金属矿山露天转地下开采的研究现状与对策

2018-01-30高智令

世界有色金属 2018年18期

高智令

（瑞木镍钴管理有限公司，北京 100028）

随着经济的快速发展，金属矿产资源逐渐减少，不可避免的要经历露天转地下的开采过程。尤其是对于宽体的、直接顶板稳固性不好的、连续性不好的，露天转地下的开采方式是必然会采用的。主要原因是存在上述问题的矿产在开采时，极易发生顶板冒落的事故，对作业人员的生命造成的威胁不容小觑。所以，近些年来，金属矿产的露天转地下存在的问题及相应的解决思路的研究受到了广泛关注。

1 露天转地下开采的相关问题

采用露天转地下开采手段的矿山一般是具有矿体有较大延伸、覆盖层较薄，矿床急倾斜为中厚或厚大[1]。这类矿床具有的特点是初期一般露天开采，能够实现迅速投产且投资成本较低，且贫损指标较好。但是这种矿山在不断开采延伸后，会过渡为半地下开采，直至全地下开采[2]。因此露天转地下并不是直接跨越而是要经历一个露天与地下同时开采的过程。对采矿规模较大的工程，非常容易造成岩体失稳、变形甚至是破坏，根据所处的工程状态的差异，可以分为四种，分别是：露天开采造成的、露天和地下同时开采造成的、露天转地下开采造成的和地下开采造成的。

不同状态的采矿过程，差别也是非常大的。对于露天开采来说，矿体是急倾斜的，达到一定深度后，因矿体本身的埋藏条件和采出条件影响，必须要进行地下开采或陆井联采。这种开采模式在国内外均有广泛应用，尤其是对于金属矿产来说。在我国，许多金属矿产开采已经进入了中晚期阶段，深凹露天矿已基本进入即将结束的阶段。在露天采矿坑的围岩中，有些配套工程是永久性的，比如巷道或者竖井等，一旦这些工程发生变形甚至破坏，将会影响其使用安全。

2 金属矿山露天转地下开采的研究现状分析

（1）露天转地下采场结构参数研究现状。矿山结构参数一般根据矿体倾角、赋存条件、矿区所在地区的地质构造、采空区周围的构筑物情况以及围岩的稳固条件来选定。目前，矿山结构参数并不是固定的，其确定一般有三种方法。分别是：①经验类比法。这种方法因为简单、经济成本低，所以应用相对广泛。主要借助已有的类似矿山总结的经验，选择比较保守的取值。②数值模拟法。这种方法是基于计算机技术的出现而发展起来的，是一种相对较新颖的方法。模拟的方法主要有有限元、离散元、边界元和不连续变形法等，这些方法在选取采场结构参数方面发挥了重要作用。③遗传算法。由于采场结构参数的影响因素非常复杂，通过一个数学表达式是很难实现对其详细描述的，所以也就无法为优化结构参数提高有效指导。遗传算法的特点是鲁莽性较高，因此容易得到较优的设计方案。

（2）露天转地下采场顶柱稳定性研究现状。金属矿山开采时，由露天转地下时，境界顶柱稳定性很大程度上决定了工程安全性，因此，这方面的研究也相对较多。目前境界顶柱厚度的确定和稳定性分析一般通过极限平衡法或者数值模拟法确定。近年来，计算机技术快速发展，数值模拟方法也随之得到了广泛应用。有研究学者应用数值模拟法进行露天转地下的安全保留层计算，得到比较理想的结果。

（3）露天转地下采场回采顺序和开采方案研究现状。①比较合理的回采顺序既要将开挖稳定性考虑在内，还要避免局部地段出现能力和能量集中，有效防止变形破坏的现象。回采顺序的研究方法一般有：物理模拟法、工程类比法、神经网络识别方法、计算机模拟法以及数值分析法等。在回采顺序方面，许多学者都做了大量有益工作，也获得了可喜的成果。

比如有学者借助FLAC3D分析软件模拟了不同回采顺序造成的边坡稳定性变化以及应力分布的变化规律。②露天转地下开采涉及了两种工艺，既有露天又有地下，因此需要提前做好统一规划。在进行开采方案确定时，需要对以下因素进行重点考虑：矿场与工程的相对位置；地下开拓系统是否为公用。

（4）露天转地下采场边坡稳定性研究现状。岩体边坡的稳定性是研究露天转地下开采的方面的一个重要问题。边坡稳定性分析有定性、定量和不确定性三种常见的分析方法，此外还有智能分析方法等。定性分析的主要方法有边坡工程数据库和自然历史分析法，考虑因素比较多，可对发展趋势进行定性评价。定量分析是借助力学原理展开的，但是定量很难实现，一般就是半定量方法。有数值模拟方法和极限平衡分析法两种。不确定性方法大约是1970年之后出现的，随着一些新的理论出现和新的分析方法出现，边坡稳定性的研究已不是一个单一学科，而是与模糊数学理论、可靠性理论、灰色系统理论等学科相融合。在进行边坡工程设计时，人们逐渐认识到这个过程中的不确定性非常大。

3 金属矿山露天转地下开采的相关问题的解决对策

（1）解决思路介绍。收集金属矿山露天转地下过程中的边坡位移监测数据，收集数据的时间尽可能长，数据尽可能详细的。这一过程的研究内容主要包括三个方面：根据金属矿山多年的GPS监测数据，借助数值模拟和物理模拟等手段，研究露天转地下后的采坑围岩发生变形的特点和规律；根据GPS监测数据进行采坑底部隆起的研究，分析隆起发生的机理，并借助模拟分析的手段，详细解析隆起的发生；研究因露天转地下开采引发的围岩变形活化的问题，主要借助对典型断层发生活化的案例进行现场实际调查、测量位移数据，并借助模拟手段，深入研究断层活化的相关问题。

（2）技术路线介绍。对于因露天转地下开采造成的金属矿山的相关问题，应采取合适的技术路线进行解决。前面提到了收集岩体位移的相关数据和应用一些模拟手段，对变形规律和机理进行详细研究，下面介绍一下具体的技术路线：及时搜集整理国内外关于这方面的研究进展和成果，便于查阅和辅助判断；对金属矿山的现场情况进行实地调查，收集一些基本的地质数据；对已有的检测数据进行整理汇总；应用模拟手段对围岩变形发生的特征、底部隆起发生的机理和断层活化发生的条件等进行模拟和分析。