关于露天转地下开采境界顶柱破坏模式及稳定性的研究

潘荣森

（江西铜业集团公司永平铜矿，江西 铅山 334506）

关于露天转地下开采境界顶柱破坏模式及稳定性的研究

潘荣森

（江西铜业集团公司永平铜矿，江西 铅山 334506）

我国很多矿山由露天转为地下开采，因此境界顶柱的安全稳定就成了一个研究课题，国内外的一些相关学者都进行了研究，很多研究都取得了一些非常好的成果。通过分析露天转地下开采的特点、露天转地下开采过渡的采矿方法，对境界顶柱破坏模式和稳定性进行了研究。

露天转地下；开采；境界顶柱；破坏模式；稳定性

1 露天转地下开采的特点

如果一个矿山要露天转地下开采，那么，这类矿山的矿体上覆盖在基岩之上的各种松散堆积、沉积物一定没有那么厚，矿体有比较深的延伸，矿床是急倾斜的，而且都比较厚。这一类的矿山使用露天开采的方法是最普遍的，因为露天开采的投如生产的速度快、投如建设的资金少，而且贫损指标优，这样的话就可以在较短的时间里收回成本。但是随着开采的不断深入，这些矿山逐步由露天开采向地下开采过渡最终全面转向地下开采。这就在进行露天转地下开采之前，就要做好开采的计划，对露天和地下两期的开采进行统一周详的规划，在向者地下矿场开采的过程中，不仅要研究如何利用地下巷道，还要研究如何最大程度地利用露天开采的相关的有利条件，让露天的开采工作能够顺利地过渡到地下的开采工作，并且让矿山的出产的矿量和经济效益不受到影响。国内外的一些成功经验表明，当矿山充分利用了露天与地下开采的有利工艺特点时，统筹规划露天与地下开采的工程布置，可以使生产成本降低25%左右。

2 露天转地下开采的过渡方法

（1）房柱式采矿法。在房柱式采矿法中，又包括了三种方法，即空场法、留矿法和充填法。充填法成本比较高，一般用于贵重金属的开采，因为充填采矿法矿石损失贫化小，此时降低的赢利可以通过增加贵重金属的回收率来得到补偿。采用这种房柱式采矿法进行采矿时，露天部分的底部到地下开采的部分之间必须要留有合适厚度的隔离顶柱。地下开采受到的条件限制要比露天开采的限制条件复杂，地下开采必须严格要求地下采场袒露面的大小、间柱强度的大小，而且还要严格控制露天采场和地下采场的爆破规模。

（2）崩落法。用崩落法在崩落矿石的时候可以同时崩落围岩，再用这些围岩来对采空区进行充填，对地压进行控制和管理。使用崩落法时，在进行回采的过程中不需要把矿房和矿柱进行划分，可以按照一定的回采顺序来崩落矿山，以整个的矿块作为回采的单元，进行连续的单步骤回采。不过这种崩落法开采也是有条件限制的，它要求地下开采的上部必须要有一层安全缓冲层。露天开采和地下开采的生产都是要按照顺序进行的，露天开采的部分结束了，地下分段就要投入生产。崩落法中也包括有两种方法，即分段崩落法和阶段崩落法。

（3）联合采矿法。把房柱式采矿法和崩落法的相融其实就是合联合采矿法。一些围岩比较稳固、矿体比较厚的矿床适合这种方法，联合采矿法同时拥有房柱式采矿法和崩落法的长处，但是它采区的一些结构的参数、回采的工艺又和一般的崩落法和房柱式采矿法不尽相同。根据以往的一些国内外的成功经验来说，联合采矿法的特点就是在矿体进行地下开采第一阶段的时候，需要把矿体分为矿房和矿柱，回采矿房时采用房柱式采矿法开采，回采间柱和顶柱则采用崩落法使矿石的自重崩落或者是强制崩落。

3 境界顶柱破坏模式及稳定性

（1）潜在的破坏模式。在进行地下开采的过程中，会形成很多的采空区，如果周围岩石的强度比较高，而且采空区的范围不大，露天采场坑底离采空区顶部的距离也就是顶柱比较厚时，采空区的顶板只会局部崩落形成的拱形顶板，坑底也不会受到它所形成的裂纹带的影响。如果采空区的面积很大，而且周围的岩石的强度不够大，在爆破时受到震动而导致结构不够稳定，这些问题都可能引发顶柱突然失去稳定，使工作面煤层上的覆岩体完全垮落的重大事故。

（2）境界顶柱稳定性的工程类比。可以通过采用分类比较的方法来确定适合自己矿山的境界顶柱厚度。露天转地下开采的实际案例南京凤凰山铁矿，它采用留境界顶柱空场法方案。南京凤凰山矿山在转入过渡开采之前，就已经完成地下工程的开拓和采准，并运用经验类比法设计保留7～10m的境界顶柱。顶柱下的矿块用的是阶段矿房法回采的，放先出30%的矿石，等露天开采结束后，便开始放出矿房内储存矿石，并在拉低水平以上留有6～7m厚的矿山缓冲层，再用YQ-100型钻机从露天向下钻顶柱炮孔，进行爆破。同时，顶盘岩石再采用深孔爆破，放出全部矿石。在露天开采结束后，仍然有足够的储存的矿石可以接替出矿，因此有利于矿山的持续稳定过渡。

4 摩尔——库伦极限平衡研究

图1 土的强度线

法国科学家库伦(C.A Coulomb)在1776年时候总结了土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏公式为：

式中：S为代表抗剪强度（shear strength）；c为土的粘聚力（cohesion）；φ为土的内摩擦角（internal friction angle）；σ为作用在剪切面上的有效法向应力。

公式（1）称为抗剪强度的库仑定律（Coulomb Law），S～σ间的关系如图1所示。式（1）中只有两个常数参数C和φ，它取决于土的性质（与土中应力状态无关），称为土的强度指数，它们的数值由试验直接测定。

判断一点应力是否达到了极限平衡状态，主要看这个点的应力圆是否与强度线相切。那么反过来说就是，如果一点的应力圆与强度线相切，那么说明该点达到了极限平衡。在极限应力圆中可推导下面公式：

图2 土中一点的极限应力圆

在o'bB中，sinφ=Bb/Bo'，则

上式即为土中一点应力的极限平衡方程。

由摩尔——库伦极限平衡方程我们可以知道，当τ＜S时，土不会被破坏，τ=S时土被剪坏，而且土的抗剪强度是随剪切面上的正应力的变化而变化的，所以土的抗剪强度不是定值。那么我们就可以将摩尔——库伦的极限平衡方程应用在矿体开采过程中计算采空区上的覆盖岩，包括顶柱和回填物以及水压的作用下的重力以及侧边剪力，为矿山开采提供一定的理论数据。

5 结语

矿山在进行露天转地下开采时，境界顶柱的预留厚度一定要合适，而且在开采前要一定要做好境界顶柱破坏模式和稳定性的研究，以此来保证采矿过程的安全，这对矿山的生产经营的长远发展有着非常重要的意义。

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

潘荣森（1980-），男，助理工程师。