露天转地下开采围岩稳定与安全防灾

1 露天转地下开采研究评述

1.1 研究背景

1.2 研究目的、意义和研究过程概述

1.2.1 研究目的、意义

1.2.2 研究过程概述

1.3 同类技术研究现状及对比

1.4 研究方案、技术路线和研究目标

1.4.1 研究方案

1.4.2 技术路线

1.4.3 研究目标

2 岩体结构特征、渗透特性及力学性质测试

2.1 石人沟铁矿岩体结构特征描述

2.2 石人沟铁矿岩体渗透特性

2.3 矿岩物理力学性质试验

2.4 岩体力学参数确定

2.5 岩体长期强度的确定

2.6 小结

3境界矿柱可能的破坏模式和稳定性解析评价

3.1 石人沟铁矿采空区围岩压力分布特点和可能的破坏模式

3.2 顶柱稳定性的工程类比法

3.3 摩尔一库仑极限平衡解析

4 二维稳定性及破坏机制模拟分析

4.1 FLAc2D变形破坏分析

4.1.1 计算模型及方案

4.1.2 各个剖面计算结果

4.1.3 境界顶柱少留6m的情况

4.1.4 小结

4.2 RFPA2D破坏机制分析

4.2.1 计算模型及方案

4.2.2 各个剖面计算结果

4.3 考虑水弱化作用和长期强度时稳定性分析

5不同采矿方案情况下三维稳定性分析

5.1 MSC.Patran和MSC.Nastran简介

5.1.1 MSC.Patran简介

5.1.2 MSC.Nastran简介

5.2 不同采矿方案情况下的计算模型及方案

5.3 不同采矿方案情况下的计算结果及分析

5.3.1 采矿方案一

5.3.2 采矿方案二

5.3.3 采矿方案三

5.3.4 采矿方案四

5.3.5 采矿方案五

5.3.6 采矿方案六

5.3.7 采矿方案七

5.3.8 采矿方案八

5.3.9采矿方案九

5.4 小结和建议

6 围岩稳定性分区研究与变厚度方案设计

6.1 稳定性分区研究

6.2 稳定性分区后的监测检验和变厚度采矿设计

6.3 小结

7 断层破碎带影响下矿体安全采矿技术研究

7.1 F18、F19断层区域地质条件概述

7.2 南区—60m中段F18～F19破碎及断层区域目前开采现状

7.3 存在的问题

7.4 二维稳定性及破坏机制模拟分析

7.4.1 计算模型及方案

7.4.2 计算结果

7.4.3 考虑水弱化作用和长期强度时稳定性分析

7.5 三维背景应力场计算分析

7.5.1 计算模型及方案

7.5.2 计算结果及分析

7.6 矿石储量及可采出矿石量

7.7 建议采矿方案及支护方案

7.8 小结

8 采空区探测及稳定性分析

8.1 —60m水平中段采空区调查及CMS探测

8.1.1 全区矿房现状详述

8.1.2 采空区井下CMS探测

8.1.3 已探测采空区三维模型的构建

8.1.4 石人沟铁矿外围非法采空区的勘探

8.1.5 CMS探测技术与地球物理探测的比较

8.2 采空区稳定性分析

8.2.1 岩体物理力学强度取值

8.2.2 石人沟铁矿矿块构成要素

8.2.3 采场结构参数理论计算

8.2.4 采空区顶板稳定性计算分析

8.2.5 矿柱的稳定性理论计算分析

8.3 小结

9 围岩稳定性的实时监测分析及预警

9.1 微震监测系统的选择

9.2 微震监测系统设计与安装

9.2.1 准备工作

9.2.2 传感器安装

9.2.3 线缆安装

9.3 微震活动实时监测与数据处理

9.3.1 系统软件

9.3.2 微震信号处理

9.3.3 波形初步分析

9.3.4 信号滤波处理

9.3.5 波形数据库建立

9.4 数据分析与微震活动规律研究

9.5 微震监测系统的防盗采功能

9.6 小结

10 基于虚拟现实技术的矿山岩体动力灾害预测、预警

10.1 虚拟现实系统概念

10.2 虚拟现实环境的产生原理

10.3 虚拟现实系统在矿山中的应用

10.3.1 采矿设计

10.3.2 风险评估

10.3.3 事故原因调查

10.3.4 技术培训、安全教育

10.3.5 采矿过程虚拟研究

10.4 基于虚拟现实技术的围岩稳定与矿山动力灾害预测、预警系统初步研发

10.4.1 虚拟矿山系统总体设计

10.4.2 石人沟铁矿虚拟现实模型的建立

10.4.3 应力场云图和微震数据显示

10.4.4 控件制作

10.4.5 小结

11 结论与展望

11.1 研究结论、创新点与关键技术

11.2 应用效果分析

11.2.1 经济效益

11.2.2 社会效益显著

11.3 建议与技术展望

11.3.1 建议

11.3.2 技术展望

参考文献

《露天转地下开采围岩稳定与安全防灾》可供采矿工程、地质工程、地下工程的技术和管理人员以及从事矿山安全生产工作的人员参考，也可作为相关专业的科研和教学参考用书。

主要研究最佳的过渡方案、境界顶柱厚度、露大边坡与地下井巷工程的稳定性。

1.研究最佳的过渡方案

露天转入地下开采过渡期，露天开采和地下开采同时存在，从而增加了过渡期开采技术的复杂性和难度。因此，研究最佳的过渡方案，以保证矿山持续均衡生产，安全过渡。

首先要掌握和运用露天与地下联合开采方法，在一个矿床内同一个垂直面上同时进行露天与地下开采。过渡期内进行科学研究、勘察、设计和基建工作的综合研究分析、统筹规划过渡方案。一般矿山的过渡期少则3-5a，多则10-15a。因此对地下工程应提前进行开采和采准。对有条件的矿山，可以采用分区、分期交替过渡，做好生产衔接。

2.境界顶柱的厚度

由露天转地下过渡方案、地下采矿方法和露天与地下开采的下降速度等所决定。通常用两步骤回采的方法，要留临时境界顶柱，采用崩落法回采时。露天矿开采结束可以不留境界顶柱，但要形成一定厚度的岩石或矿石覆盖层。

境界顶柱的安全厚度与矿岩的稳固性、地下与露天的开采范围和爆破技术等有关，其安全厚度可以通过物理力学模型试验确定，计算机数学模拟分析等理论计算。不少矿山仍用类比经验选取，其厚度一般10-40m不等。而缩短采空区的暴露时间，减少矿房的跨度和控制露天爆破，是提高境界顶柱安全的有效措施。

3.露天边坡与地下井巷工程的稳定性

过渡期内露天边坡和地下空区的暴露面积逐步加大，暴露形态复杂。边坡失稳滑落和采场并巷获程位移错动，会影响生产和导致灾害的发生。因此必须进行工程地质调查，边坡稳定性分析，开展岩体位移、变形监测和预报，掌握地压活动规律，采取边坡加固和有效地地压控制等措施，使露天转地下安全过渡。

露天转地下开采，要避免露天爆破对地下井巷和采场的破坏，而地下开采不影响露天安全生产，要充分研究通风、排水、防洪和环境保护等措施，防止通风短路和暴雨期间泥砂突然溃入井下 。2100433B

根据矿床赋存条件和过渡期存在联合开采的特点，选择露天采场与地下开拓系统方案，包括露天场内开拓、场外开拓和联合开拓。

1.露天场内开拓

地下开拓工程布置在露大采场内，适用于深部矿体储量不多，地下开采规模小的矿床。

2.露天场外开拓

地下开拓工程布置在露天采场外，它适用于深部矿体储量大，服务年限长的矿山。过渡期露天转地下相互干扰小，露采结束后边坡不再维护，但基建工程量大。地下工程需提前进行。

3.联合开拓

适用于上部露天服务年限长、边坡较稳固的矿山。采用联合开拓应综合考虑露天与地下开采的工艺特点，统一地下井巷开拓。利用地下井巷的联合开拓系统，可减少基建投资，当露天深度超过100-150m时。用井下运输矿石较地面汽车运输费用低50%左右，可利用地下排水疏干，改善露天矿的生产条件，缩短过渡期地下开采的建设周期。

采用联合开拓的经验表明，充分利用露天与地下联合开拓。基建投资减少25%-50%，可保持矿山持续生产，是广泛采用的露天转地下开采的开拓方法 。

露天转地下开采期间，在露天开采的同时，可选用空场采矿法，充填采矿法和崩落采矿法进行地下开采，充填采矿法和胶结充填采矿法回采方案日益获得广泛应用，并向联合采矿法回采方案发展。

1.空场法回采方案

分暂留境界顶柱和不留境界顶柱的方案。中国凤凰山铁矿在露天坑底留7-10m厚的境界顶柱。地下用深孔留矿法回采矿房，暂留间柱露天开采结束后，从露天坑底向下穿孔爆破境界矿柱和崩落上盘围岩，以形成覆盖层。再应用崩落法回采，金岭铁矿不留境界顶柱。用分段空场法回采矿房，顶柱和间柱强制崩落后甲顶盘围岩随之冒落充填采空区，以后用崩落法回采，20世纪90年代初。有些国家的露天转地下开采的矿山，采用VCR采矿法从露天坑底向下凿大直径深孔分段落矿。这种方法，效率高，成本低。

2.充填法回采方案

对开采矿石品位高或贵重金属矿床，为了保证露天转地下安全过渡。70年代以来，广泛采用充填法回采方案口一般采用尾砂、废石和胶结充填采矿法。

3.崩落法回采方案

应用分段崩落采矿法在回采前需形成覆盖层，阶段崩落采矿法在回采过程中形成覆盖层。分段崩落采矿法在回采前留15-20m的覆盖岩石或矿石、不留境界顶柱，连续回采其覆盖岩以满足安全和挤压崩矿的要求。

4.联合采矿法回采方案

随着采矿科学技术的发展，在露天转地下回采方案中发展了联合采矿法，如房柱式崩落法等 。