露天转地下过渡期协同开采方法研究

任凤玉 李海英 周胜利 王春贤

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.海南矿业股份有限公司，海南 昌江 572700)

露天转地下过渡期协同开采方法研究

任凤玉1李海英1周胜利2王春贤2

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.海南矿业股份有限公司，海南 昌江 572700)

在我国冶金矿山露天转地下的过渡期，由于露天与地下开采相互干扰，造成过渡期安全生产条件差和产量衔接困难，这一问题多年来一直没有得到很好解决。针对过渡期露天开采境界内底部矿量、地下开采挂帮矿量的常用开采模式，提出了挂帮矿地下诱导冒落法开采方案，并从扩展露天地下同时开采时间与空间的需要出发，研究了露天境界细部优化方法以及露天地下协同生产技术，由此研发出露天地下协同开采方法。理论分析与海南铁矿实际应用表明，该方法可显著改善安全生产条件和有效提高露天转地下过渡期生产能力。

露天转地下 协同开采 诱导冒落 境界细部优化

我国约90%的露天铁矿山均已进入深部开采，其中许多深凹露天矿已经或陆续转入地下开采。在露天转地下开采的过渡期，由于受边坡岩移威胁，露天与地下生产相互干扰[1]，不仅安全条件差，而且产量衔接困难，致使大型铁矿山一般都是减产甚至停产过渡，严重影响了矿山企业的经济效益。

在已有研究中，基本上都是立足于保持边坡稳定的条件下，改善露天与地下的开采环境以及加大露天地下同时开采时间。其中国外研究主要集中于露采极限深度、露天与地下不同时空的联合开采方法以及露天地下开采风险防控等技术[2-3]；国内研究主要集中于露天地下开采界线、开拓系统衔接方式、挂帮矿采矿方法选择、露天地下安全生产技术等[4-9]。这些研究成果，虽然为矿山确定过渡期采矿方法与安全生产技术提供了选择空间，但由于未能解决过渡期生产相互干扰问题，导致未能从根本上解决安全条件差和产量衔接困难的技术难题。为解决这一难题，需要针对过渡期矿体现有开采条件，充分利用露天与地下开采的工艺优势，统筹构建露天与地下安全高效开采模式与工艺技术，研发露天地下协同开采方法。

1 协同开采模式

露天转地下过渡期为露天与地下同时生产时期，其矿石生产的大系统由露天开采与地下开采2个子系统组成，其中露天开采的空间逐渐减小，地下开采的空间逐渐增大，最终露天开采系统消失，地下开采系统跃升为矿石生产的大系统。在此过渡过程中，针对露天开采境界内底部矿量、地下开采境界外挂帮矿量的常规开采模式(见图1)，研究过渡期露天与地下开采系统的相互影响与相互协作关系，分析影响矿石产量的控制因素，充分利用露天与地下生产系统之间的协同作用[10-11]，拓展露天地下同时开采的时间与空间，应是增大过渡期矿石生产能力的最佳途径。

图1 过渡期露天地下同时生产模式

在图1生产模式中，采动岩移与爆破振动是影响露天地下同时生产的主要因素，为尽可能拓展同时开采空间增大产能。第一、需要研究可控制边坡岩移危害的回采工艺方法，有效减小露天与地下采矿作业的影响范围；第二、需根据露天与地下开采优势对比结果，细部优化露天开采境界，推后露天开采结束时间与提前地下初始开采时间，以延长露天地下同时生产时间；第三、需充分利用露天开拓系统的现有工程，加快地下采准进程，快速发展壮大地下开采系统，尽早形成地下生产能力；第四、系统构建露天与地下的安全保障系统，包括露天采场安全防护措施和爆破药量控制、地下采空区冒落危害防治措施等，以确保生产安全。

总之，在露天转地下过渡期，针对矿体开采条件，解决边坡岩移危害控制难题，据此研究露天地下协同开采技术，充分发挥露天地下开采协同作用，才能更好地实现安全高效的开采目标。

2 挂帮矿诱导冒落采矿法

过渡期地下开采的挂帮矿量，通常是露天开采的剩余矿体，其水平面积呈上小下大，而且在露天开采卸荷与爆破振动的作用下，矿岩结构弱面进一步发育、扩张，从而使矿岩强度弱化易于冒落。现今常用的无底柱分段崩落法、空场法与空场嗣后充填法，均不能很好地适应挂帮矿体的开采条件，其中空场法与空场嗣后充填法都需要限制采场尺寸或采取支护措施保护边坡的稳定性，从而使开采效率受到影响。此外，采动损伤边坡围岩的强度，增大了边坡岩移危害的风险；而无底柱分段崩落法破坏边坡，需与露天采场保持一定的安全距离，初始回采时间受到限制。为消除这种露天与地下开采的时空干扰关系与改善安全生产条件，就需要针对挂帮矿体的特点改进采矿方法，使之既具有足够大的开采效率，又不严重影响露天生产安全。按此需求，本研究提出了诱导冒落法开采方案，采场结构如图2所示，将诱导工程布置在挂帮矿体内标高较低的位置，采用适应的回采顺序与采空区高度，使其在回采过程中形成体积足够大的连续采空区，诱导上部矿岩自然冒落[12]，冒落的矿石在下部1～2个分段回采过程中按计划回收。

图2 挂帮矿诱导冒落法开采方案示意

为使冒落矿岩全部落入塌陷坑内，诱导工程的回采高度需满足下式：

式中，h为采空区平均高度，m；H为诱导工程底板至地表的平均高度,m；R为诱导工程回采范围的等价圆半径，m；η为矿岩平均碎胀系数；β为岩移角，(°)。

如果诱导工程的回采跨度小于矿岩持续冒落跨度，可利用多分段回采空间诱导上覆矿岩自然冒落，此时需要在回采工作面采取散体防护措施，防治采空区冒落的冲击危害。

此外，如果挂帮矿边坡高陡，诱导冒落工程所形成的地下采空区的容量不足以存放上部可能发生岩移的散体量时，可能有部分散体落入露天采场。此时，需进行露天边坡滚石试验，根据滚石落点范围，于适宜台阶或坑底设置防护坝，防治边坡滚石危害，确保露天生产安全。

研究表明，图2所示的诱导冒落法，通过调整回采顺序与回采高度来控制露天边坡岩移方向，使其避开或背离露天采场，从而可避免边坡岩移对露天采场的威胁。通过降低诱导工程的位置高度，推迟地下开采对露天边坡扰动的时间，可提前地下初始开采的时间。通过大量节省落矿工程和增大首采分段的回采面积，可大幅提高开采强度，快速增大地下生产能力。

3 露天开采境界优化

合理延长露天地下同时开采的时间，是增大过渡期产能的有效措施。为此，在选取适宜的采矿方法与回采工艺，提前地下开采的同时，需要对露天开采境界进行细部优化，推后露采结束的时间。细部优化的方法是，对开采境界附近的每一矿体或矿体的每一部位，分别进行地下与露天2种方式的开采方案设计，对比各方案的技术经济指标，比选出每种方式的最佳方案。在此基础上，综合考虑开采的难易程度以及最佳方案下的矿石安全回采指标，优选出露天或地下开采方案，由此确定露天开采的最佳境界。经过细部优化后，露天开采矿量一般显著增大，回采时间得以延长，且可使境界附近矿量得到经济高效开采，实现境界资源开采效益的最大化。

以海南铁矿为例，该矿原设计露天开采境界的最低标高为0m，0m以下矿体全部地下开采。由于矿体形态复杂多变，夹层较多，如此划分境界，使得E3a～E5a线之间及E2a以西的一些露天境界外的浅部矿量、孤立小矿体与边角矿量地下开采的采准系数过大、且矿石损失率大。为此，本着有利于安全生产与经济效益最大化的原则，按照前面所述的露天开采境界细部优化方法，将露天坑底由0m水平优化到-72m水平，从而使不便于地下开采的矿量得到安全高效开采(见图3)。海南铁矿露天开采境界的细部优化结果是，露天可采矿量增大640万t，随之露天开采时间可比设计延长30个月，露天地下同时开采时间增大36个月，有效增大了过渡期产能，为实现露天转地下过渡期产量平稳过渡创造了条件。

图3 海南铁矿露天境界优化前后对比

4 露天地下协同开采方法

挂帮矿诱导冒落采矿方法与露采境界细部优化两大主要技术问题的解决，为过渡期协同开采创造了条件。在此基础上，协同露天地下开采时空与功能，便可构成露天地下协同开采方法，具体内容见图4。

图4 露天地下协同开采方法

分析得出，露天地下协同开采方法，除了可充分利用露天与地下开采的工艺优势外，还可利用岩体冒落规律与散体流动规律[13-14]简化回采工艺，因此可取得更大的增效降耗效果。

5 结 论

(1)针对露天转地下过渡期的常用生产模式，研究露天地下协同开采方法，是解决过渡期安全生产条件差和产量衔接困难的有效途径。

(2)采用诱导冒落法开采挂帮矿，通过协调地下回采顺序与回采高度引导岩移方向使之指向塌陷坑，可大幅降低露天地下露天开采的相互干扰，同时设置必要的防护工程防治岩移对露天采场的冲击，能有效防治地采岩移危害。

(3)对比露天与地下开采方案的矿石回采指标与开采难易程度，对露天开采的境界矿量进行露天与地下开采的细部境界优化，可显著提高境界矿量的开采效益，并便于延长露天与地下同时生产的时间。

(4)露天转地下开采过渡期的生产效率，主要取决于露天地下扩展时空的协同，回采顺序的协同，产能计划的协同以及开拓系统、岩移管控、覆盖层形成、生产危害防治、安全生产信息传送等的协同。解决好这些协同技术，形成适合矿山条件的露天地下协同开采方法，可大幅度提高过渡期的开采效率。

(5)理论研究与海南铁矿应用实践表明，本研究提出的露天地下协同开采方法，通过安全扩展露天地下开采的空间与时间、增大露天地下同时回采的工作面、大量节省落矿工程减小采准系数及提高境界矿量的回采率，可有效提高露天转地下过渡期产能，实现稳产或增产过渡。

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(责任编辑 徐志宏)

Research on Synergetic Mining during Transition Period from Open Pit to Underground

Ren Fengyu1Li Haiying1Zhou Shengli2Wang Chunxian2

(1.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Hainan Mining Limited Company，Changjiang 572700，China)

During the transition period from open pit to underground mining，a series of difficult problems occur due to the open pit and underground mining unintended mutual interferences，which lead to poor safety condition and low productivity.This problem still has not been solved.Aimed at the normal production model at the bottom of open pit and the hanging-wall of the underground during the period，a coproduction mode of underground induced caving for hanging wall ores was put forward.From the view of extending the time and space needed by the simultaneous mining of open pit and underground，the optimization of open pit boundary and the synergetic production of open pit and underground mining are investigated.Then，the synergetic mining method for open pit and underground are explored.The theoretical analysis and operational experience of Hainan Iron Mine showed that this approach can significantly improve the safety conditions and raise the capacity of ore production in the transition period.

Transition from open pit to underground mining，Synergetic mining，Induced caving，Optimization of mining boundary

2014-06-05

“十二五”国家科技支撑项目 (编号：2013BAB02B08)，国家自然科学基金重点项目(编号：50934006)。

任凤玉(1956—)，男，教授，博士生导师。

TD853.3

A

1001-1250(2014)-11-007-04