露天转地下开采覆盖层合理厚度优化研究

鲁 宇 金长宇 王 湟 刘 冬

（1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.汕头大学工学院，广东 汕头 515063）

从上世纪中后期以来，随着露天开采浅部资源的减少，剥采比的增大、经济效益的持续下滑等一系列问题的频发，从矿山综合经济效益和高效回采自然资源等多方面因素考虑，露天开采向地下开采的转型是大势所趋。与此同时，地下开采导致的岩层移动和地表塌陷问题也日趋严重，由此带来社会、经济、环境等一系列问题。

覆盖层作为露天转地下过渡转型期的重要结构，不仅能形成崩落法放矿中挤压爆破和端部放矿的条件，缓解和消融冲击气浪，更能起到延缓、阻滞渗流，预防井下泥石流发生的作用。露天转地下开采中覆盖层的运移规律尚未形成完整理论体系，覆盖层合理厚度的评价指标严重缺失，需要借鉴崩落法开采中的矿体移动规律进行研究。Г.М.Малахов［1］于 1952年便提出了椭球体放矿理论。波兰地质专家J.Litwiniszyn［2］利用概率论方法建立了离散岩体随机运动状态的物理模型和通用微分方程。Janelid I［3］结合瑞典 Grangesberg矿山工程实例构建了相似比1∶20的放矿物理试验，验证了大尺度放矿物理试验模拟真实放矿过程的可靠性。1984年，Peters D C［4］通过构建大尺度放矿模型验证了颗粒尺寸和放矿口间距等对放矿体形态及矿石损失贫化的影响。Alvial J［5］在智利 EI Teniente矿区现场开展了探讨崩落矿岩运动规律的原位放矿试验。王述红［6］在分析覆盖层对空区安全和采矿工艺的基础上，结合理论分析和室内放矿试验研究了崩落法采矿中覆盖层的合理厚度。随着计算机数值模拟技术的快速发展，数值分析在散体移动规律研究中发挥越来越重要的作用［7-10］。

本研究结合眼前山铁矿露天转地下覆盖层构建的工程背景，利用相似材料模型试验与PFC2D数值模拟对比验证分析探究地下开采扰动下覆盖层移动规律，并对其厚度进行优化分析，为矿山安全经济运营提供重要科学依据。

1 工程概况

眼前山铁矿始建于1960年8月，露天采场顶端纵向长度为1 410 m，宽度570～710 m，露天边坡每隔12 m高设置1个台阶，露天坑底水平标高为-183 m。图1为露天开采现状图。目前眼前山铁矿正在由露天向地下开采过渡，并确定深部矿体采用无底柱分段崩落法进行回采。一期开采平硐开拓标高-141 m以下的挂帮矿体～-321 m之间的矿体，设计规模为300万t/a，二期开采-321～-501 m之间的矿体，设计规模为800万t/a。

2 覆盖层厚度分析

覆盖层通常采用爆破崩落露天坑边帮围岩、废石回填等方式产生。综合考虑眼前山铁矿露天转地下过渡期露天采场现状和经济技术指标，适合利用南帮运输线路人工外运回填废石形成覆盖层。根据工程类比，眼前山铁矿露天坑底部需要40 m厚垫层，经计算该部分垫层需岩石量约136万m3，工程造价较高，如果覆盖层厚度过薄难以保障地下安全生产，厚度过大也会降低矿山的经济效益，故进行覆盖层厚度优化对生产具有重要的现实意义。目前合理覆盖层厚度没有系统的评价指标，在实际矿山设计中多按照椭球体放矿理论、开采工艺要求等进行布设。

2.1 椭球体放矿理论

椭球体放矿理论［1］认为随着出矿过程中矿石散体从进路端部流出，则原空间被上部覆盖层散体占据，在宏观角度即表现为随着矿石层不断被放出，矿岩交界面进路口的正上方形成漏斗区，漏斗区域在不断向上扩展的过程中趋于平缓。

如图2所示，随着放矿活动的不断进行，上层矿石不断向下递补，以此类推，直至不存在剩余空间，即可得到：

式中，Vf为漏斗放出矿石体积；Ke为二次松散系数。通常情况下，二次松散系数Ke一般为1.07～1.10，因此可得到松动矿石体积和松动矿石高度：

眼前山铁矿矿区露天坑底-183 m水平崩落法分段高度为18 m，进路间距20 m，属于大间距放矿工艺。若要满足分段矿石充分回收，应保证放出体高度接近分段高度，约为18 m，由上述推导公式可得出松动体高度最大约为45 m，根据放矿理论，覆盖层厚度与分段高度之和应不小于松动椭球体高度，故覆盖层合理厚度应不低于27 m。

2.2 开采工艺要求

通过大量的放矿试验证明，始终保持矿石散体被覆盖层废石覆盖是减少崩落开采过程中矿石损失贫化的关键问题。因此满足采矿工艺要求的最低覆盖层厚度如下所示：

式中，hf为分段高度；n为分段数；γ为废石混入率；η为矿石密度；ρk为矿石密度；ρf为覆盖仓废石密度。

根据眼前山铁矿实际生产数据可知，地下开采分段高度为18 m，分段数为4，废石混入率为15%，矿石回收率为85%，矿石密度为3.25 t/m³，废石密度为2.7 t/m³。将数据代入式（3）进行计算可得眼前山矿区满足采矿工艺要求的覆盖层最低厚度为30 m。综上分析，露天矿坑底覆盖层合理厚度的大致区间为30～40 m。

3 相似材料模型试验

根据理论分析与经验类比确定的合理大致区间，选取3种不同覆盖层厚度（30 m、35 m、40 m）进行合理厚度的相似材料实验研究。

3.1 相似材料模型制备

通过对眼前山铁矿现场实地调研确定松散矿石颗粒配比，总体上依据露天边坡爆破岩石的块度范围，采场结构参数及放矿制度严格按照眼前山铁矿开采工艺开展相似材料模拟真实放矿过程。

λL为几何相似比，Lp为原型几何尺寸，Lm为模型几何尺寸，λv为速度相似比，λt为时间相似比，λF为作用力相似比，λρ为密度相似比，散体物料的容重γ、黏聚力、内摩擦角的相似常数λγ、λc、λφ，由相似理论可知，试验中各相似比应满足下述公式。

参考地下开采采场结构参数和室内试验空间条件，选取λL为100，故在相似放矿模型中分段高度为18 cm，进路间距为20 cm。进路方向垂直矿体走向，进路尺寸为5 cm×5 cm（宽×高）。利用物理力学性质相似的河砂及石英砂分别模拟覆盖层和矿石层散体，并通过现场调研和几何相似比确定相似材料粒级配比，如表1所示。

如图3所示流程，在经过制料、亚克力平台搭建处理和填料，并预埋不锈钢出矿进路及盖板后，得到初始相似材料试验模型，参考真实放矿制度采用立面放矿，每个阶段进路从右向左依次放矿，并采用无贫化放矿的方式进行矿石回采，当4个分段放矿工作全部完成后，即表示本次相似材料放矿试验结束。

3.2 模拟实验结果及分析

按照试验放矿计划，模拟3种覆盖层厚度下无底柱分段崩落法进路开采，并利用实时摄影记录出矿过程中覆盖层的移动变化情况。从试验照片（图4）可知，露天转地下覆盖层散体随着地下开采中放矿活动的持续进行发生空间的移动以及形态的变化，并随矿石开采量的增加，从矿岩交界面向上扩展至整个散体场。

通过覆盖层内部标志线可以观测到，松动椭球体随放矿活动自下而上扩展，在放矿中心区域，标志线自上而下由“U”形向“V”形演变，覆盖层标志线受到矿岩颗粒流动影响，内部结构开始发生变化，标志线间的耦合侵蚀严重，导致不同区域内覆盖层的颗粒级配也发生改变。放矿结束后，覆盖层重新恢复应力平衡状态。

覆盖层厚度为30 cm时，从第一分段开始，在各进路口形成高差约为6 cm的凹坑，直到放矿结束，覆盖层表面起伏度较大，平均高差在10～15 cm，虽然覆盖层仍能没过矿石脊部残留体，可以形成崩落法放矿条件，但整体结构保持不完整，部分区域覆盖层厚度过薄，导致覆盖层界面形成较大坡度，在强降雨天气下雨水易集中汇集在凹陷区域，难以保证覆盖层延缓渗流、阻滞洪峰的作用，严重情况下甚至会造成井下泥石流，严重危及人员及设备安全。

覆盖层厚度为35 cm时，第一分段放矿结束后，覆盖层表面形成波浪形塌陷，最大高差约为5 cm；在第二分段出矿时，由于菱形进路交错开采，覆盖层表面起伏度降低，整体结构保持良好；在第三分段和第四分段出矿时，覆盖层整体下移，表面虽有一定起伏度变化，但最大高差缩减约为3 cm，且由于受到边界条件的影响，外侧进路放矿会导致覆盖层倾斜一定角度。全部放矿结束后虽然覆盖层厚度有一定程度减少，但整体结构完整性较好，表面起伏度较低，能够满足覆盖层滞水、防风和缓冲冲击地压等功用需求。

覆盖层厚度为40 cm时，实验效果与35 cm相差不大，初期放矿覆盖层表面塌陷凹坑不明显，稍有起伏，最大高差仅为3.5 cm，松动椭球体发育良好，后期放矿起伏基本消失，上表面较为平整，全部放矿完成后，覆盖层整体结构保持完整，同样能够满足覆盖层滞水、防风和缓冲冲击地压等功用需求。

4 数值模拟计算

4.1 眼前山铁矿覆盖层数值计算模型

与室内试验相对照，本次数值模拟依据眼前山铁矿实际采场结构参数，在PFC2D中建立矿区-183 m水平二维放矿模型。不同覆盖层厚度条件下放矿模型如图5所示。模型采用蓝色颗粒代表矿石层，绿色颗粒为上部覆盖层，并在覆盖层中每隔10 m加入一层红色的标志线来观测覆盖层结构变化情况，颜色仅代表颗粒分类，颗粒属性不发生变化。

在PFC模拟中颗粒间动态变化会导致矿岩散体表现出复杂的物理力学特性和宏观动态响应，因此在计算中不需要定义可以通过程序自动获得的材料宏观本构关系和对应力学参数，从而应充分考虑颗粒间接触微观参数。

目前颗粒流模型微观参数的选取方法多采用试错法（“hit-and-miss”），即通过不断试验和消除误差来提高数值模拟计算参数的准确性。因此本研究在参考国内外学者放矿模拟试验选取了不同参数分别进行相同条件下的数值模拟，并确定最优参数。

4.2 数值模拟结果分析

3种厚度条件下放矿过程中不同厚度覆盖层的变化情况如下图6所示。计算结果显示，从采矿工艺角度看，不同厚度条件下覆盖层均能始终没过矿石脊部残留体，可以满足崩落法中正常挤压爆破的开采条件；从覆盖层的界面平整度和坡面变化来看，不同厚度覆盖层在放矿结束后存在明显区别，因此根据该现象提出了覆盖层起伏角α，参见式（5）和图7。

式中，h为坡面某一点距离露天坑最低点的高差；L为水平距离。

根据计算结果，统计不同放矿阶段、不同覆盖层厚度的起伏角，并绘制曲线可以发现：30 m厚度覆盖层在放矿结束后坡度约为15°，且仍保持减速增长趋势，在实际生产中不利于安全作业；而35 m和40 m厚度条件下覆盖层内部标志线相对而言波动幅度小，且连续性较好，在放矿过程中呈完整曲线，表明整体结构保持良好；废石混杂率低，同时也有利于今后覆盖层内矿石的回收工作。另一方面，覆盖层顶部界面坡度变化情况大体一致，在放矿模拟结束后坡度均保持在10°左右，具有更好的稳定性。结合相似材料试验结果，确定35 m作为覆盖层的合理厚度。

5 结论

通过相似材料模拟试验和PFC2D数值计算软件研究了眼前山铁矿不同厚度覆盖层在地下采矿活动中的移动变化情况，从中可以得出以下结论：

（1）室内相似材料放矿试验与PFC2D模拟结果匹配程度较高，表明其可以作为研究覆盖层厚度及运移规律的有效手段。

（2）在地下回采活动中，不同厚度覆盖层表现出不同的运动规律。厚度过薄会导致覆盖层表面出现波浪形凹坑，并形成较大坡度，随着厚度增加，表面起伏度降低，坡度稳定在10°左右。

（3）结合试验中覆盖层的结构特征、界面沉降和坡度变化趋势，综合考虑覆盖层回填造价等经济指标，建议眼前山铁矿露天转地下覆盖层合理厚度选取35 m。