲击影响覆盖层随着开采继续下移坡体深部裂隙的再次孕育发展坡体滑落后形成的覆盖层随着开采继续下移在地下矿体的初始开采阶段，覆盖层随着矿体的采出而下移。随在地下矿体的初始开采阶段，覆盖层随着矿体的采出而下移。随着开采的进行边坡岩体中变形能不断积累，微裂隙不断发展扩张，着开采的进行边坡岩体中变形能不

38、断积累，微裂隙不断发展扩张，当开采到某一深度时，积储的变形能突然释放导致原有微裂隙的当开采到某一深度时，积储的变形能突然释放导致原有微裂隙的迅速扩张贯通，从而使大块的滑移体向下运动冲向采场，造成了迅速扩张贯通，从而使大块的滑移体向下运动冲向采场，造成了采场的动力冲击灾害。采场的动力冲击灾害。首次动力冲击发生后矿体继续向下开采，边坡岩体又进入下一次首次动力冲击发生后矿体继续向下开采，边坡岩体又进入下一次的变形蓄能阶段，随着矿体继续开采又进入下一次变形能积累与的变形蓄能阶段，随着矿体继续开采又进入下一次变形能积累与损伤微裂隙发展扩张过程，当继续开采一定深度时，累积的变形损伤微裂隙发展扩张过程，当继

39、续开采一定深度时，累积的变形能又突然释放，大块坡体再次滑移形成又一次动力冲击影响。能又突然释放，大块坡体再次滑移形成又一次动力冲击影响。在矿体的向下开采过程中会反复出现上述现象，形成循环动力冲在矿体的向下开采过程中会反复出现上述现象，形成循环动力冲击影响，不断威胁着矿山的安全生产。击影响，不断威胁着矿山的安全生产。l边坡变形动力冲击演化机理边坡变形动力冲击演化机理 在地下矿体的开采过程中，在地下矿体的开采过程中，由于矿体采出，覆盖层下移，打由于矿体采出，覆盖层下移，打破了原有露天矿边坡应力平衡状破了原有露天矿边坡应力平衡状态应力不断调整，并会导致循环态应力不断调整，并会导致循环动力冲击灾害。动

40、力冲击灾害。为了改善边坡岩体的平衡为了改善边坡岩体的平衡状态，必须在开采的过程中利用状态，必须在开采的过程中利用开采废石等不断回填覆盖层下移开采废石等不断回填覆盖层下移形成的空间，保持覆盖层的顶部形成的空间，保持覆盖层的顶部标高不变标高不变(如右图所示如右图所示)，以增强，以增强对边坡岩体的支撑防止坡体突然对边坡岩体的支撑防止坡体突然的大范围滑移。的大范围滑移。l循环动力冲击控制措施循环动力冲击控制措施动力冲击控制措施动力冲击控制措施矿 体为 了 防 止 循 环 动 力 冲 击 影 响 保 持 覆 盖 层 顶 部 标 高 不 变为了防止循环动力冲击影响保持覆盖层顶部标高不变u露天转地下边坡变形

41、、破坏特征及其稳定性数值模拟露天转地下边坡变形、破坏特征及其稳定性数值模拟l 露天转地下边坡岩体变形规律l 露天转地下边坡应力变化规律l 露天转地下边坡破坏场特征u边坡及岩层变形实时监测与预测预报技术边坡及岩层变形实时监测与预测预报技术l 监测网布置l 实时监测数据l 基于支持向量机的边坡变形评价与预测u露天转地下开采地压监测与围岩稳定性分析研究露天转地下开采地压监测与围岩稳定性分析研究l 巷道表面位移测量l 巷道围岩深部位移测量l 巷道围岩应力监测l 地下围岩破坏和失稳声发射监测四、结语四、结语 本项目以首钢杏山铁矿为依托工程，对金属矿露天转地下本项目以首钢杏山铁矿为依托工程，对金属矿露天转

42、地下开采开采5个方面的关键技术进行了系统研究。个方面的关键技术进行了系统研究。（1）确定了杏山铁矿露天转地下开采的最佳过渡方案，实）确定了杏山铁矿露天转地下开采的最佳过渡方案，实现了露天转地下开采采矿方法和工艺及产量的合理衔接，完成现了露天转地下开采采矿方法和工艺及产量的合理衔接，完成了露天转地下的不停产平稳过渡，保持了矿山生产规模和效益了露天转地下的不停产平稳过渡，保持了矿山生产规模和效益的稳定与适度增长。的稳定与适度增长。（2）发现了露天转地下覆盖层随地下采矿获得呈分层特性）发现了露天转地下覆盖层随地下采矿获得呈分层特性的规律，提出了覆盖层的分层结构及满足其功能需求的合理厚的规律，提出了覆

43、盖层的分层结构及满足其功能需求的合理厚度的确定方法；并根据散体溜放自然分级特性，提出了形成覆度的确定方法；并根据散体溜放自然分级特性，提出了形成覆盖层的新方法。盖层的新方法。（3）通过相似模拟试验、现场监测和数值模拟，揭示了）通过相似模拟试验、现场监测和数值模拟，揭示了边坡和地下岩体变形破坏的演化特征及地下开采导致循环动边坡和地下岩体变形破坏的演化特征及地下开采导致循环动力冲击灾害的机理，提出了回填废石保持覆盖层标高等预防力冲击灾害的机理，提出了回填废石保持覆盖层标高等预防动力冲击灾害和控制采场地压的技术。动力冲击灾害和控制采场地压的技术。（4）提出了适合于露天转地下开采的成套安全高效开采）提

44、出了适合于露天转地下开采的成套安全高效开采技术；基于杏山铁矿的开采技术条件，建成了露天与地下共技术；基于杏山铁矿的开采技术条件，建成了露天与地下共用的开拓运输系统；通过工业试验，优化了无底柱分段崩落用的开拓运输系统；通过工业试验，优化了无底柱分段崩落法结构参数，取得了良好的技术、经济指标。法结构参数，取得了良好的技术、经济指标。四、结语四、结语 （5）在杏山铁矿建立了露天转地下开采安全生产综合）在杏山铁矿建立了露天转地下开采安全生产综合技术系统和基于技术系统和基于GIS的安全生产管理信息系统，实现安全的安全生产管理信息系统，实现安全生产与管理的信息化、自动化，为矿山的安全高效开采提生产与管理的信息化、自动化，为矿山的安全高效开采提供了重要保证条件。供了重要保证条件。杏山铁矿转地下开采后，生产规模为杏山铁矿转地下开采后，生产规模为320万吨万吨/年，年，2012年达产。与露天开采年达产。与露天开采100万吨万吨/年的生产规模相比，生产能年的生产规模相比，生产能力和效益都得到大幅度提升。力和效益都得到大幅度提升。四、结语四、结语谢 谢