關于露天轉地下開采境界頂柱破壞模式及穩定性的研究

潘榮森

（江西銅業集團公司永平銅礦，江西 鉛山 334506）

關于露天轉地下開采境界頂柱破壞模式及穩定性的研究

潘榮森

（江西銅業集團公司永平銅礦，江西 鉛山 334506）

我國很多礦山由露天轉為地下開采，因此境界頂柱的安全穩定就成了一個研究課題，國內外的一些相關學者都進行了研究，很多研究都取得了一些非常好的成果。通過分析露天轉地下開采的特點、露天轉地下開采過渡的采礦方法，對境界頂柱破壞模式和穩定性進行了研究。

露天轉地下；開采；境界頂柱；破壞模式；穩定性

1 露天轉地下開采的特點

如果一個礦山要露天轉地下開采，那么，這類礦山的礦體上覆蓋在基巖之上的各種松散堆積、沉積物一定沒有那么厚，礦體有比較深的延伸，礦床是急傾斜的，而且都比較厚。這一類的礦山使用露天開采的方法是最普遍的，因為露天開采的投如生產的速度快、投如建設的資金少，而且貧損指標優，這樣的話就可以在較短的時間里收回成本。但是隨著開采的不斷深入，這些礦山逐步由露天開采向地下開采過渡最終全面轉向地下開采。這就在進行露天轉地下開采之前，就要做好開采的計劃，對露天和地下兩期的開采進行統一周詳的規劃，在向者地下礦場開采的過程中，不僅要研究如何利用地下巷道，還要研究如何最大程度地利用露天開采的相關的有利條件，讓露天的開采工作能夠順利地過渡到地下的開采工作，并且讓礦山的出產的礦量和經濟效益不受到影響。國內外的一些成功經驗表明，當礦山充分利用了露天與地下開采的有利工藝特點時，統籌規劃露天與地下開采的工程布置，可以使生產成本降低25%左右。

2 露天轉地下開采的過渡方法

（1）房柱式采礦法。在房柱式采礦法中，又包括了三種方法，即空場法、留礦法和充填法。充填法成本比較高，一般用于貴重金屬的開采，因為充填采礦法礦石損失貧化小，此時降低的贏利可以通過增加貴重金屬的回收率來得到補償。采用這種房柱式采礦法進行采礦時，露天部分的底部到地下開采的部分之間必須要留有合適厚度的隔離頂柱。地下開采受到的條件限制要比露天開采的限制條件復雜，地下開采必須嚴格要求地下采場袒露面的大小、間柱強度的大小，而且還要嚴格控制露天采場和地下采場的爆破規模。

（2）崩落法。用崩落法在崩落礦石的時候可以同時崩落圍巖，再用這些圍巖來對采空區進行充填，對地壓進行控制和管理。使用崩落法時，在進行回采的過程中不需要把礦房和礦柱進行劃分，可以按照一定的回采順序來崩落礦山，以整個的礦塊作為回采的單元，進行連續的單步驟回采。不過這種崩落法開采也是有條件限制的，它要求地下開采的上部必須要有一層安全緩沖層。露天開采和地下開采的生產都是要按照順序進行的，露天開采的部分結束了，地下分段就要投入生產。崩落法中也包括有兩種方法，即分段崩落法和階段崩落法。

（3）聯合采礦法。把房柱式采礦法和崩落法的相融其實就是合聯合采礦法。一些圍巖比較穩固、礦體比較厚的礦床適合這種方法，聯合采礦法同時擁有房柱式采礦法和崩落法的長處，但是它采區的一些結構的參數、回采的工藝又和一般的崩落法和房柱式采礦法不盡相同。根據以往的一些國內外的成功經驗來說，聯合采礦法的特點就是在礦體進行地下開采第一階段的時候，需要把礦體分為礦房和礦柱，回采礦房時采用房柱式采礦法開采，回采間柱和頂柱則采用崩落法使礦石的自重崩落或者是強制崩落。

3 境界頂柱破壞模式及穩定性

（1）潛在的破壞模式。在進行地下開采的過程中，會形成很多的采空區，如果周圍巖石的強度比較高，而且采空區的范圍不大，露天采場坑底離采空區頂部的距離也就是頂柱比較厚時，采空區的頂板只會局部崩落形成的拱形頂板，坑底也不會受到它所形成的裂紋帶的影響。如果采空區的面積很大，而且周圍的巖石的強度不夠大，在爆破時受到震動而導致結構不夠穩定，這些問題都可能引發頂柱突然失去穩定，使工作面煤層上的覆巖體完全垮落的重大事故。

（2）境界頂柱穩定性的工程類比。可以通過采用分類比較的方法來確定適合自己礦山的境界頂柱厚度。露天轉地下開采的實際案例南京鳳凰山鐵礦，它采用留境界頂柱空場法方案。南京鳳凰山礦山在轉入過渡開采之前，就已經完成地下工程的開拓和采準，并運用經驗類比法設計保留7～10m的境界頂柱。頂柱下的礦塊用的是階段礦房法回采的，放先出30%的礦石，等露天開采結束后，便開始放出礦房內儲存礦石，并在拉低水平以上留有6～7m厚的礦山緩沖層，再用YQ-100型鉆機從露天向下鉆頂柱炮孔，進行爆破。同時，頂盤巖石再采用深孔爆破，放出全部礦石。在露天開采結束后，仍然有足夠的儲存的礦石可以接替出礦，因此有利于礦山的持續穩定過渡。

4 摩爾——庫倫極限平衡研究

圖1 土的強度線

法國科學家庫倫(C.A Coulomb)在1776年時候總結了土的破壞現象和影響因素，提出土的破壞公式為：

式中：S為代表抗剪強度（shear strength）；c為土的粘聚力（cohesion）；φ為土的內摩擦角（internal friction angle）；σ為作用在剪切面上的有效法向應力。

公式（1）稱為抗剪強度的庫侖定律（Coulomb Law），S～σ間的關系如圖1所示。式（1）中只有兩個常數參數C和φ，它取決于土的性質（與土中應力狀態無關），稱為土的強度指數，它們的數值由試驗直接測定。

判斷一點應力是否達到了極限平衡狀態，主要看這個點的應力圓是否與強度線相切。那么反過來說就是，如果一點的應力圓與強度線相切，那么說明該點達到了極限平衡。在極限應力圓中可推導下面公式：

圖2 土中一點的極限應力圓

在o'bB中，sinφ=Bb/Bo'，則

上式即為土中一點應力的極限平衡方程。

由摩爾——庫倫極限平衡方程我們可以知道，當τ＜S時，土不會被破壞，τ=S時土被剪壞，而且土的抗剪強度是隨剪切面上的正應力的變化而變化的，所以土的抗剪強度不是定值。那么我們就可以將摩爾——庫倫的極限平衡方程應用在礦體開采過程中計算采空區上的覆蓋巖，包括頂柱和回填物以及水壓的作用下的重力以及側邊剪力，為礦山開采提供一定的理論數據。

5 結語

礦山在進行露天轉地下開采時，境界頂柱的預留厚度一定要合適，而且在開采前要一定要做好境界頂柱破壞模式和穩定性的研究，以此來保證采礦過程的安全，這對礦山的生產經營的長遠發展有著非常重要的意義。

A Research on W reck Form and Stability of Boundary Pillar if Changing open-pit M ining to Underground M ining

PAN Rong-sen
（Yongping Copper Mine Jiangxi Copper Group Company，Qianshan，Jiangxi 334506，China）

In recentdecades，manyofthemineshastransformedopen-pitminingtoundergroundmininginourcountry，and the safetyand stabilityofboundarypillarhasbecomea research topic，some related domesticand foreign havemadesome researches，and a lotof research hasmade some significantachievements.Thispaperanalyzed the characteristicsofmining transformed from underground totheopen-pit，transitionminingmethodswhen transforming fromunderground totheopen-pit，thewreck form and the stabilityofboundarypillarwerestudied.

change from the open-pit tounderground；mine;boundary pillar；wreck form；stability

TD856.4

A

2095-980X（2015）07-0124-02

2015-06-22

潘榮森（1980-），男，助理工程師。