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1、露天轉地下開采覆蓋層安全結構和邊坡變形動力沖擊與控制研究,內 容 提 要,一、前言二、露天轉地下開采覆蓋層安全結構與合理厚度研究 三、露天轉地下開采邊坡變形動力沖擊演化機理及其控制研究 四、結語,一、前 言,我國冶金礦山80%的礦石量來自于露天開采。經過幾十年開采，目前大多數大中型露天礦山已經進入中后期開采，很多礦山的開采方式已由山坡開采轉入凹陷開采。由于大型鐵礦床多數為傾斜和急傾斜礦體，埋藏延深較大。凹陷開采深度超過400m500m后繼續進行露天擴幫開采，不但經濟上不合理，而且造成土地的大面積占用和剝離的大量廢石對生態環境的破壞。露天轉地下開采是集露天和地下兩種工藝優點為一體的綜合性開采技術2、。可以使礦山基建投資減少25%50%，生產成本下降25%左右。因此，露天轉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地下開采的整體技術水平仍然相對落后，困難和存在問題較多。對露天轉地下開采過渡時機把握不準確，過渡期過長或太短，不能實現平穩過渡，造成企業生產能力的波動，甚至減產、停產。對露天和地下開采缺少統一的全面規劃，露天和地下兩類相關的采礦工程設施不能有效地相互利用，露天與地下不配套、不協調，不僅浪費資金，而且很難進行大規模、高效率強化開采。,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而被損失掉，或者回收率太低，損失貧化大，造成資源嚴重浪費。露天3、轉地下開采過程中邊坡和地下巖層共同變形、相互影響，引發的地壓活動規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破壞情況更為復雜和嚴重。對覆蓋層作用機理認識不清，處理不當，造成通風、排水系統負荷增大，并可造成泥石流等災害事故，加大了地下開采的風險和成本。,一、前 言,同時，露天轉地下開采是一項系統工程，過程環節多，影響因素復雜。要實施露天轉地下開采的平穩過渡，既要提高生產能力、實現強化開采，又要保證生產安全，難度很大。為了解決我國金屬露天礦轉地下開采過程帶有共性的一系列關鍵技術問題，實現露天轉地下開采的平穩過渡和安全高效生產，“露天轉地下相互協調安全高效開采關鍵技術研究”被列入“十一五”4、國家科技支撐計劃，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，圍繞露天轉地下開采平穩過渡和安全高效生產5個方面的關鍵技術進行系統深入的試驗研究：露天轉地下開采滿足六大功能的覆蓋層的安全結構、合理厚度及其形成技術；露天轉地下平穩過渡和開拓運輸系統、采礦方法與工藝、通風、排水等系統的最佳銜接技術；露天轉地下開采過程中邊坡及巖層變形、破壞實時監測及預測預報技術，揭示礦山地壓災害事故的發生機理和內在規律。,一、前 言,露天轉地下相互協調的安全高效采礦工藝技術；露天轉地下開采安全生產綜合技術和自動化安全生產管理信息系統上述5個方面關鍵技術，對應了露天轉地下開采的各個環節。各技5、術環節相互依賴、相互支撐、相互匹配，構建一個整體優化的技術體系。保證首鋼杏山鐵礦露天轉地下開采的平穩過渡和安全高效生產，提升礦山的生產規模、生產能力，實現經濟效益、社會效益和環境效益的最大化。,一、前 言,二、露天轉地下開采覆蓋層的安全結構與合理厚度研究,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 防寒保暖 預防泥石流,二、露天轉地下開采覆蓋層的安全結構與合理厚度研究,覆蓋層力學行為和移動特性研究,實驗室模擬研究,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：覆蓋層厚60m，兩分段放礦,覆蓋層力學行為和移動特性研究6、,實驗研究結論,結論1：露天轉地下覆蓋層隨地下開采而沉降下移，宏觀結構可分為兩部分:流動層和整體下移層。,結論2：流動層高度HT 取決于采場結構參數、放礦制度。并受礦巖塊度、濕度等因素的影響。,結論3：流動層的結構 流動層巖石塊度最好接近地下采場礦石塊度。塊度過大，容易出現懸拱現象；塊度過細，巖石容易侵入到放出橢球體中，過早侵蝕出現貧化。,塊度過大造成的懸拱,粒度過細造成侵蝕貧化,結論4：整體下移層高度取決于設防標準，受覆蓋層滲流特性、竄風特性、溫變特性等因素所控制。,覆蓋層物料的水滲透特性,滲透系數的測定試驗,實驗裝備與材料,滲透實驗裝置,滲透實驗所用物料,不同粒徑組成覆蓋層的滲透系數,實驗7、結果,不同孔隙比下粗粒土的滲透系數實驗結果,不均勻系數不同時的滲透系數實驗結果,不同曲率系數時滲透實驗結果,覆蓋層的竄風特性,實驗室模擬實驗 為了研究分析覆蓋層的漏風參數及其影響因素，并進行了7種不同孔隙率條件下的漏風實驗。,覆蓋層的竄風特性,實驗結果分析漏風系數與覆蓋層厚度的關系,漏風系數與覆蓋層厚度間滿足指數關系，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，礦井的漏風量逐漸減小。,覆蓋層厚度m,漏風系數,漏風系數,覆蓋層厚度m,漏風系數與覆蓋層厚度關系圖（孔隙率38.5%）,漏風系數與覆蓋層厚度關系圖（孔隙率31.77%）,漏風量與覆蓋層厚度的關系,覆蓋層厚度與漏風量的關系（孔8、隙率31.77%）,漏風量，l/s,覆蓋層厚度，m,覆蓋層厚度與漏風量的關系（孔隙率38.5%）,漏風量，l/s,覆蓋層厚度，m,不同孔隙率下的最小覆蓋層厚度,通過對實驗數據的線性擬合，得出了不同孔隙率下為防竄風所需的最小覆蓋層厚度。,覆蓋層厚度對防寒的影響,計算模型和邊界條件 計算程序：FLUENT用于計算流體流動和傳熱問題的基于有限元方法的CFD軟件。,數值計算實體模型,有限元數值計算模型,覆蓋層漏風量的數值分析,覆蓋層厚度對防寒的影響,計算結果,不同孔隙比和覆蓋層厚度條件下的漏風平均風速（m/s）,覆蓋層漏風對井下溫度的影響,礦山進路斷面為18m，則根據上表中數據可得到不同孔隙率條件下覆9、蓋層的漏風風量。,不同孔隙率條件下覆蓋層的漏風風量（m/s）,覆蓋層厚度對防寒的影響,杏山鐵礦-30-45m分段運輸巷道井下空氣溫度為7，滲入冷風后在進路與運輸巷道交叉處的溫度見下表。,當覆蓋層厚度達到40m以上時，滲漏進入井下的冷風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對井下溫度影響（）,預防井下泥石流災害研究,泥石流發生的條件,對于采用崩落采礦法的露天轉地下礦山，極易滿足井下泥石流發生的三個基本條件。,露天覆蓋層露天邊坡沖積物,有大量固體物質，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通,降（暴）雨短時間內露天采坑匯集大量降水、分段出礦,存在能10、讓泥石流流動的通道,短時內補給充足的水源及誘發因素，如持續降雨、采礦活動等,預防井下泥石流災害研究,預防泥石流發生的關鍵技術措施,要預防井下泥石流的發生，需要抑制、消除泥石流發生的必要條件，對露天轉地下礦山而言，可采取的措施如下：,減少覆蓋層中可能產生泥石流的固體物質,與覆蓋層功用矛盾，工程實現比較困難,和采礦方法有沖突,減少、消除泥石流產生的通道,減少、消除覆蓋層中的補水能力，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到目的,覆蓋層安全結構和合理厚度的確定,整體下移層的結構由粗料和細料兩部分組成，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5mm的細顆粒占體積11、比為30%40%。細料的滲透系數控制為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，其最小厚度大于1.5倍的分段高度。,整體下移層結構及厚度的確定,流動層結構及厚度的確定,覆蓋層安全結構和合理厚度的確定,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，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漏風、防寒和遲滯水滲透的作用，粒度結構較細；流動層和12、礦石層接觸，主要起防止礦石放礦過程中過早貧化的作用，粒度結構較粗。實際回填時，在露天坑+10 m平臺進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,詳細調查了礦區地質構造，礦體地質特征、水文地質條件等。礦體圍巖穩定性及采場的災害特性調查與分析。礦區4個水平8個點的補充地應力測量。,工程地質環境及圍巖穩定性條件,工程地質環境及圍巖穩定性條件,地應力計算結果,杏山鐵礦礦區地應力場主應力隨深度回歸曲線,杏山鐵礦h,max，h,min，和v13、與深度的關系,應力值(MPa),深度(m),露天轉地下開采物理模擬實驗研究,根據巖體結構特征、巖體不連續面特征、邊坡特征、地下礦體賦存特征，結構面與邊坡面的組合切割關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，分析得出、區最不穩定。,邊坡地質分區圖,露天轉地下開采物理模擬實驗研究,選擇貫穿、兩區最不穩定區域的B11剖面為相似實驗剖面建立了實驗模型。,模型的平面位置圖,模型剖面圖,模擬實驗裝置和應力應變監測系統,露天轉地下開采物理模擬實驗研究,應變監測：DH-3816靜態應變測試系統(全智能化巡回數據采集系統）應力監測：ZYJ-25型鉆孔應力計失穩破壞過程監測：自動連續數碼攝像,應14、力監測系統,露天轉地下開采后，由于地下礦體的開采打破了上部邊坡巖體的應力平衡狀態。引起邊坡巖體內部應力的不斷調整，出現局部應力集中，當應力集中超過巖體強度極限或超過邊坡巖體穩定性能量極限時便發生破壞。其破壞是一個漸進的、不斷擴大的過程：局部裂隙發生、發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和沖擊破壞。,露天轉地下開采物理模擬實驗研究,邊坡失穩破壞過程,露天轉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,邊坡巖體破壞形式主要是受斷層切割部分的巖體沿斷層發生了滑移，15、使得斷層由局部活化轉化為全部活化，對地下開采造成一定的動力沖擊影響。,-90水平開采后邊坡破壞形態,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不斷積累，在上下盤邊坡巖體更高處出現了向采空區方向發展的裂隙，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,上盤邊坡巖體淺表層破壞比較嚴重。采空區處的上盤巖體破壞向深部發展，出現了第二次滑移，再次發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展，一定深度范圍內變形已超出了允許極限并發生局部變形破壞，同時也是邊坡巖體下一次動16、力沖擊的蓄能過程。,-165水平開采邊坡破壞形態,-210水平開采后邊坡破壞形態,-255水平開采后邊坡破壞形態,邊坡變形動力沖擊演化機理,(a)首次動力沖擊孕育階段,(b)首次動力沖擊,(c)循環動力沖擊孕育階段,(d)循環動力沖擊,坡體裂隙孕育發展,礦體采出覆蓋層下移,坡體被切割部分滑移產生動力沖擊影響,上部微裂隙發展,上部微裂隙發展,礦體采出覆蓋層繼續下移,坡體滑移巖體隨著開采再次發生動力沖擊影響,覆蓋層隨著開采繼續下移,坡體深部裂隙的再次孕育發展,坡體滑落后形成的覆蓋層隨著開采繼續下移,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。隨著開采的進行邊坡巖體中變形能不斷積累，微裂隙17、不斷發展擴張，當開采到某一深度時，積儲的變形能突然釋放導致原有微裂隙的迅速擴張貫通，從而使大塊的滑移體向下運動沖向采場，造成了采場的動力沖擊災害。首次動力沖擊發生后礦體繼續向下開采，邊坡巖體又進入下一次的變形蓄能階段，隨著礦體繼續開采又進入下一次變形能積累與損傷微裂隙發展擴張過程，當繼續開采一定深度時，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出現上述現象，形成循環動力沖擊影響，不斷威脅著礦山的安全生產。,邊坡變形動力沖擊演化機理,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力平衡狀態應力不斷調整，并會導致循環動力沖18、擊災害。為了改善邊坡巖體的平衡狀態，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高不變(如右圖所示)，以增強對邊坡巖體的支撐防止坡體突然的大范圍滑移。,循環動力沖擊控制措施,動力沖擊控制措施,為了防止循環動力沖擊影響保持覆蓋層頂部標高不變,露天轉地下邊坡變形、破壞特征及其穩定性數值模擬露天轉地下邊坡巖體變形規律露天轉地下邊坡應力變化規律露天轉地下邊坡破壞場特征邊坡及巖層變形實時監測與預測預報技術監測網布置實時監測數據基于支持向量機的邊坡變形評價與預測露天轉地下開采地壓監測與圍巖穩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力監測地下圍巖破壞和失19、穩聲發射監測,四、結語,本項目以首鋼杏山鐵礦為依托工程，對金屬礦露天轉地下開采5個方面的關鍵技術進行了系統研究。（1）確定了杏山鐵礦露天轉地下開采的最佳過渡方案，實現了露天轉地下開采采礦方法和工藝及產量的合理銜接，完成了露天轉地下的不停產平穩過渡，保持了礦山生產規模和效益的穩定與適度增長。（2）發現了露天轉地下覆蓋層隨地下采礦獲得呈分層特性的規律，提出了覆蓋層的分層結構及滿足其功能需求的合理厚度的確定方法；并根據散體溜放自然分級特性，提出了形成覆蓋層的新方法。,（3）通過相似模擬試驗、現場監測和數值模擬，揭示了邊坡和地下巖體變形破壞的演化特征及地下開采導致循環動力沖擊災害的機理，提出了回填廢石保持覆蓋層標高等預防動力沖擊災害和控制采場地壓的技術。（4）提出了適合于露天轉地下開采的成套安全高效開采技術；基于杏山鐵礦的開采技術條件，建成了露天與地下共用的開拓運輸系統；通過工業試驗，優化了無底柱分段崩落法結構參數，取得了良好的技術、經濟指標。,四、結語,（5）在杏山鐵礦建立了露天轉地下開采安全生產綜合技術系統和基于GIS的安全生產管理信息系統，實現安全生產與管理的信息化、自動化，為礦山的安全高效開采提供了重要保證條件。杏山鐵礦轉地下開采后，生產規模為320萬噸/年，2012年達產。與露天開采100萬噸/年的生產規模相比，生產能力和效益都得到大幅度提升。,四、結語,謝 謝,