露天轉地下覆蓋層理論研究與實踐的進展及趨勢*

陳　超　井伯祥

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室)

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露天轉地下覆蓋層理論研究與實踐的進展及趨勢*

陳超1，2井伯祥1，2

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室)

摘要露天轉地下覆蓋層作為地下開采的保護設施，具有防止沖擊地壓、形成擠壓爆破和端部放礦條件、阻滯水、減少漏風、防寒保暖、預防泥石流等作用。詳細討論了國內外研究機構在露天轉地下結構、運移規律、安全作用機理等方面的最新研究成果，介紹了國內礦山露天轉地下覆蓋層形成應用過程中的成功經驗。最后，總結了未來露天轉地下覆蓋層研究的方向和趨勢。

關鍵詞露天轉地下覆蓋層散體特性無底柱分段崩落法

露天礦山在我國的鐵礦采掘產業中占有相當大的比重，本世紀初期，露天產能約占地下產能的80%左右，但隨著近十年開采強度的大幅攀升，目前很多露天鐵礦淺表資源枯竭，亟待轉入地下生產。預計2025年左右，現有露天鐵礦產能將消失50%左右。露天轉地下開采工程并不是簡單的生產方式轉換問題，僅從工藝角度，就涉及到露天、地下2套生產工藝，還要兼顧兩者的相互銜接，其涉及工程問題繁瑣，而且銜接過渡過程往往涉及到很多復雜的安全問題。

露天轉地下覆蓋層是介于露天采場和地下采場之間的一個安全隔離層，是轉地下過程中采用崩落法的礦山必須設置的安全工程設施，能夠起到防止邊坡滑塌沖擊地壓、阻滯水滲透、減少漏風、防寒保暖、預防井下泥石流和提供落礦放礦條件等作用，保障轉地下過渡期的安全穩定。另外，由于覆蓋層散體是直接覆于地下礦石之上，對于回采礦石散體的流動性、力學性質、品位變化等都有著密切聯系。

1露天轉地下覆蓋層基礎理論研究

1.1覆蓋層理論實驗基礎研究

覆蓋層理論研究的基礎是無底柱分段崩落法的研究，其核心是放礦學理論研究。放礦學理論研究可以追溯到上世紀30年代的前蘇聯，當時僅僅是在實驗室內建立簡易放礦模型觀測崩落礦巖的流動，得到了礦巖流動的最初實驗結論，這也是后來各種放礦研究的雛形。在實驗結論的基礎上，學者И.M.馬拉霍夫于50年代提出橢球體放礦理論，為采場結構參數的確定和選取提供了理論支撐，該理論也為后來國內外學者研究放礦理論及巖土力學性質提供了堅實的基礎。此后，放礦系統理論不斷被完善并提出新的理論，六七十年代逐步提出了放礦角和放礦漏斗理論、三軸橢球體理論，通過松散介質力學及隨機放礦理論提出數值模擬方案；八九十年代離散元理論開始被引入到放礦研究的領域，離散元理論是以粒子運動概率論為基礎的研究，對覆蓋層的數值研究起到了一定的推進作用，并取得了相當大的研究進展；21世紀后提出覆蓋層分層結構，通過利用各層內部耦合作用機理的差異，從而形成一個完整的覆蓋層保護系統，上下分層聯合作用更好地形成安全合理的覆蓋層保護散體，是覆蓋層理論研究系統新的里程碑。

覆蓋層散體的研究是依據采用無底柱分段崩落法的地下礦山，且只適用于采用無底柱分段崩落法開采的礦山。無底柱分段崩落法是上世紀60年代被引入我國的，之后便以其結構簡單、出礦量大、操作方便等優點被迅速廣泛應用至今。露天轉地下的礦山在過渡期需要出礦量大的地下開采方式，以緩解露天開采礦石減少而造成的減產，達到穩產過渡，而無底柱分段崩落法是地下開采的最佳方案。

研究無底柱分段崩落法是有機地運用隨機介質放礦理論和橢球體放礦理論，而對于覆蓋層散體流動的研究目前最普遍采用的研究理論是隨機介質理論。隨機介質理論是波蘭學者J.Litwiniszyn于20世紀50年代在研究巖層移動時提出來的[1]。在我國，則是由中國工程院劉寶琛院士引入的，他是隨機介質理論在中國發展的探索者和實踐者。其原理是將散體簡單的視作連續流動的隨機介質，采用概率論的方法計算散體顆粒在運動過程中的速度和位移的理論體系。

為了解決露天轉地下覆蓋層功能機理及形成方法方面的難題，采礦行業的專家學者在散體動力學理論的基礎上，運用各種方法對覆蓋層的形成進行了研究。在覆蓋層基礎理論研究方面，目前主要有華北理工大學的分層控制-高臺階一次形成理論、東北大學的誘導冒落形成理論以及北京科技大學預防泥石流機理研究。此外，馬鞍山礦山研究院等單位對覆蓋層的移動規律、物質構成、損失控制等方面也進行了大量研究。

北京科技大學朱志根、吳愛祥基于對無底柱分段崩落法的研究，運用散體力學的理論，對不同塊度大小的覆蓋巖層散體顆粒和崩落礦石的相互影響進行室內物理試驗研究[2]，研究表明顆粒塊度的大小對放出礦體的形狀和大小有重要影響，結論也對現場有著一定的指導意義。

華北理工大學甘德清以首鋼杏山鐵礦為研究背景，從覆蓋層回填料動力學原理與運動狀態和自然分級的影響因素分析出發，通過理論分析、物理模擬試驗、現場排土場試驗等研究手段，深入分析了露天轉地下覆蓋層回填自然分級規律，最終驗證了杏山鐵礦采用倒排排土場廢石形成具有一定合理結構和厚度的覆蓋層方案的可行性[3]。

北京科技大學杜翠鳳針對大冶鐵礦地下開采過程中由于覆蓋層設計存在缺陷導致的漏風問題，進行物理實驗研究[4]。大冶鐵礦的漏風問題十分嚴重，通風困難使地下污風排不出巷道，危害地下施工人員。實驗運用4種粒級顆粒形成覆蓋層，研究4種粒級的孔隙率與覆蓋層高度的某種關系，從而設計出最佳散體塊度和覆蓋層厚度，防止地表漏風。

另外，目前大量的研究還對于覆蓋層散體從塊度對放礦影響研究[5-7]、散體移動規律研究[8]、合理覆蓋層形成方法的研究[9-13]、滲流通風研究[14-16]以及產能銜接及平穩過渡方案的優化研究[17-19]等方面做了基礎研究的探索和發現。

1.2露天轉地下覆蓋層運移規律研究

華北理工大學的研究人員很早就在露天轉地下開采工藝等方面進行了大量的研究工作，提出、研發了露天轉地下聯合采礦方法等基礎理論和工藝技術。早期的研究中，甘德清及其研究團隊結合石人溝等礦山的工程實踐，對覆蓋層的功能機理和結構厚度的確定方法進行了一些初步的探索和實驗，通過計算機模擬、物理實驗和現場試驗，觀察了覆蓋層礦巖界面隨著放礦的移動規律(圖1)，并根據物理形似模擬實驗的結果，初步構建了覆蓋層滲漏模型，這些早期的研究探索為后期提出的覆蓋層分層控制理論提供了基礎。

圖1　覆蓋層分層特性示意

甘德清課題組在進行“十一五”國家科技支撐計劃課題“露天轉地下相互協調安全高效開采關鍵技術研究”期間，結合研究內容，以首鋼杏山鐵礦為示范礦山，對露天轉地下覆蓋層的運移規律進行了大量實驗研究。甘德清教授等以隨機介質放礦理論為基礎，構建了相似模擬平臺和數值模擬模型，該項目從露天轉地下覆蓋層安全功能需求和結構特點入手，研究覆蓋層整體移動規律及其移動過程中的結構變化(圖2)。其實驗研究結果表明：覆蓋層的運移過程是放出橢球體和松動橢球體形成的漸變過程，在均勻出礦的前提下覆蓋層運移具有分層的規律，即松動橢球體內的覆蓋層為不穩定結構層(流動層)；松動橢球體影響之外的覆蓋層為穩定結構層(整體下移層)，如圖3所示。橢球體內覆蓋層的顆粒移動速度具有脈沖式的特點，細顆粒運移速度大于粗顆粒的速度，細顆粒向下的快速運移是引起礦石超前貧化的主要原因。

圖2　覆蓋層巖石顆粒接觸力和顆粒移動速度變化

圖3　覆蓋層分層結構

依據覆蓋層的分層移動規律，甘德清教授等提出了露天轉地下覆蓋層分層控制理論，將覆蓋層按其移動規律和功能需求特點分為2層：上面結構穩定的整體下移層作為實現覆蓋層防透水、防漏風的滲漏平衡層，下面結構變化大、參與礦石放出的流動層作為覆蓋層損失控制層，整體下移層和流動層聯合起到預防、緩解沖擊地壓災害和防寒保暖的作用。

根據放礦橢球體理論，研究落礦時礦巖間的相互影響，利用不同種類的散體進行礦巖界面的滲流實驗，研究滲漏情況，最終從放礦橢球體理論和防排水2個方面綜合確定覆蓋層的合理厚度。

1.3覆蓋層數值分析研究

工程巖土力學性質的數值研究分為連續介質理論力學研究和非連續介質理論力學的研究[20]。前者研究的對象主要是一個完整的整體，研究方法主要有有限元法和快速拉格朗日法，所使用的計算工具有FLAC、GTS、ANSYS等；該模型是由多個模塊組成，由連接節點將各個模塊連接成一個完整的幾何模型，并且將應力施加到節點當中，細化處理后，通過計算機對其模型的計算研究其外部變形及內部應力變化的規律。后者的研究對象則是一個由破壞的整體或者由眾多不連續的有相互接觸面(點)的相互獨立顆粒組成的集合，研究方法主要是塊體分析法和離散元法，主要使用的工具是DDA、PFC、FLUENT、UDEC等；該方法主要是建立大量數目的顆粒，使其進行點或面接觸，提前設定顆粒屬性和接觸條件，生成整體的散體模型，然后通過計算機計算散體在移動過程中的運動情況，記錄散體在移動過程中的各個物理特性的變化和物理力學參數的變化，研究散體非線性問題。

露天轉地下覆蓋層屬于巖土中非連續介質，主要采用離散元法。離散元法(DEM)是由美國工程院院士、英國皇家工程院院士Perter Cundall在上世紀70年代提出的一種研究散體性質的數值方法，將離散單元給予實驗所需的屬性以及進行合理的面(點)接觸連接，通過牛頓第二定律建立模型，將非線性靜態問題轉化成動態問題，最終進行非線性物理量的積分求解，進而得到各個單元在任意時刻的物理參數及其變化情況。

我國關于離散元的研究比較滯后，上世紀80年代末，王泳嘉教授在第一屆全國巖石力學數值計算及模型試驗討論會上首次引述了離散元概念，并將離散元方法引入了我國[21]，隨后該方法在我國巖土力學研究方面迅速發展，并廣泛應用到了礦冶、農業、食品、化工、制藥和環境等領域中。目前，最著名的離散元方法商用程序的開發公司是總部位于美國明尼蘇達州的ITASCA國際工程軟件開發公司，創始人是被譽為巖石力學之父的Charles fairhurst院士。該公司目前在全世界11個國家設立有14家公司，不僅與中國多家高等科研機構有著合作關系并為之提供高端分析軟件，并且設有在華全權負責的咨詢有限公司，完成了多個領域的工程。

上世紀末，在Perter Cundall院士的領導參與下，由ITASCA公司開發出一款專業研究散體的軟件——顆粒流分析程序(PFC)[22]。隨著該軟件在世界范圍內的廣泛使用，ITASCA公司也不斷對其進行程序的完善和版本的更新，現階段最新的版本為5.0版。顆粒流分析程序(PFC)能夠很好地從本質上分析非連續的散體介質的物理量變化和力學特性等非線性問題，雖然有一定的局限性[23]，卻是現階段研究露天轉地下覆蓋層散體移動規律的最理想、最普遍的手段。

北京科技大學劉志娜運用PFC數值模擬軟件針對大冶鐵礦東采車間設計了6組不同采場結構參數的相似模擬實驗，以放出礦石的貧化率為經濟指標，通過對放礦過程的分析，找出放礦最優的結構參數，并詳細分析了數值實驗中回收率和貧化率不穩定的原因，還研究了放礦過程中的顆粒間不平衡力的變化情況[24]。

華北理工大學張亞賓基于隨機介質放礦理論，結合杏山鐵礦的生產實際，采用PFC模擬了覆巖下的放礦過程，以礦石的放出率和貧化率為技術指標，按厚度分成3組，觀測覆蓋層移動和礦石放出情況，找出覆蓋層合理厚度[25]。在前述結論的基礎上，又將覆蓋層散體顆粒粒徑分3組實驗，找出利于放礦的合理粒徑，為礦山實際生產提供了理論依據。

東北大學王培濤基于離散元方法理論，以礦石的回收率和貧化率為標準，運用PFC對有覆蓋層的采用無底柱分段崩落法的礦塊進行數值模擬，采用平面放礦和立面放礦2種方案在同種情形下對比實驗[26]。結果表明，平面放礦較立面放礦的回收率高。在實驗結論的基礎上，通過改變立面放礦方案中顆粒間摩擦系數，從另一方面找出提高礦石回收率的手段以及內摩擦角對于放礦結果的影響規律。

除上述研究外，不少學者運用離散元原理對開采地壓穩定[27]、圍巖穩定[28]、礦石下落沖擊[29]、邊坡圍巖的穩定性[30-37]、開采工藝優化[38-42]、低貧化放礦的合理性[43]、地表沉降[44]以及磨機介質的運動和機械安全穩定的分析[45-50]等問題也進行了研究，并得到了豐富的成果。

2應用實踐

我國許多礦山進行了露天轉地下開采，最早的屬上世紀60年代的江蘇鳳凰山鐵礦，其他轉型礦山如安徽銅官山銅礦、甘肅白銀折腰山銅礦、江西良山鐵礦等。經過大量的理論研究以及國內長時間的工程實踐，覆蓋層的研究理論對不少礦山實際生產已經起到了指導作用，有的甚至還獲得了較好的效益，使礦山安全平穩地實現過渡。

武鋼大冶鐵礦礦體自西向東依次為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山六大礦體。2001年東部露天開采結束，進入地下工程。北京科技大學基于地表漏風問題對覆蓋層及其孔隙率進行研究，為礦山覆蓋層厚度的確定提供了理論基礎[51-52]。武漢科技大學基于圍巖的穩定性為礦山提供形成覆蓋層的方案(崩落圍巖和削坡)[53-55]，其中獅子山形成的覆蓋層為-48～0 m水平。在形成覆蓋層之后進行地壓監測，并對覆蓋層形成過程中的防震問題、回采順序、圍巖穩定性進行分析，為改善放礦質量做好準備。

河鋼廟溝鐵礦于1986年基建，1989年投產，露天開采最大生產規模為260萬t/a。2010年中鋼工程設計研究院對其露天開采儲量和年限進行評估，還可以持續10 a，露天開采坑底定為372 m水平，2011年進行了露天轉地下開采設計。華北理工大學基于覆蓋層分層理論[19]，參考礦山工程規范，并結合礦山現場情況和條件，為廟溝鐵礦提供了2種覆蓋層形成方案：硐室爆破邊坡方案和排土場廢石回填方案。經過對2種方案的工期、投資額度、安全系數等一系列的問題比較分析，最終確定為廢石回填形成覆蓋層方案，另外，方案包括了覆蓋層形成的詳細參數、工程量和經濟概算。此方案預計2017年實施。

首鋼杏山鐵礦原為露天開采鐵礦，2004年底露天開采資源所剩不多，-33 m以下的深部礦產資源采用地下開采，中冶北方工程技術有限公司基于覆蓋層的防水、防凍、防漏風等作用，在理論上為礦山設計的覆蓋層厚度不小于40 m[56]；華北理工大學基于隨機介質放礦理論的覆蓋層結構優化理論與露天轉地下覆蓋層回填自然分級理論，考慮到覆蓋層的基本功能，為杏山鐵礦制定了詳細的覆蓋層形成方案和技術保障措施[3，12，57]。覆蓋層形成的方法為高臺階一次翻卸成形，主體結構分為下移層和流動層，并設計相應分層的厚度及粒級配比方案。杏山鐵礦2007年開始地下基建工程，2011年覆蓋層構建完畢。對形成的覆蓋層進行實時監測，結果顯示該覆蓋層能夠滿足生產要求，監測指標良好。該覆蓋層的成功實施對于覆蓋層研究具有重要意義。

隨著經濟技術的發展，未來將有更多的露天礦山進入轉型期，通過不斷深入覆蓋層研究，了解和掌握覆蓋層的內部機理，為礦山提供更為科學和嚴謹的理論支持。

3亟待解決的技術問題

雖然國內外對露天轉地下過渡期的聯合開采工藝和技術進行了大量研究，取得了一定的研究成果并對生產實踐起到了一定的指導作用，但現階段僅僅是對覆蓋層某項功能單獨研究，目的單一，對于礦山的要求僅僅是滿足了安全結構，保證了外部結構的完整性和保持厚度，忽視了內部粒子間細微的變化，導致覆蓋層內部作用機理不明了，沒有真正地從根本上了解覆蓋層的運動，致使理論研究對于生產實踐指導的推廣應用受到限制。綜合上述分析，總結出亟待解決的技術問題：

(1)開采擾動下覆蓋層結構變化規律。覆巖下放礦過程中，礦石放出所留出的空間需要覆巖隨即補充，于是覆蓋層的結構隨著崩落礦石運出而變化。對于放礦過程中其結構的變化規律認識的欠缺，運動趨勢不明確，可能導致放礦過程中覆蓋層結構的完整性遭到破壞，產生潛在的危機，如漏風、漏水等一系列問題，給礦山生產造成巨大損失。

(2)開采擾動下覆蓋層內部應力場的變化。在開始放礦的同時，覆蓋層的內部平衡應力會瞬間被打破，石塊開始向趨于平衡的方向移動，之后不久會達到平衡狀態，而之后的放礦過程中，每一次出礦都將打破其應力場的平衡，而隨后又達到新的平衡，于是放礦過程就是一個覆蓋層應力場不斷失衡與平衡循環演變的過程，直至放出礦石達到截止品位。由于對這種應力場變化認識不清楚，在放礦過程中不能有效控制石塊間應力，有可能造成局部應力過大，影響放礦品質。

(3)多相耦合場作用。覆蓋層本身是由多相散體耦合而成的一種散體流，在覆蓋層移動的過程中，各相流體相互作用，相互影響，而這種作用效果并不清楚，各相流體在流動過程中之間是促進或阻礙，其結果還并不得知，現今覆蓋層這方面所做的研究鮮有涉及。

(4)覆蓋層中水的滲流過程和驅動力源、滲流速度和趨勢。水在覆蓋層運動過程中是以滲流方式在其內部運動，流速會對覆蓋層造成一定影響，而對于這一影響是益或弊以及其過渡節點還未知。了解水的滲流趨勢和流速，對于保證覆蓋層結構的完整性有重要意義。

(5)泥石流的觸發機理和節點。泥石流等災害會給地下工作帶來巨大的危害，礦山泥石流災害時有發生，如果了解其觸發機理和節點，采取有效預防措施，可避免不必要損失，從而大大提高礦山安全性。

上述覆蓋層技術問題均為內部耦合作用，工程實驗及物理實驗的研究是從實驗結果推導出過程中的機理，尤其是工業實驗不僅需要投入大量的人力和物力，工作量大，而且中間存在著許多誤差和盲點，不能夠直接準確地從變化過程中了解其機理。另外，隨著現代科學技術的發展，數字化應用的普及，運用數值模擬技術將會成為覆蓋層研究最為廣泛和權威的技術手段。數值模擬技術的應用不僅節省了宏觀的研究投入，而且能夠全方位時刻了解其運動過程中各場的變化規律。雖然現階段的技術條件還不能完全模擬現場的復雜環境，但是隨著信息技術的迅猛發展，上述技術難題終將會被解決。

4結語

關于覆蓋層的研究已經進行了半個多世紀，在這漫長的探索歷程中實現了對覆蓋層從外形到本質的認知轉化，形成方式從經驗式的借鑒到有針對性的設計，生產實踐中的應用實例證明了前人對于覆蓋層的探索理念是成功的，是可以指導現場安全生產的，然而，如今的覆蓋層研究理論體系還不夠豐富，已有的理論知識對于整個覆蓋層理論體系還只是初步的認識，更多的技術問題還有待解決，在露天轉地下覆蓋層運移規律和形成方法方面，更需要通過生產實踐對現有技術進行檢驗和完善。未來礦山覆蓋層的形成方法是將覆蓋層的形成機理與礦山自身的地質條件及技術水平相結合，形成完全適用于自身礦山的保護層，不再需要借鑒其他成功實例，而形成的覆蓋層能夠在保證礦山安全的前提下實現經濟最優化。

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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)

*河北省自然科學基金資助項目(編號：E2013209328)。

陳超(1975—)，男，教授，碩士研究生導師，063009 河北省唐山市。

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