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露天轉地下安全開采研究

文檔作者：裴文田吳志波2 文檔來源： 1.國家安全生產監督管理總局 2.中國恩非工程技術有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年11月13日
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2016年4月
中國礦山工程
第45卷第2期
China Mine Engineering
·61·
露天轉地下安全開采研究
Safe mining study of transition from open-pit to underground
裴文田'，吳志波2
(1.國家安全生產監督管理總局，北京100713；2.中國恩非工程技術有限公司，北京100038)
摘要：介紹了國內外露天轉地下開采研究現狀，對露天轉地下安全開來的關鍵問題，如露天開采極限、露天轉地下開拓系
統、過渡期采礦方法、安全頂柱、露天坑底覆蓋層、露天轉地下開采風險特性等進行了分析和探討。
關鍵詞：露天轉地下；安全開采；安全頂柱；坑底覆蓋層
Abstract:The development state of open-pit to underground mining at home and abroad was introduced,and the problems emerged
during the transition from open-pit to underground mining were analyzed and discussed,such as the determination of open-pit limit,
development system,mining method,the thickness of safety pillar,pit cover,mining risk characteristics,and so on.
Key words:open-pit to underground mining:safe mining:safety pillar;pit cover
1前言
國內不少深凹露天礦已經或即將轉入地下開采，隨
之產生一系列涉及礦山安全開采的相關問題，如露天開
采極限、露天轉地下開拓系統、過渡期采礦方法、安全頂
柱、露天坑底覆蓋層、露天轉地下開采的風險問題等。露
天轉地下開采研究已經成為當前眾多科研院所和礦山企
業所關心的熱點之一
2國內外露天轉地下開采研究現狀
國外有許多露天轉地下開采的礦山案例，涉及煤礦、
非金屬和金屬礦山等2-3，如阿巴崗斯基鐵礦（前蘇
聯)、Pyhasalmi礦（芬蘭）、科菲豐坦金剛石礦（南非）、
Kidd Creek礦（加拿大）、Kiruna鐵礦（瑞典）、蒙特萊爾
銅礦（澳大利亞）等。上述礦山通過對地質、資源、生產、
環境和經濟等各方面因素進行綜合考慮，開展了露天轉
文章編號：
地下安全開采相關問題的研究，取得了一些成果。
1672-609X(2016)02-0061-03
國內也有許多露天轉地下開采的礦山，如白銀折腰
中圖分類號：TD80
銅礦、銅官山銅礦、石人溝鐵礦、鳳凰山鐵礦、冶山鐵礦、
文獻標志碼：B
峨口鐵礦、姑山鐵礦、孟家鐵礦、廟溝鐵礦、良山鐵礦、金
收稿日期：2016-02-14
嶺鐵礦、建龍鐵礦等。上述礦山在露天轉地下開采過程
作者簡介：裝文田(1968-)，男，
中，通過試驗和研究積累了很多寶貴經驗和技術成果，為
遼寧義縣人，高級工程師，從事采
進一步探索適合我國露天轉地下安全開采的方法和手段
礦工程管理工作。
創造了條件。
3露天轉地下安全開采關鍵問題
3.1露天開采極限
露天開采極限指的是考慮露天轉地下開采（含露天
地下聯合開采)時露天開采的最低標高。
·62·
中國礦山工程
2016年（第45卷）
由于存在露天與地下兩種開采方式，露天開采
瑞典Kiruna鐵礦、鳳凰山鐵礦、金嶺鐵礦等。
的極限深度不能用單一采用露天開采的方式進行計
(4)露天礦運輸利用地下并巷的聯合開拓。一
算和確定2.431，應按照露天開采和地下開采噸儲量
般用在：①小露天開采，礦山建設初期即建有地下井
盈利相等原則確定較為合理，即每噸工業儲量當采
巷工程而選廠和公用設施等工程均以地下開采為主
用露天開采獲得的盈利等于或略小于地下開采時，
進行布置的礦山。如銅官山銅礦、銅山銅礦、芬蘭
應轉為地下開采，露采和地采的分界點即為露天開
Pyhasalmi礦；②露天開采境界深度大，轉入地下聯
采極限深度。
合開采過渡時間長的礦山，此時，露天礦深部運輸成
噸儲量盈利需要考慮的因素很多，例如：露采和
本很高，露天采礦而采用地下運輸節省成本。如板石
地采不同的貧化率、損失率、出礦品位、選礦回收率、
溝鐵礦、美國共各鐵礦等；③高山地區礦床采用平酮溜
采礦成本、噸儲量的精礦價值等。確定露天開采極
井開拓的露天轉地下礦山或地下轉露天的礦山。
限時，應考慮全所有因素。
3.3過渡期采礦方法
3.2露天轉地下開拓系統
目前，露天轉地下開采過渡期采用的采礦方法
露天轉地下開拓方案可分為4種：露天境界內
主要有3類[6-。
開拓方案、露天境界外開拓方案、混合開拓方案及露
(1)空場法。在露天與地下開采之間留設境界
天礦運輸利用地下井巷的聯合開拓。
礦柱，該境界礦柱即露天開采與地下開采隔離層，同時
(1)露天境界內開拓方案。一般適用于深部礦
也是地下開采的安全頂柱。常用的空場法有分段空場
石儲量不多，地下開采規模不大，服務年限較短及露
法、階段空場法和留礦法，空場法銅后充填也屬此類。
天采場邊坡穩定的條件。該方案的優點是并巷工程
該方案的優點在于有利于消除露天開采與地下
量小，基建投資少，投產快，生產銜接簡便。其缺點
開采的相互干擾，實現露天與地下同時施工作業；能
是在露天開采未結束之前，進行井巷施工時，對露天
夠實現露天轉地下開采過渡期礦山生產規模的最大
生產有影響。
化；能有效地防止露天積水大量涌入地下，使地下建
采用此方案的礦山有澳大利亞Ardlethan礦、加
設與開采更加安全。能夠消除地下通風系統的漏風
拿大古平露天金礦、杏山鐵礦露天邊坡掛幫礦等。
問題，使通風效率大為提高。其缺點是永久保留造
(2)露天境界外開拓方案。地下開拓工程均布
成大量礦石損失；若回收境界礦柱，回采難度大，回
置于露天境界外，開成一套獨立的系統，一般適用于
收率低。
深部礦體儲量大，服務時間長，或露天采場邊坡穩定
使用這種方法時，需要嚴格控制露天采礦和地
性差，開采深度大，露天采場底部窄，難保證井巷工
下采礦的爆破規模、間柱的強度等。因此，與一般地
程出口安全的礦山。該方案優點是直通地表的井巷
下開采相比，其條件限制更多更復雜。
均位于露天境界外，井巷施工與露天生產互不干擾，
(2)崩落法。露天開采結束后，在露天坑底留
露天結束后，邊坡可不再維護。其缺點是井巷工程
有一定厚度的巖石作為覆蓋層，在覆蓋層采用分段
量大，基建時間長，投資大。
崩落法（階段崩落法）回采出礦。
采用此方案的礦山有前蘇聯的阿巴崗斯基鐵
該方案優點是不需要留境界頂柱，同時崩落法
礦、白銀折腰山銅礦、銅山銅礦、松樹卯鉬礦及白銀
的回采效率高、成本低。其缺點是在同一礦區內沒有
廠銅礦等。
其他礦段可以調節產量時，在形成覆蓋層的短時間內，
(3)露天境界內外混合開拓方案。此開拓方案
必將影響礦山的持續生產；另外滲水和漏風大。
是上述兩類開拓方案的組合，一般適用于上部露天
(3)聯合采礦法。這種方法的實質是空場法和
開采服務年限較長，邊坡穩固的礦山，允許在露天轉
崩落法的結合。通過研究國內外成功的應用經驗可
地下開采的過程中，利用露天坑較低標高的臺階上
以得出，聯合采礦法的特點是在地下開采第一階段，
布置井巷工程以節省開拓量和提前出礦，保持礦山
采用空場法回采礦體，留下礦柱支撐礦體頂板和維
持續穩產。境界外布置的井巷大多是主要開拓工
護露天邊坡穩定，第二階段強制崩落礦柱或依靠礦
程，如主井、副井，境界外開拓的工程，大多為輔助斜
石自重崩落后采用崩落法開采。
坡道、風井等。
聯合采礦法兼具空場法和崩落法的優點，同時
采用此方案的礦山有加拿大的Kidd Creek礦、
也具有崩落法的不足。
第2期
裴文田等：露天轉地下安全開采研究
·63·
空場法、崩落法以及聯合采礦法與地下采礦常
蓋層太薄會造成當放礦到截止品位時地下與露天連
用的典型方法類似，在實際運用中，可以結合露天轉
通，形不成橢球體，進而增加放礦貧化和礦石回收率
地下開采特點，綜合考慮礦體開采技術條件、產量銜
下降。所以覆巖下放礦必須要有足夠的覆蓋層高
接、地表環境、生產安全等要求，選擇合理的采礦方
度，以達到提高礦石回收率，減小貧化的目標。為滿
法。無論選擇何種采礦方法，都必須堅持安全、經
足放礦工藝要求，根據放礦橢球體理論，可以按照公
濟、有效的原則。
式(1)計算覆蓋層厚度：
3.4安全頂柱
h,=(2.22~2.52)h
(1)
境界安全頂柱是否留設，主要根據露天轉地下
式中：h,一松動橢球體高；
所采用的采礦方法來確定。《有色金屬采礦設計規
h一一放出橢球體高。
范》(GB-50771-2012)規定，露天結束后轉地下開
(2)防排水對覆蓋層厚度的影響。若暴雨來
采，采用空場法回采時，露天坑底應留設境界安全頂
臨，匯集到露天坑內的降水很容易滲人井下，使井下
柱，安全頂柱的厚度應通過巖石力學計算確定，但不
水量劇烈增加，造成嚴重的淹井或淹巷事故，從而影
應小于10m。《冶金礦山采礦設計規范》
響礦山的正常生產。經大量實踐和研究表明：覆蓋
(GB50830-2013)規定，露天轉地下開采過渡期采用
層對逕流洪峰的滲入有一定的削峰和延時作用，合
空場法留境界頂柱時，境界頂柱的厚度通過巖石力
理的覆蓋層厚度可以起到較好的防水作用。
學計算確定，且不得小于20m。
為找出滿足安全生產要求的最小覆蓋層厚度，
境界安全頂柱厚度的確定是一項非常重要而又
喬國剛等人根據石人溝鐵礦現場條件模擬制作
復雜的難題。由于礦柱回采率低、貧化率大，如果安
了試驗模型，開展了散體覆蓋層的滲漏規律模擬試
全頂柱留設過厚，會造成礦產資源的浪費；如果安全
驗，得到滲漏時間、散體層厚度和降雨量之間的關系
頂柱留設過薄，如果頂柱突然崩落，會造成嚴重的安
式，并以石人溝鐵礦為例，計算出石人溝鐵礦露天轉
全事故，對井下設施及人員有很大危害。
地下開采覆蓋層厚度大約需40m的結論。
國內外確定安全頂柱厚度的方法主要有：
不同散體介質顆粒級配下所測得的滲漏系數相
K.B.魯別涅依他的公式、波哥留波夫的公式、松散
差很多，說明散體的級配對滲漏系數有很大影響。
系數理論、平板梁理論、經驗類比法、數值模擬法等。
因此可以通過滲漏系數與礦山允許滲漏水流到達井
數值模擬法是近年來發展起來的而且應用很廣
下的時間之間的關系計算出最小覆蓋層厚度。
的方法。將巖體假定為彈塑性均質材料，用三維或
3.6露天轉地下開采風險特性
二維有限單元法進行計算機模擬，選擇不同的采場
由于露天轉地下安全開采涉及露天和地下兩種
結構參數、安全頂柱厚度進行模擬。如張永彬等
開采方式，所以它不僅兼具兩者風險特征，同時也表
用RFPA2D數值模擬系統模擬確定了石人溝鐵礦
現出自己獨特的風險特性[2-13
0
露天轉地下境界礦柱厚度；許宏亮等針對司家營
(1)安全管理。由于礦山行業生產的接續性，
鐵礦三采場露天轉地下應用軟件建立礦體的力學模
生產作業中經常會出現露天地下同時施工的情況，
型，模擬境界礦柱的受力及其塑性區分布情況。
這就要求礦山相關管理人員不僅要保證露天生產能
3.5露天坑底覆蓋層
夠正常進行，同時還要嚴格監督管理地下工程的施
《冶金礦山采礦設計規范》(GB50830-2013)規
工進度，如此勢必會增加管理人員的工作難度，對其
定，采用崩落法回采露天底以下深部礦體應形成覆
數量和素質均有更多、更高要求。
蓋層，覆蓋層厚度可采用類比法或專題研究確定。
(2)安全內容與對象。生產模式從露天轉到地
覆蓋層形成主要有兩種方式：硐室爆破崩落露天
下開采，工作方式會發生很大變化，工作人員需要重
邊幫形成覆蓋層和廢石回填露天坑底形成覆蓋層。
新對新的開采設備進行認識、熟悉和使用，礦山管理
從安全經濟方面綜合考慮：覆蓋層太薄既不利
人員也需要對新開采方式下如何進行有效管理進行
于形成橢球體和防排水，也無法滿足放礦要求；覆蓋
探索學習，力爭盡快實現各項工作的順利過渡。
層太厚則會造成經濟浪費10。
(3)開采模式。由于露采和地采所導致地壓有
(1)采礦工藝對覆蓋層厚度的影響。采礦工藝
所不同，露天轉地下開采過程中，圍巖承壓和相互作
方面，由于放礦工藝要求，覆蓋層不能太薄，因為覆
(下轉第67頁)
第2期
邵軍等：潰壩模擬試驗在尾礦庫環境風險評價中的應用
67
[J].山東大學科學技術雜志，2011，(2)：25-29.
5結語
[2]
田文旗.我國尾礦庫現狀及安全對策的建議[A].中國
尾礦庫潰壩模擬試驗雖然需要投人較大的工作
礦山安全管理與技術裝備大會論文集[C],2010.59-
量、時間和財力，但是該方法能夠考慮到具體項目的
65,70.
特性，結果較準確，可信度較高。試驗能夠獲得潰壩
[3]
譚民強，劉偉生，趙瑞霞，等.環境影響評價技術導致
下泄砂量、尾砂淹沒范圍、下泄尾砂堆積高度、尾礦
與標準[M].北京：中國環境出版社，2013.
流初達下游敏感點所需時間、洪峰到達下游敏感點
[4]
陳青生，孫建華，礦山尾礦庫潰壩砂流的計算模擬
所需時間等關鍵參數，并為尾礦庫潰壩應急措施比
[J].河海大學學報，1995,23(5)：99-105.
選提供了參考依據，在尾礦庫環境風險評價的后果
[5]
袁兵，王飛躍，金永健，等.尾礦壩潰壩模型研究及
計算中起到重要的作用。
應用[].中國安全科學學報，2008，(4)：169-172.
[6]
郭朝陽，唐治亞，尾礦庫清壩模型探討[].中國安全
[參考文獻]
生產科學技術，2010，(1)：63-67.
[1]殷憲太，歐孝奪，候福昌，等.尾礦庫潰壩危險性評價
方法探討——以武宣縣三里振祈錳礦尾礦庫為例
(上接第63頁)
律及其防治[].河北理工大學學報：自然科學版，
用必將發生重大變化，這就很容易導致周圍礦巖穩
2011,33(3):5-7.
定性和工程設施發生變化，造成對人員、設備的嚴重
[2]
郭金峰，金屬礦山露天轉地下開采的發展現狀與對策
安全威脅。
[J].云南冶金，2003,32(1)：7-10.
[3]孟桂芳.國內外露天轉地下開采的發展現狀[J].化工
(4)復雜性和危害性。由于露采和地采開采方
礦物與加工，2009,38(4)：33-34.
式存在本質區別，露天轉地下開采過程中很有可能
[4]
E.M.科扎科夫，劉賀方.露天開采極限深度的技術經
要同時面臨來自兩種采礦方式的安全和技術問題，
濟論證[J].國外金屬礦采礦，1988，(1).
甚至會出現兩者揉合后新的安全技術問題，其復雜
[5]
王運敏.露天地下聯合開采關鍵問題及技術方向[].
性要遠遠高于單一開采方式，這就需要有足夠的面
金屬礦山，2009，(S1):127-131.
對復雜問題的安全風險意識。
[6]
楊力，王新民，趙建文石人溝露天轉地下采礦方法
由于露天轉地下開采后，地采活動是在原露天
優化選擇[J].金屬礦山，2011，(7)：19-23.
坑下方進行，當露天坑積水時，可能會大量滲人下方
[7]
許敏捷，楊勇，露天轉地下采礦方法的研究[]地
地采坑道，從而對地下開采造成安全隱患。所以在
球，2015，(6).
前期露天開采時一定要制定出非常完善的防排水措
[8]
張永彬，趙興東，楊天鴻，等.用數值模擬方法確定露
天轉地下境界礦柱厚度[].礦業工程，2003，(4)：25
施，同時制定出對地下開采時產生滲水情況的預防
-28.
和應急方案，防止出現水災事故。
[9]許宏亮，楊天鴻，朱立凱.司家營鐵礦Ⅲ采場露天轉地
4結語
下境界頂柱合理厚度研究[J].中國礦業，2007,16
隨著國內大量露天礦淺部資源的逐漸耗竭，從
(4):74-76.
露天轉向地下開采已是大勢所趨。面對露天轉地下
[10]崔志平.露天轉地下開采覆蓋層合理厚度研究[D].
包頭：內蒙古科技大學，2013.
安全開采過程中不斷出現的技術和管理問題，需要
[11]喬國剛，占金，楊丹丹，等.露天轉地下開采覆蓋層
在充分借鑒國內外相關研究成果的基礎上，逐步研
厚度的影響因素分析[].金屬礦山，2008，(4)：34-
究總結出更加符合我國礦山露天轉地下安全開采的
36.
技術和管理手段。相信通過國家“十三五”科技支
[12]劉漢斌，鄭承志，李文增.鐵礦露天轉地下開采的安
撐項目的實施和有關礦山企業、高等院校科研院所
全問題探討[J].Energy and Energy Conservation,
的聯合攻關和研究探索，將會很快形成一套完整成
2012,(10):121-122.
熟且先進的技術和管理體系。
[13]南世卿.露天轉地下開采過渡期采礦方法及安全問
[參考文獻]
題研究[J].現代礦業，2009，(1)：27-32.
[]張海波，劉芳芳，董付科.露天轉地下開采地質災害規

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