中钢集团马鞍山研究院有限公司 露天转地下开采关键问题及技术方向.ppt

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1、露天转地下开采关键问题及技术方向,王运敏,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,1、概述,国内一大批深凹露天矿正在或即将转入地下开采，露天转地下或露天地下联合开采已经成为当前和今后一段时间国内矿山的热点之一。,本钢南芬铁矿,攀钢朱家包包铁矿,石人沟铁矿露天转地下开采,1、概述,国内露天转地下开采要解决的关键问题：露天地下联合开采时的露天开采极限；露天转地下开拓系统、地下采矿方法、过渡期联合采

2、矿方法；过渡期限确定及过渡期产量衔接；露天坑底缓冲垫层、安全顶柱厚度的确定及安全顶柱的回采；露天转地下开采边坡岩体滑移机制及边坡稳定；地下通风与防排水；露天生产与地下开采同时作业的安全问题等。,1、概述,国内外已有一些矿山已经进行了露天转地下开采或露天地下联合开采，实现了各自露天转地下的联合开采和过渡，取得了一定的研究成果，得到了一定的经验教训：国外矿山：基鲁纳铁矿（瑞典）、基德格里克铜矿（加拿大）、皮哈萨尔米铁矿（芬兰）、盖斯克矿（前苏联）、蒙特莱尔铜矿（澳大利亚）国内矿山：大冶铁矿、漓渚铁矿、保国铁矿、建龙铁矿,1、概述,国外露天转地下矿山研究成果比较实用。国内矿山的研究仅是解决具体矿山在

3、露天转地下过渡期内某些具体技术问题，在基础理论、技术内涵、适应条件的研究上均不太成熟，缺乏露天转地下平稳过渡整体综合技术的研究与应用。,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,2、露天转地下矿山的整体规划,露天转地下开采的矿山，在进行矿山设计之时对前期露天开采和后期地下开采应进行全面规划，应考虑上述两种开采方法在过渡期及在整个矿山开采过程中开采工艺系统相互利用与结合。,2、露天转地下矿山的整体

4、规划,露天开采后期的开拓系统既要考虑地下巷道的利用，同时在向地下开采过渡时，地下开采也应尽可能利用露天开采的相关工程和设施等，使露天开采经济、合理地平稳过渡到地下开采，使矿山产量和经济效益保持稳定。国内外露天转地下开采矿山的实践表明，当矿山充分利用了露天与地下开采的有利工艺特点时，可以使矿山的基建投资减少，生产成本降低25%50%左右。,2、露天转地下矿山的整体规划,芬兰皮哈萨尔米矿露天转地下开采，过渡期产量衔接平稳，露天后期矿石通过地下运输系统运出，减少露天剥离，节约运输成本。在露天开采的同时，进行地下开拓建设，露天超前地下开采的方式，并利用统一的地下巷道，使过渡时期拉长，确保地下开采有充分

5、的时间进行采矿方法试验；露天转地下共同使用井下破碎站和提升系统，减少了基建投资和露天剥离量；深部露天矿石通过溜井下放到地下开采的运输系统中，采用竖井提升方式比地面汽车运输节约开采成本；从地面有斜坡道直通井下各个工作面，有利于提高采场的机械化程度和设备的效率。,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,3、露天开采极限深度,在理论上常用境界剥采比不大于经济合理剥采比的原则来确定露天开采极限深度。但

6、经济合理剥采比是一个随矿产品价格变动的因数。现代科研设计和生产一般使用设计软件，采用浮动圆锥法等方法根据矿产品市场价格进行露天开采极限深度的确定，并随其变化及时修改。,露天转地下开采矿山，露天开采的极限深度应按照露天开采和地下开采每吨矿石的生产成本相等的原则确定较为合理。按照露天开采和地下开采每吨矿石的生产成本相等的原则确定露天转地下开采经济合理剥采比。但在计算时有一些重要的边界条件需要考虑。现代社会对土地、环境保护、安全生产等的要求已经成为开采方式选择、确定露天转地下开采矿山露天开采深度的重要因数。,3、露天开采极限深度,露天矿山采矿场、排土场占用大量土地，大量破坏植被，而包括贵金属、铁矿、

7、甚至煤矿在内的现代地下矿山采用充填采矿越来越多，不仅减少了占地，而且地表不发生沉降，地下开采矿山在征用土地方面的投资比露天开采矿山大大降低；,3、露天开采极限深度,3、露天开采极限深度,露天矿山采矿场、排土场不仅使植被破坏，在生产期间产生粉尘污染，而且关闭后有部分土地无法恢复，环境运行成本和环境破坏成本较高；随着地下矿山采矿设备和采矿效率的提高，大型地下矿山开采成本大大降低，如2008年上海梅山铁矿采矿成本61.97元/t，浙江漓铁集团有限公司采矿成本86.21元/t，同年全国露天矿山平均采矿成本73.4元/t。,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联

8、合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,国外露天转地下矿山，在露天转地下时，采用了简单和有效的联合工艺，如瑞典基鲁纳矿、芬兰皮哈萨尔米矿，都是在露天开采深部不设运输系统，将深部露天矿石通过地下运输系统运出，减少露天剥离和运输成本。实际上在露天开采设计时，在有条件的矿山，即考虑露天深部矿石通过地下开采的运输系统运出，可缩小露天境界，大大减少剥离量。,4、露天转地下联合采矿工艺,露天与地下联合开采将露天采矿技术和地下采矿技术有机结合，形成新型采矿工艺，这些工艺的完善和实施，是

9、露天地下联合开采追求的目标，实现真正意义上的露天地下联合开采。目前，国内有许多科研机构针对国内露天转地下开采的技术要求及今后的发展趋势，进行了一定的理论研究。,4、露天转地下联合采矿工艺,中钢集团马鞍山矿山研究院利用技术创新资金，研究了露天与地下联合开采的工艺技术，包括联合穿爆地下出矿采矿工艺、露天漏斗法采矿工艺、地下穿爆露天出矿工艺等，同时也研究了露天与地下联合开采的其它一些关键技术。先后对河南银洞坡金矿、新疆雅满苏铁矿、马钢南山铁矿等露天矿山进行了设计研究，取得了很好的应用效果，为国内露天转地下开采的矿山提供了理论准备和实际经验。,4、露天转地下联合采矿工艺,联合穿爆、地下出矿采矿工艺适用

10、于矿床规模大、质量好，地表允许崩落的矿山，工艺实质是于露天坑底用一个高台阶穿爆、矿石经地下运输系统运到地表，如下图所示。,4、露天转地下联合采矿工艺,矿床联合开采示意,将过渡层划分成若干分段，掘进分段凿岩巷道与提升井和通风井相连，从露天采场底部和分段巷道钻凿下向深孔，开采工艺为分梯段进行挤压崩矿，孔网参数综合考虑分段高度，出矿漏斗尺寸和矿石块度等因素确定，崩下的矿石从集矿平巷运出。采空区用作剥离废石场或尾矿库。由于只有一个高台阶开采过渡层，并且露天境界不需再扩帮，大大减少了剥离量；又由于采空区用作生产废料场，对矿区自然环境的破坏范围得以缩小，这种工艺方法的关键是准确确定上、中、下3层开采时间顺

11、序，即过渡层开始作业时间。,4、露天转地下联合采矿工艺,露天漏斗法采矿工艺露天采掘工程在矿床的一翼达到设计深度时，采掘工程继续沿水平方向向矿层中夹推进，然后将露天矿的工作帮向前推进150200m，在非工作帮靠近端部掘一天井，将露天坑底与地下开拓巷道连结。用成排的垂直钻孔爆破将天井扩成与矿体走向垂直、横贯矿体全厚的一条切割槽。对过渡层从露天底向下沿全高进行钻孔，然后随露天采掘工作线的推进而爆破，矿石从地下巷道运出。上、中、下3层形成统一的采空区。随着矿石的放出，采空区用废石堆弃，以增加采空区边帮附加荷载，提高露天边帮的稳定性。,4、露天转地下联合采矿工艺,a-边界与阶段无矿岩附加荷载；b-阶段用

12、爆落矿石做局部附加荷载；a-用露天法采至探水平而不另改变露天边坡的方案；r、x-分别为底部出矿和端部出矿对采空区阶段与边界全面用附加荷载的方案。1-露天矿非工作帮；2-内部排土场；3-爆落的矿石；4-露天/地下联合开采层的阶段；5-露天矿工作带；6-下向平行钻孔；7-出矿巷道；8-阶段附加荷载；9-扇形钻孔。,露天地下联合开采基本方案,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,露天转地下复合开采

13、条件下岩体变形和移动所诱发的露天边帮的稳定性问题，是露天转地下开采矿山的重要问题之一，有一些露天转地下矿山发生了边坡滑坡、地面坍塌等安全稳定事故。露天转地下开采的矿山稳定性问题既不同于单一的露天开采，又不同于单纯的地下开采，复合开采矿山的岩体经历露天和地下二次开挖扰动，应力场和位移变化比较复杂。,5、露天转地下开采边坡岩体滑移机制,5、露天转地下开采边坡岩体滑移机制,地下与露天综合开采关系示意,应力作用原理,从应力场的变化来看，随着露天开挖的进行，由于卸载作用，边帮岩体内的能量逐步得以释放，露天采动影响范围内应力状态不断发生变化，岩体也产生相应的变形和滑移，系统处在一种动态平衡的变化之中。露天

14、开采末期转入地下开采，地下开采引起的应力变化会对露天采动影响范围内的岩体产生二次扰动，表现为地下采动效应对原来平衡体系的干扰或作用，使得两种采动效应相互影响和扰动，形成一个复合动态变化系统。,5、露天转地下开采边坡岩体滑移机制,国内一些学者针对露天转地下开采边坡岩体滑移机制和边坡稳定性开展了一系列研究工作。孙世国、王思敬研究了地下与露天复合采动影响下边坡岩体稳定性评价方法，在理论分析的基础上，推导出边坡稳定性的评价方法。分析认为在地下与露天复合开采的矿山中均存在着矿体开采范围的优化设计问题；一方面如果边坡角过大有可能产生滑坡，而直接影响生产和经济效益；另一方面井下矿的开采量、开采范围和开采方法

15、不同，也直接影响到边坡的稳定性，因此两者之间存在一个优化方案,如能在开采之前进行优化计算与设计将会起到事半功倍的作用。,5、露天转地下开采边坡岩体滑移机制,杜建华等针对大冶铁矿深凹露天转地下开采的实际情况，考虑岩性、断层和破碎带的影响，建立了错动界限计算模型。利用极限平衡理论和FLAC软件对转地下开采前的边坡稳定性进行了研究，分别分析了不同开采水平，塌陷区回填与不回填两种条件下的应力变化、塑性区分布和位移变化规律，并以地表水平变形为标准来圈定不同开采水平的地表错动范围。韩现民等通过对影响边坡的稳定性的主要力学指标 边坡表面最大主应力、边坡最大水平位移、矿房间柱的最大主应力以及矿房顶板的垂直下沉

16、位移进行敏感度分析，得出了在影响边坡稳定性的矿房结构参数中，矿房间柱是高敏感性因素，矿房跨度是较敏感性因素，矿房顶板是小敏感度因素。,5、露天转地下开采边坡岩体滑移机制,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,境界矿柱留设与否，主要根据地下采矿方法、回采技术等要求来确定。一般情况下，采用两步骤回采过渡层及地下开采采用空场法时，通常要留设境界矿柱。留设境界矿柱可以使露天与地下开采同时进行，这样可

17、以保证在露天转地下开采过程中，开采矿量保持稳定，还可以保证通风系统正常运行。,6、露天转地下境界矿柱厚度确定,境界矿柱厚度的确定是一项非常重要而又复杂的课题：境界矿柱留设也会影响地下开采的安全，如果境界矿柱留的过薄，易造成境界矿柱突然间崩落，会对地下采空区产生强动力冲击；并且当境界矿柱塌落时，对采空区内空气压缩，被压缩的空气从与采空区连通的巷道泄出时具有很高的速度，形成破坏性很大的气浪，对井下设施及人员有很大危害，甚至可使矿井报废。境界矿柱如果留的过厚又会造成矿产资源的浪费，因为矿柱回采率低，贫化率大。回采境界矿柱的掘进工程量和投资都比较大。,6、露天转地下境界矿柱厚度确定,国内外确定空区处理

18、所需境界矿柱厚度的方法主要有以下几种：鲁别涅依他等人的公式波哥留波夫的公式平板梁理论推导松散系数理论按岩梁理论计算经验类比法工程计算法数值模拟法,6、露天转地下境界矿柱厚度确定,前五种方法都是公式计算法，这些公式都有一定的假定条件和一定的适用范围，并不能完全如实地反应实际情况，而且这些公式都是在二维空间假设条件下进行计算的，没有考虑工程实际情况中三维空间各个影响因素之间相互关系与二维空间情况的差异，存在很大的片面性。经验类比法和工程计算法是在工程实践中总结出来的，由于各个矿山地质条件和生产需要的不同，这两种方法得出的结果与实际情况存在很大的差异性，只能起到一定的参考作用。,6、露天转地下境界矿

19、柱厚度确定,数值分析法是现在应用较多的方法：张永彬等用RFPA2D数值模拟系统模拟确定了石人沟铁矿露天转地下境界矿柱厚度。许宏亮等针对司家营铁矿三采场露天转地下应用软件建立矿体的力学模型，模拟境界矿柱的受力及其塑性区分布情况，研究了境界顶柱、间柱厚度以及间柱之间的间隔距离对矿柱应力分布以及塑性区分布的影响，从而确定境界矿柱的合理厚度及其他的相关参数。,6、露天转地下境界矿柱厚度确定,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,

20、其它问题,结 语,7,8,9,7、露天转地下生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,在露天转地下开采过渡过程中，如何合理确定过渡时期及地下开采时期矿山的生产规模，做到不停产，维持矿山持续的生产能力，顺利地由露天转入地下开采是最重要的环节之一。矿山生产规模是矿区开发过程中非常重要的一项决策要素，与此相关的决策要素还有矿山服务年限等。在市场经济条件下，这些决策因素确定的正确与否，将对矿山开采经济效益与矿区可持续发展能力带来深远的影响。,7、露天转地下生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,目前国内外在这方面的研究尚不多，对矿山生产规模及其相关要素理论研究也不充分；矿山生产规模一般在设计任务书中直接下达

21、，而不是作为项目研究中举足轻重的决策要素对待，导致矿山设计实践中的盲目性，矿山规模不能符合矿山及社会实际，在生产实践中不得不改、扩建。不仅耽误了生产，也浪费了大量的资金。,7、露天转地下生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,李勇等针对武钢大冶铁矿露天转地下工程，以总投资、净现值、经营成本、服务年限、增加就业人数等5项因素为参数，采用灰色多目标决策方法进行了露天转地下生产规模优化，并根据国内外有关经验及矿山实际确定出8年完全过渡时间及产量衔接方案。,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过

22、渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,露天转地下开采地下开采的通风系统要考虑露天与地下之间已经沟通这一因素对地下通风的影响效果。地下开采的防洪排水措施包括地表和地下两部分。重点要分析计算和控制好露天坑渗入或流入地下采场的水量，研究制定防护措施。分析研究露天转地下开采期间露天爆破对井下开采的影响和井下爆破对露天边坡的影响，对露天坑底和地下开采爆破进行控制。,8、其它问题,概 述,露天转地下矿山的整体规划,露天开采极限深度,1,2,3,4,露天转地下联合采矿工艺,5,6,露天转地下境界矿柱厚度确定,生产规模确定及开采过渡时期的产量衔接,报 告 提 纲,露天转地下开采边坡岩体滑移机制,其它问题,结 语,7,8,9,露天转地下开采不单单是露天采矿技术和地下采矿技术的简单结合，而是一项及其复杂的系统工程，国内无论是在基础理论上还是在技术内涵、适应条件的研究上均不太成熟，还处于不断的探索之中。相信通过国家“十一五”科技支撑项目的实施及有关科研院所、高等院校、矿山企业的联合攻关和研究探索，将会很快形成一套完整成熟先进的技术。,9、结 语,谢 谢！,