露天转地下覆盖层理论研究与实践的进展及趋势*

陈　超　井伯祥

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北省矿业开发与安全技术实验室)



露天转地下覆盖层理论研究与实践的进展及趋势*

陈超1，2井伯祥1，2

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北省矿业开发与安全技术实验室)

摘要露天转地下覆盖层作为地下开采的保护设施，具有防止冲击地压、形成挤压爆破和端部放矿条件、阻滞水、减少漏风、防寒保暖、预防泥石流等作用。详细讨论了国内外研究机构在露天转地下结构、运移规律、安全作用机理等方面的最新研究成果，介绍了国内矿山露天转地下覆盖层形成应用过程中的成功经验。最后，总结了未来露天转地下覆盖层研究的方向和趋势。

关键词露天转地下覆盖层散体特性无底柱分段崩落法

露天矿山在我国的铁矿采掘产业中占有相当大的比重，本世纪初期，露天产能约占地下产能的80%左右，但随着近十年开采强度的大幅攀升，目前很多露天铁矿浅表资源枯竭，亟待转入地下生产。预计2025年左右，现有露天铁矿产能将消失50%左右。露天转地下开采工程并不是简单的生产方式转换问题，仅从工艺角度，就涉及到露天、地下2套生产工艺，还要兼顾两者的相互衔接，其涉及工程问题繁琐，而且衔接过渡过程往往涉及到很多复杂的安全问题。

露天转地下覆盖层是介于露天采场和地下采场之间的一个安全隔离层，是转地下过程中采用崩落法的矿山必须设置的安全工程设施，能够起到防止边坡滑塌冲击地压、阻滞水渗透、减少漏风、防寒保暖、预防井下泥石流和提供落矿放矿条件等作用，保障转地下过渡期的安全稳定。另外，由于覆盖层散体是直接覆于地下矿石之上，对于回采矿石散体的流动性、力学性质、品位变化等都有着密切联系。

1露天转地下覆盖层基础理论研究

1.1覆盖层理论实验基础研究

覆盖层理论研究的基础是无底柱分段崩落法的研究，其核心是放矿学理论研究。放矿学理论研究可以追溯到上世纪30年代的前苏联，当时仅仅是在实验室内建立简易放矿模型观测崩落矿岩的流动，得到了矿岩流动的最初实验结论，这也是后来各种放矿研究的雏形。在实验结论的基础上，学者И.M.马拉霍夫于50年代提出椭球体放矿理论，为采场结构参数的确定和选取提供了理论支撑，该理论也为后来国内外学者研究放矿理论及岩土力学性质提供了坚实的基础。此后，放矿系统理论不断被完善并提出新的理论，六七十年代逐步提出了放矿角和放矿漏斗理论、三轴椭球体理论，通过松散介质力学及随机放矿理论提出数值模拟方案；八九十年代离散元理论开始被引入到放矿研究的领域，离散元理论是以粒子运动概率论为基础的研究，对覆盖层的数值研究起到了一定的推进作用，并取得了相当大的研究进展；21世纪后提出覆盖层分层结构，通过利用各层内部耦合作用机理的差异，从而形成一个完整的覆盖层保护系统，上下分层联合作用更好地形成安全合理的覆盖层保护散体，是覆盖层理论研究系统新的里程碑。

覆盖层散体的研究是依据采用无底柱分段崩落法的地下矿山，且只适用于采用无底柱分段崩落法开采的矿山。无底柱分段崩落法是上世纪60年代被引入我国的，之后便以其结构简单、出矿量大、操作方便等优点被迅速广泛应用至今。露天转地下的矿山在过渡期需要出矿量大的地下开采方式，以缓解露天开采矿石减少而造成的减产，达到稳产过渡，而无底柱分段崩落法是地下开采的最佳方案。

研究无底柱分段崩落法是有机地运用随机介质放矿理论和椭球体放矿理论，而对于覆盖层散体流动的研究目前最普遍采用的研究理论是随机介质理论。随机介质理论是波兰学者J.Litwiniszyn于20世纪50年代在研究岩层移动时提出来的[1]。在我国，则是由中国工程院刘宝琛院士引入的，他是随机介质理论在中国发展的探索者和实践者。其原理是将散体简单的视作连续流动的随机介质，采用概率论的方法计算散体颗粒在运动过程中的速度和位移的理论体系。

为了解决露天转地下覆盖层功能机理及形成方法方面的难题，采矿行业的专家学者在散体动力学理论的基础上，运用各种方法对覆盖层的形成进行了研究。在覆盖层基础理论研究方面，目前主要有华北理工大学的分层控制-高台阶一次形成理论、东北大学的诱导冒落形成理论以及北京科技大学预防泥石流机理研究。此外，马鞍山矿山研究院等单位对覆盖层的移动规律、物质构成、损失控制等方面也进行了大量研究。

北京科技大学朱志根、吴爱祥基于对无底柱分段崩落法的研究，运用散体力学的理论，对不同块度大小的覆盖岩层散体颗粒和崩落矿石的相互影响进行室内物理试验研究[2]，研究表明颗粒块度的大小对放出矿体的形状和大小有重要影响，结论也对现场有着一定的指导意义。

华北理工大学甘德清以首钢杏山铁矿为研究背景，从覆盖层回填料动力学原理与运动状态和自然分级的影响因素分析出发，通过理论分析、物理模拟试验、现场排土场试验等研究手段，深入分析了露天转地下覆盖层回填自然分级规律，最终验证了杏山铁矿采用倒排排土场废石形成具有一定合理结构和厚度的覆盖层方案的可行性[3]。

北京科技大学杜翠凤针对大冶铁矿地下开采过程中由于覆盖层设计存在缺陷导致的漏风问题，进行物理实验研究[4]。大冶铁矿的漏风问题十分严重，通风困难使地下污风排不出巷道，危害地下施工人员。实验运用4种粒级颗粒形成覆盖层，研究4种粒级的孔隙率与覆盖层高度的某种关系，从而设计出最佳散体块度和覆盖层厚度，防止地表漏风。

另外，目前大量的研究还对于覆盖层散体从块度对放矿影响研究[5-7]、散体移动规律研究[8]、合理覆盖层形成方法的研究[9-13]、渗流通风研究[14-16]以及产能衔接及平稳过渡方案的优化研究[17-19]等方面做了基础研究的探索和发现。

1.2露天转地下覆盖层运移规律研究

华北理工大学的研究人员很早就在露天转地下开采工艺等方面进行了大量的研究工作，提出、研发了露天转地下联合采矿方法等基础理论和工艺技术。早期的研究中，甘德清及其研究团队结合石人沟等矿山的工程实践，对覆盖层的功能机理和结构厚度的确定方法进行了一些初步的探索和实验，通过计算机模拟、物理实验和现场试验，观察了覆盖层矿岩界面随着放矿的移动规律(图1)，并根据物理形似模拟实验的结果，初步构建了覆盖层渗漏模型，这些早期的研究探索为后期提出的覆盖层分层控制理论提供了基础。

图1　覆盖层分层特性示意

甘德清课题组在进行“十一五”国家科技支撑计划课题“露天转地下相互协调安全高效开采关键技术研究”期间，结合研究内容，以首钢杏山铁矿为示范矿山，对露天转地下覆盖层的运移规律进行了大量实验研究。甘德清教授等以随机介质放矿理论为基础，构建了相似模拟平台和数值模拟模型，该项目从露天转地下覆盖层安全功能需求和结构特点入手，研究覆盖层整体移动规律及其移动过程中的结构变化(图2)。其实验研究结果表明：覆盖层的运移过程是放出椭球体和松动椭球体形成的渐变过程，在均匀出矿的前提下覆盖层运移具有分层的规律，即松动椭球体内的覆盖层为不稳定结构层(流动层)；松动椭球体影响之外的覆盖层为稳定结构层(整体下移层)，如图3所示。椭球体内覆盖层的颗粒移动速度具有脉冲式的特点，细颗粒运移速度大于粗颗粒的速度，细颗粒向下的快速运移是引起矿石超前贫化的主要原因。

图2　覆盖层岩石颗粒接触力和颗粒移动速度变化

图3　覆盖层分层结构

依据覆盖层的分层移动规律，甘德清教授等提出了露天转地下覆盖层分层控制理论，将覆盖层按其移动规律和功能需求特点分为2层：上面结构稳定的整体下移层作为实现覆盖层防透水、防漏风的渗漏平衡层，下面结构变化大、参与矿石放出的流动层作为覆盖层损失控制层，整体下移层和流动层联合起到预防、缓解冲击地压灾害和防寒保暖的作用。

根据放矿椭球体理论，研究落矿时矿岩间的相互影响，利用不同种类的散体进行矿岩界面的渗流实验，研究渗漏情况，最终从放矿椭球体理论和防排水2个方面综合确定覆盖层的合理厚度。

1.3覆盖层数值分析研究

工程岩土力学性质的数值研究分为连续介质理论力学研究和非连续介质理论力学的研究[20]。前者研究的对象主要是一个完整的整体，研究方法主要有有限元法和快速拉格朗日法，所使用的计算工具有FLAC、GTS、ANSYS等；该模型是由多个模块组成，由连接节点将各个模块连接成一个完整的几何模型，并且将应力施加到节点当中，细化处理后，通过计算机对其模型的计算研究其外部变形及内部应力变化的规律。后者的研究对象则是一个由破坏的整体或者由众多不连续的有相互接触面(点)的相互独立颗粒组成的集合，研究方法主要是块体分析法和离散元法，主要使用的工具是DDA、PFC、FLUENT、UDEC等；该方法主要是建立大量数目的颗粒，使其进行点或面接触，提前设定颗粒属性和接触条件，生成整体的散体模型，然后通过计算机计算散体在移动过程中的运动情况，记录散体在移动过程中的各个物理特性的变化和物理力学参数的变化，研究散体非线性问题。

露天转地下覆盖层属于岩土中非连续介质，主要采用离散元法。离散元法(DEM)是由美国工程院院士、英国皇家工程院院士Perter Cundall在上世纪70年代提出的一种研究散体性质的数值方法，将离散单元给予实验所需的属性以及进行合理的面(点)接触连接，通过牛顿第二定律建立模型，将非线性静态问题转化成动态问题，最终进行非线性物理量的积分求解，进而得到各个单元在任意时刻的物理参数及其变化情况。

我国关于离散元的研究比较滞后，上世纪80年代末，王泳嘉教授在第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会上首次引述了离散元概念，并将离散元方法引入了我国[21]，随后该方法在我国岩土力学研究方面迅速发展，并广泛应用到了矿冶、农业、食品、化工、制药和环境等领域中。目前，最著名的离散元方法商用程序的开发公司是总部位于美国明尼苏达州的ITASCA国际工程软件开发公司，创始人是被誉为岩石力学之父的Charles fairhurst院士。该公司目前在全世界11个国家设立有14家公司，不仅与中国多家高等科研机构有着合作关系并为之提供高端分析软件，并且设有在华全权负责的咨询有限公司，完成了多个领域的工程。

上世纪末，在Perter Cundall院士的领导参与下，由ITASCA公司开发出一款专业研究散体的软件——颗粒流分析程序(PFC)[22]。随着该软件在世界范围内的广泛使用，ITASCA公司也不断对其进行程序的完善和版本的更新，现阶段最新的版本为5.0版。颗粒流分析程序(PFC)能够很好地从本质上分析非连续的散体介质的物理量变化和力学特性等非线性问题，虽然有一定的局限性[23]，却是现阶段研究露天转地下覆盖层散体移动规律的最理想、最普遍的手段。

北京科技大学刘志娜运用PFC数值模拟软件针对大冶铁矿东采车间设计了6组不同采场结构参数的相似模拟实验，以放出矿石的贫化率为经济指标，通过对放矿过程的分析，找出放矿最优的结构参数，并详细分析了数值实验中回收率和贫化率不稳定的原因，还研究了放矿过程中的颗粒间不平衡力的变化情况[24]。

华北理工大学张亚宾基于随机介质放矿理论，结合杏山铁矿的生产实际，采用PFC模拟了覆岩下的放矿过程，以矿石的放出率和贫化率为技术指标，按厚度分成3组，观测覆盖层移动和矿石放出情况，找出覆盖层合理厚度[25]。在前述结论的基础上，又将覆盖层散体颗粒粒径分3组实验，找出利于放矿的合理粒径，为矿山实际生产提供了理论依据。

东北大学王培涛基于离散元方法理论，以矿石的回收率和贫化率为标准，运用PFC对有覆盖层的采用无底柱分段崩落法的矿块进行数值模拟，采用平面放矿和立面放矿2种方案在同种情形下对比实验[26]。结果表明，平面放矿较立面放矿的回收率高。在实验结论的基础上，通过改变立面放矿方案中颗粒间摩擦系数，从另一方面找出提高矿石回收率的手段以及内摩擦角对于放矿结果的影响规律。

除上述研究外，不少学者运用离散元原理对开采地压稳定[27]、围岩稳定[28]、矿石下落冲击[29]、边坡围岩的稳定性[30-37]、开采工艺优化[38-42]、低贫化放矿的合理性[43]、地表沉降[44]以及磨机介质的运动和机械安全稳定的分析[45-50]等问题也进行了研究，并得到了丰富的成果。

2应用实践

我国许多矿山进行了露天转地下开采，最早的属上世纪60年代的江苏凤凰山铁矿，其他转型矿山如安徽铜官山铜矿、甘肃白银折腰山铜矿、江西良山铁矿等。经过大量的理论研究以及国内长时间的工程实践，覆盖层的研究理论对不少矿山实际生产已经起到了指导作用，有的甚至还获得了较好的效益，使矿山安全平稳地实现过渡。

武钢大冶铁矿矿体自西向东依次为铁门坎、龙洞、尖林山、象鼻山、狮子山、尖山六大矿体。2001年东部露天开采结束，进入地下工程。北京科技大学基于地表漏风问题对覆盖层及其孔隙率进行研究，为矿山覆盖层厚度的确定提供了理论基础[51-52]。武汉科技大学基于围岩的稳定性为矿山提供形成覆盖层的方案(崩落围岩和削坡)[53-55]，其中狮子山形成的覆盖层为-48～0 m水平。在形成覆盖层之后进行地压监测，并对覆盖层形成过程中的防震问题、回采顺序、围岩稳定性进行分析，为改善放矿质量做好准备。

河钢庙沟铁矿于1986年基建，1989年投产，露天开采最大生产规模为260万t/a。2010年中钢工程设计研究院对其露天开采储量和年限进行评估，还可以持续10 a，露天开采坑底定为372 m水平，2011年进行了露天转地下开采设计。华北理工大学基于覆盖层分层理论[19]，参考矿山工程规范，并结合矿山现场情况和条件，为庙沟铁矿提供了2种覆盖层形成方案：硐室爆破边坡方案和排土场废石回填方案。经过对2种方案的工期、投资额度、安全系数等一系列的问题比较分析，最终确定为废石回填形成覆盖层方案，另外，方案包括了覆盖层形成的详细参数、工程量和经济概算。此方案预计2017年实施。

首钢杏山铁矿原为露天开采铁矿，2004年底露天开采资源所剩不多，-33 m以下的深部矿产资源采用地下开采，中冶北方工程技术有限公司基于覆盖层的防水、防冻、防漏风等作用，在理论上为矿山设计的覆盖层厚度不小于40 m[56]；华北理工大学基于随机介质放矿理论的覆盖层结构优化理论与露天转地下覆盖层回填自然分级理论，考虑到覆盖层的基本功能，为杏山铁矿制定了详细的覆盖层形成方案和技术保障措施[3，12，57]。覆盖层形成的方法为高台阶一次翻卸成形，主体结构分为下移层和流动层，并设计相应分层的厚度及粒级配比方案。杏山铁矿2007年开始地下基建工程，2011年覆盖层构建完毕。对形成的覆盖层进行实时监测，结果显示该覆盖层能够满足生产要求，监测指标良好。该覆盖层的成功实施对于覆盖层研究具有重要意义。

随着经济技术的发展，未来将有更多的露天矿山进入转型期，通过不断深入覆盖层研究，了解和掌握覆盖层的内部机理，为矿山提供更为科学和严谨的理论支持。

3亟待解决的技术问题

虽然国内外对露天转地下过渡期的联合开采工艺和技术进行了大量研究，取得了一定的研究成果并对生产实践起到了一定的指导作用，但现阶段仅仅是对覆盖层某项功能单独研究，目的单一，对于矿山的要求仅仅是满足了安全结构，保证了外部结构的完整性和保持厚度，忽视了内部粒子间细微的变化，导致覆盖层内部作用机理不明了，没有真正地从根本上了解覆盖层的运动，致使理论研究对于生产实践指导的推广应用受到限制。综合上述分析，总结出亟待解决的技术问题：

(1)开采扰动下覆盖层结构变化规律。覆岩下放矿过程中，矿石放出所留出的空间需要覆岩随即补充，于是覆盖层的结构随着崩落矿石运出而变化。对于放矿过程中其结构的变化规律认识的欠缺，运动趋势不明确，可能导致放矿过程中覆盖层结构的完整性遭到破坏，产生潜在的危机，如漏风、漏水等一系列问题，给矿山生产造成巨大损失。

(2)开采扰动下覆盖层内部应力场的变化。在开始放矿的同时，覆盖层的内部平衡应力会瞬间被打破，石块开始向趋于平衡的方向移动，之后不久会达到平衡状态，而之后的放矿过程中，每一次出矿都将打破其应力场的平衡，而随后又达到新的平衡，于是放矿过程就是一个覆盖层应力场不断失衡与平衡循环演变的过程，直至放出矿石达到截止品位。由于对这种应力场变化认识不清楚，在放矿过程中不能有效控制石块间应力，有可能造成局部应力过大，影响放矿品质。

(3)多相耦合场作用。覆盖层本身是由多相散体耦合而成的一种散体流，在覆盖层移动的过程中，各相流体相互作用，相互影响，而这种作用效果并不清楚，各相流体在流动过程中之间是促进或阻碍，其结果还并不得知，现今覆盖层这方面所做的研究鲜有涉及。

(4)覆盖层中水的渗流过程和驱动力源、渗流速度和趋势。水在覆盖层运动过程中是以渗流方式在其内部运动，流速会对覆盖层造成一定影响，而对于这一影响是益或弊以及其过渡节点还未知。了解水的渗流趋势和流速，对于保证覆盖层结构的完整性有重要意义。

(5)泥石流的触发机理和节点。泥石流等灾害会给地下工作带来巨大的危害，矿山泥石流灾害时有发生，如果了解其触发机理和节点，采取有效预防措施，可避免不必要损失，从而大大提高矿山安全性。

上述覆盖层技术问题均为内部耦合作用，工程实验及物理实验的研究是从实验结果推导出过程中的机理，尤其是工业实验不仅需要投入大量的人力和物力，工作量大，而且中间存在着许多误差和盲点，不能够直接准确地从变化过程中了解其机理。另外，随着现代科学技术的发展，数字化应用的普及，运用数值模拟技术将会成为覆盖层研究最为广泛和权威的技术手段。数值模拟技术的应用不仅节省了宏观的研究投入，而且能够全方位时刻了解其运动过程中各场的变化规律。虽然现阶段的技术条件还不能完全模拟现场的复杂环境，但是随着信息技术的迅猛发展，上述技术难题终将会被解决。

4结语

关于覆盖层的研究已经进行了半个多世纪，在这漫长的探索历程中实现了对覆盖层从外形到本质的认知转化，形成方式从经验式的借鉴到有针对性的设计，生产实践中的应用实例证明了前人对于覆盖层的探索理念是成功的，是可以指导现场安全生产的，然而，如今的覆盖层研究理论体系还不够丰富，已有的理论知识对于整个覆盖层理论体系还只是初步的认识，更多的技术问题还有待解决，在露天转地下覆盖层运移规律和形成方法方面，更需要通过生产实践对现有技术进行检验和完善。未来矿山覆盖层的形成方法是将覆盖层的形成机理与矿山自身的地质条件及技术水平相结合，形成完全适用于自身矿山的保护层，不再需要借鉴其他成功实例，而形成的覆盖层能够在保证矿山安全的前提下实现经济最优化。

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Progress and Trend of the Theoretical Research and Practice of the Covering Layers of Open-pit to Underground

Chen Chao1,2Jing Boxiang1,2

(1.School of Mining Engineering, North China University of Science and Technology;2.Laboratory of Mining Development and Safety Technology in Hebei Province)

AbstractAs the protection facilities of underground mining, the covering layers of Open-pit to underground has the effects of prevention of impact pressure, forming condition of extrusion blasting and side ore drawing, stopping, retention of water, reduction of the air leakage, prevention of cold and keeping warm, prevention of mudslides. The latest research results of the structures, migration regularities and security mechanism of Open-pit to underground obtained by some research institutions in domestic and overseas are analyzed in detail, the successful experiences of the formation and application of the covering layers of open-pit to underground are introduced. Based on above analysis, the direction and trend of the covering layers of open-pit to underground in the future are summarized.

KeywordsOpen-pit to underground, Covering layers, Bulk properties, Non-pillar sublevel caving method

(收稿日期2015-12-03)

*河北省自然科学基金资助项目(编号：E2013209328)。

陈超(1975—)，男，教授，硕士研究生导师，063009 河北省唐山市。

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