金属矿山露天转地下开采的关键问题研究进展_李小双.pdf

收稿日期2019-10-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41702327， 41867033） ， 中国博士后科学基金项目 （编号 2019M650144） ， 金属矿山高效开采与安全 教育部重点实验室开发基金项目 （编号 ustbmslab201705） ， 江西理工大学博士启动基金项目 （编号 jxxjbs17004） 。 作者简介李小双1983， 男， 副教授， 博士。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 金属矿山露天转地下开采的关键问题 研究进展 李小双 1， 2， 3 王运敏 3 赵奎 1， 2 杨舜 1， 21 （1. 江西理工大学资源与环境工程学院， 江西 赣州 341000； 2. 江西省矿业工程重点实验室， 江西 赣州 341000； 3. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000） 摘要金属矿山由露天转地下开采后， 露天边坡及周围岩体与地下开采组成一个复合的动态采动体系， 其 变形和力学行为极为复杂， 局部呈现出典型的非线性特征， 给矿山的地压管理与安全生产带来了严重挑战， 一直是 国内外科研工作者研究的热点。目前人们对脉状或者块状的铁矿、 铜矿露天转地下开采技术已有大量研究成果， 但由于各种类型矿山地质采矿赋存条件的差异性， 加之露天边坡岩体与地下开采环境的复杂性和不确定性， 人们 对露天转地下开采后岩体的采动变形机理与力学机制依然缺乏科学的、 定量化的分析和表达。本文在综合分析大 量文献的基础上， 从国内外金属矿山露天转地下开采矿山现状、 露天转地下开采的平稳过渡问题、 边坡变形破坏特 征和失稳机理以及安全管控技术、 地下开采对露天边坡的影响效应及作用机制、“露井复合开采” 相互作用机理等 几个方面对金属矿山露天转地下开采的研究现状进行了深入系统论述， 同时展望了金属矿山露天转地下开采研究 的发展趋势， 为工程实践提供理论参考。 关键词金属矿山露天转地下开采平稳过渡问题变形破坏特征失稳机理 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-012-09 DOI10.19614/ki.jsks.201912002 Research Progress on the Key Problems in Transition from Open-pit to Underground Mining for Metal Mines Li Xiaoshuang 1， 2， 3 Wang Yunmin3Zhao Kui1， 2Yang Shun1， 22 （1. Resources and Environment Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China； 2. Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering， Ganzhou 341000， China； 3. State Key Laboratory of Safety and Health in Metal Mines， Maanshan 243000， China） AbstractAfter the metal mine is transited from open-pit to underground mining，the open-pit slope including sur- rounding rock mass and underground mining constitute a composite dynamic mining system. Its deation and mechanical behavior are extremely complex，and a typical nonlinear characteristics are presented at the local part，which brings serious challenges to the ground pressure management and safety production of the mine. This has always been a research hotspot for researchers at home and abroad. At present， there have been a lot of research achievement on underground mining technology of vein or massive iron ore， copper mine from open-pit mining. However， due to the difference in geological occurrence condi- tions of various types of mines，combining with the complexity and uncertainty of open-pit slope rock mass and underground mining environment，there is still a lack of scientific and quantitative analysis and expression on the mining deation and mechanical mechanism after the transition from open-pit to underground mining. Based on the comprehensive analysis of a large number of documents， series of research issues are analyzed and demonstrated， such as the current situation of the met- al mine from open pit to underground mining at home and abroad，the problem of smooth transition from open pit to under- ground mining， the characteristics of slope deation and failure， the mechanism of instability and its effect and interaction mechanism with safety control technology and underground mining on open pit slope，and the interaction mechanism of open Series No. 522 December2019 12 ChaoXing pit-underground composite mining. At the same time，the development trend of the research on the transition from open pit to underground mining in metal mines is prospected， which provides theoretical reference for engineering practice. KeywordsMetal mines， Open-pit to underground mining， Smooth transition， Deation and failure， Instability mecha- nism 1引言 自上世纪50年代以来， 全世界现已建有金属、 煤 炭、 黄金、 化工、 建材等各类露天矿山1 500余座。按 矿山当前生产能力计算， 露天开采在各类非能源固 态矿床开发中所占的比重约为 有色金属矿50、 铁 矿 87、 化工原料矿 71、 建材矿山近 100 。经过 几十年持续高强度的开采， 绝大多数露天矿山已经 进入深凹露天开采阶段， 大部分矿山正在或者已经 转入露天和地下联合开采或者完全地下开采。露天 矿进入深凹开采阶段后， 一方面采场水平不断延深， 采场作业尺寸逐渐缩小， 工作平台宽度变窄， 运输距 离增加， 运输效率降低， 矿山生产能力下降， 作业成 本显著增加； 另一方面露天边坡越来越高， 边坡控制 和管理的难度愈加困难， 对生产的威胁日益加剧。 此外采场的环境污染越来越严重， 劳动、 作业条件日 益恶化， 劳动生产率显著降低。露天开采具有的投 产快、 基建投资少、 安全系数高、 损失贫化指标好等 优势逐步丧失。因此， 随着浅部易开采资源的逐渐 减少和露天坑的延伸扩大， 剥采比增幅显著， 并形成 了深凹底坑和陡峭的露天终了边坡， 使得矿山开采 不仅技术难度加大， 而且无经济效益可言， 这些因素 迫使露天开采矿山转入地下开采。 露天转地下开采是一项复杂的系统工程， 它不 是一个孤立 “转” 的过程， 需要把露天和地下作为一 个整体， 通过科学规划和完美衔接实现整体安全高 效开采。露天开采平稳过渡到地下开采关键的岩石 力学难题是 同一岩体 （区段） 经历数个应力场的作 用， 使其应力与变形机制十分复杂， 局部呈现典型的 非线性、 突发性特点， 给露天边坡的安全维护与地下 采场地压的安全管理与控制带来严重挑战 ［1］。矿山 露天转地下开采后， 露天终了边坡及坑底周围岩体 与地下开采组成统一的复合开采系统。露天终了边 坡及坑底周围岩体在露天开采时期受到开挖卸荷的 应力扰动， 在局部地段产生应力集中， 并在坡体内形 成潜在滑坡体。在此基础上再转入地下开采阶段， 地下矿体开挖对其造成二次扰动， 并随着开挖空间 的推进， 二次扰动效果的动态叠加， 不断地影响并改 变其应力与变形状态 ［2］。同时， 露天边坡及坑底周围 岩体受扰动后的应力重新分布与变形破坏变化对地 下开采也产生重要影响， 使得2个体系之间的危害相 互诱发， 从而组成一个复合动态变化系统 ［3］。 国外矿山露天转地下开采方面的研究起步较 早， 上世纪60年代末、 70年代初已在相关金属矿山开 展初期研究； 我国矿山露天转地下开采方面的研究 工作较晚， 始于上世纪 90年代左右 ［4］， 但最近 30余 年， 伴随着我国经济的迅速发展， 大量的矿山工程项 目急剧增加， 露天转地下开采相关的研究工作正如 火如荼地开展与推进， 并处于后来居上的势态。特 别是 “十五” 、“十一五” 、“十二五” 、“十三五” 期间国 内科研工作者从露天转地下开采后对边坡的变形破 坏影响机制、 露天转地下开采后边坡的失稳机理与 变形特性、 露天转地下开采后的过渡方案、 露天转地 下开采后坑底覆盖层与隔离顶柱的稳定性与适宜厚 度、 露天转地下开采后地下采场结构参数与围岩变 形破坏特征等方面进行了大量的研究工作， 取得了 较为丰硕的研究成果。但由于矿山露天转地下开采 是一项复杂而庞大的系统工程， 会遇到许多采矿安 全与岩石力学方面的科学难题。同时由于各类矿山 地质采矿赋存条件、 采矿工艺、 采矿方法和开采技术 差异较大， 加之露天边坡与地下开采环境的复杂性 和不确定性， 当前露天转地下开采后矿山边坡与地 下采场围岩及其上覆岩体的应力分布特点、 变形破 坏特征及失稳机理的研究成果尚未形成系统的理论 体系， 露天转地下开采后边坡岩体与地下开采相互 作用下的岩体力学行为与工程响应特征问题依旧是 一个影响安全生产的突出问题。 总体而言， 目前金属矿山露天转地下开采技术 已经取得了较大进展， 但还存在一系列关键问题亟 待突破； 而边坡与地下开采耦合作用下的岩体非线 性变形机制及动态失稳机理尚处于起步阶段， 目前 尚没有可以借鉴的获得统一认知的系统理论体系。 王运敏、 孙世国等 ［5-7］阐述了金属矿山露天转地下开 采的技术现状与自主研究成果， 为本领域研究者和 应用者提供了可供参考的综述性文献。本文在王运 敏、 孙世国等 ［5-7］的研究基础上， 通过大量的国内外调 研， 总结国内外露天转地下开采技术的现状和最新 成果， 阐述国内外学者在露天转地下开采研究方面 的新进展， 预测未来的技术发展方向和趋势， 为金属 矿山露天转地下开采后采场地压管理与控制及露天 边坡的安全维护提供科学依据与指导。 2019年第12期李小双等 金属矿山露天转地下开采的关键问题研究进展 13 ChaoXing 2露天转地下开采研究现状及问题 在近百余年的露天与地下开采过程中， 国内外 科研工作者对单一露天开采边坡岩体和单一地下开 采下的采场围岩及其上覆岩体的应力显现规律与变 形破坏机理已经有深入的认识， 取得了较好的研究 成果， 形成了较完备的理论体系， 并得到工程实践验 证。 单一露天开采方面 针对边坡岩体失稳破坏问 题， 经过广大学者的不懈努力， 已经建立了边坡稳定 性评价的基本理论与方法。特别是近年来随着计算 机技术的飞速发展与计算分析软件的日益完善， 各 种计算手段逐渐被应用至边坡稳定性分析中， 大大 促进了边坡学科的发展与完善。国内外学者已提出 的滑坡稳定性计算方法有数十种之多， 常用的边坡 稳定性分析方法有 工程地质类比法、 极限平衡法、 极限分析法、 数值模拟方法、 可靠度法、 模型试验法、 人工智能法等。其中占主导地位的是极限平衡法和 数值分析法 ［8-10］。 单一地下开采方面 针对地下采矿工程诱发的 采场围岩及其上覆岩体变形、 离散移动和垮落、 地表 下沉等矿山压力显现问题， 开展了大量卓有成效的 研究工作。国内外地下采场围岩及其上覆岩体应力 与变形破坏特征研究大致可分为三个阶段 假说与 推理阶段， 现场实测与规律认识阶段， 预测方法和预 测理论建立及实际应用阶段。相关的矿压理论主要 包括 压力拱假说、 铰接岩块假说、 悬臂梁假说、 预成 裂隙假说、 砌体梁理论、 传递岩梁理论、 岩板理论、 关 键层理论 ［11-13］。相关的理论模型建立的研究方法主 要包括 几何模型研究、 力学模型研究、 数值模型研 究、 相似物理模型研究以及其他模型研究 （专家系统 模型、 神经网络模型、 遗传算法模型、 模糊数学模型 和灰色系统模型等） ［14-16］。依托上述相关理论基础， 几十年来， 国内外无数露天矿山与地下矿山实现了 科学化的开采设计与安全高效开采， 并为露天转地 下开采的研究与实践工作提供了坚实的基础。 2. 1国外矿山露天转地下开采研究现状 国外露天转地下开采的矿山较多， 主要涉及到 金属矿山。如瑞典的基鲁纳瓦拉矿、 南非科菲丰坦 金刚石矿、 加拿大基德里克多金属矿、 加拿大贡纳尔 铀矿、 加拿大斯提普洛克铁矿、 加拿大威廉姆斯铁 矿、 芬兰皮哈萨尔米矿、 苏联阿巴岗斯基铁矿、 澳大 利亚的蒙特莱尔铜矿、 扎伊尔卡莫铜钻矿、 因斯平拉 逊铁矿、 苏联列比斯基铁矿、 美国圣拉依茨铁矿、 英 国弗洛根金姆铁矿、 苏联沙尔巴伊斯基铁矿、 新巴里 斯基铁矿、 印度Malanjhkhand铜矿、 伊朗chah-gaz铁 矿、 俄罗斯 Raspadsky 铁矿、 印度 Rampura Agucha 铅 锌矿等。自上世纪60年代末、 70年代初以来， 国外研 究人员从实际出发， 依据不同类型矿山的地质赋存 特点和实际开采情况， 对露天开采的极限深度、 露天 开采转地下开采过渡时期的产量衔接、 露天与地下2 个开拓系统过渡衔接、 露天转地下开采后边坡的稳 定性及管理措施、 坑底残柱回采、 坑内通风与防排水 系统等问题展开大量有针对性的研究工作， 并在多 个矿山的开采实践中积累了丰富的经验。Aroslav Jakubec等 ［17］从地质调查的角度对Ekati金刚石矿露 天转地下开采后边坡岩体结构进行研究与分析。 Allan Moss等 ［18］对Palabora矿露天转地下开采后的崩 落空区对上部采坑边帮的作用机理进行了研究。 Richard K Bmmmer等 ［19］应用3DEC数值模拟软件， 对 Palabora矿露天转地下开采崩落法过程中的北侧高 陡边帮失稳过程进行了三维模拟分析。E.Bakhta- var［20］基于地质钻孔数据， 建立了数学经济分析模型， 对Chah-Gaz 铁矿露天转地下开采的最佳开采深度进 行了研究。I.V. Sokolov ［21］对俄罗斯 Udachny矿露天 转地下开采过渡时期的产量衔接问题进行了深入研 究。E.Bakhtavar等 ［22］通过理论研究与数学经济模型 分析， 量化估算了露天转地下开采的合理经济剥采 比与最佳时间。 2. 2国内矿山露天转地下开采研究现状 国内大部分的大中型矿山建于上世纪年60年代 左右， 矿山露天转地下开采方面的研究工作始于上 世纪90年代左右。“十五” 以来特别是 “十一五” 、“十 二五” 、 “十三五” 期间， 我国已有广西的大新锰矿、 河 北矿山村铁矿、 河北的建龙铁矿、 福建的连城锰矿、 河南的银洞坡金矿、 安徽的新桥硫铁矿、 南京凤凰山 铁矿、 江苏冶山铁矿、 安徽的铜宫山铜矿、 甘肃的白 银折腰山铜矿、 湖北黄麦岭磷矿、 湖北余华寺铁矿、 湖北大广山铁矿、 湖北红安萤石矿、 湖北大冶铜山口 铜矿、 湖北大冶铁矿东露天矿、 辽宁北松树卯铝矿、 辽宁小汪沟铁矿、 辽宁海城滑石矿、 江西良山铁矿、 浙江漓诸铁矿、 山东赵庄金矿、 山东归来庄金矿、 山 东金岭铁矿、 山东蒙阴金刚石矿、 内蒙古金山矿业公 司、 贵州穿岩洞磷矿、 云南没租哨磷矿等30余座年产 量300～1 000万t的大中型露天矿山转入地下开采。 国内众多学者经过 20余年的不懈努力， 特别是 “十 五” 、“十一五” 、“十二五” 、“十三五” 期间， 在露天开 采与地下开采的统筹规划 （露天转地下开采过渡期 产量衔接、 露天开采极限深度、 露天与地下联合/过渡 期开采的工艺技术与工艺参数、 露天转地下开采后 开拓系统与地下采矿方法的选择与优化） 、 露天开采 金属矿山2019年第12期总第522期 14 ChaoXing 与地下开采同时作业的安全问题 （境界顶柱厚度与 稳定性、 露天覆盖层的厚度与稳定性） 等方面进行了 大量现场实际问题的研究工作， 相关的科研技术成 果为矿山实际工程实践提供了技术支撑。 刘辉等 ［23］用离散单元法研究了大冶铁矿狮子山 采区露天转地下开采， 采用充填法、 崩落法采掘对露 天边坡和围岩的影响及围岩变形规律。韩放等 ［24］通 过三维数值模拟， 揭示了露天边坡内地下开采采场 周围和边坡的力学环境， 探讨了围岩移动变形、 应力 分布和破坏机理， 分析了边坡稳定性状况。史秀志 等 ［25］针对铜绿山Ⅰ号矿体露天转地下开采的复杂情 况， 采用FLAC3D分析不同跨度及立柱厚度下采空区 围岩的变形及破坏特征； 并用FISH语言定义岩石剪 切破坏的摩尔库仑判据， 实现单元体剪切破坏判 据值及其他关键参数在运算过程中的动态监测。依 据研究结果， 为施工设计提供合理工艺参数。周科 平等 ［26］从露天转地下矿山的地质条件和工程状况出 发， 运用未确知测度理论， 建立露天转地下境界顶柱 安全性评价模型。采用该评价模型对新桥硫铁矿、 石人沟铁矿和获各琦铜矿3座典型的露天转地下矿 山境界顶柱的安全性进行评价， 评价结果与实际情 况基本一致。谢胜军等 ［27］基于理想点规范化方法、 海明贴近度方法与模糊多属性决策理论， 采用主客 观组合权重法研究得出南芬铁矿露天转地下开采的 最优采矿方法为无底柱分段崩落法。 张钦礼等 ［28］以姑山铁矿露天转地下为实例， 通过 运用 ANSYS数值模拟分析， 获得了不同跨度下的安 全隔离层厚度。李海英等 ［29］针对小汪沟铁矿露天转 地下过渡期的实际生产条件， 系统地研究了地下开采 与岩移特点， 提出了应用诱导冒落技术控制挂帮矿地 采岩移的方法， 有效解决了露天转地下过渡期产量衔 接的难题。杨明财等 ［30］针对密云铁矿南矿段的实际 情况， 选用典型勘探线剖面， 采用ANSYS有限元分析 软件对该矿段进行数值模拟分析， 得出不同跨度下最 小拉应力所对应的隔离矿柱尺寸。杜逢彬等 ［31］以高 陡边坡下露天转地下开采过程中隔离顶柱安全厚度 的留设为背景， 基于突变理论的隔离顶柱稳定性强度 折减法， 通过FLAC3D有限差分软件建立了竖向位移 与折减系数的尖点突变模型， 得到了隔离顶柱安全系 与其厚度之间的对数拟合函数， 并研究发现隔离顶柱 的安全系数随厚度的减小而降低， 且在顶柱厚度较小 时， 隔离顶柱的安全系数劣化加剧。 随着科研工作不断深入， 并伴随计算机模拟技 术、 矿山岩体测试与观测手段的不断进步， 各种试验 方法的丰富与更新， 加之各种交叉学科的先进理论 引入。国内科研工作者在前期研究与实践的基础 上， 进入更深层次的露天转地下开采后岩体力学行 为机制与变形机理的理论研究与实践验证阶段， 国 内外学者的研究焦点集中在露天转地下开采后边坡 的变形破坏特征与失稳机理， 地下开采对边坡稳定 性影响及作用机制， 取得一系列丰硕成果。同时对 露天边坡与地下开采的相互作用机理、 露天转地下 开采后采场围岩的移动特征与破坏机理方面做了一 定探索性的研究工作。 李长洪等 ［32］提出了一种基于支持向量机的露天 转地下开采边坡变形模型， 有效表达了地下开采扰 动引起露天矿边坡变形的非线性变化关系。张亚 民 ［33］以金川龙首矿为研究背景， 采用理论分析、 数值 计算与现场实测相结合的方法， 对其水平高应力为 主导的矿区露天转地下开采地表与边坡岩体的变形 机制进行系统研究。宋卫东等 ［34］以攀枝花尖山铁矿 为工程背景， 采用物理相似材料模型试验和数值模 拟计算相结合的方法， 对露天转地下开采过程中采 场围岩的破坏机理及移动范围进行了研究。徐帅 等 ［35］通过离散元大变形数值模拟， 对上向进路充填 法地下开采与爆破震动影响下露天边坡的稳定性进 行了系统研究。胡建华等 ［36］结合室内岩石力学实 验， 对岩石内聚力、 内摩擦角等力学参数进行了统计 分析， 针对矿山工程现状进行了参数折减， 实现了在 采空区影响下的边坡稳定性分析； 通过离散元大变 形数值模拟， 对上向进路充填法地下开采与爆破震 动影响下露天边坡的稳定性进行了系统研究。 刘杰等 ［37］以孟家堡铁矿露天转地下开采的实际 情况为工程背景， 利用强度折减法和 FLAC3D数值模 拟方法， 分析静态及开采扰动下的边坡稳定性； 根据 随采深下降的边坡破坏规律， 对开采方案进行优化。 王云飞等 ［38-39］以杏山铁矿为例， 通过相似材料模拟试 验， 就地下矿体开采过程中边坡岩应力、 应变规律进 行了系统研究， 揭示了露天转地下开采边坡失稳导 致的动力冲击灾害发生机理， 并通过FLAC3D三维数 值分析， 详细分析了地下矿体开采过程中边坡岩体 的变形和应力变化规律。常来山等 ［40］针对眼前山铁 矿露天转地下开采条件下的边坡岩体的变形、 破坏 和稳定性问题， 采用FLAC大变形模式分析了矿体开 采不同深度下的露天边坡变形破坏特征。张定邦、 周传波等 ［41-42］以大冶铁矿露天转地下开采为依托背 景， 采用相似材料模拟试验的方法对超高陡边坡与 崩落法地下开采相互影响机理这一问题进行深入研 究， 重点分析了地下开采对超高陡边坡稳定性影响， 并运用二维数值模拟UDEC软件， 对边坡滑体失稳后 2019年第12期李小双等 金属矿山露天转地下开采的关键问题研究进展 15 ChaoXing 在冲击力作用下边坡底部围岩应力、 应变规律进行 了系统研究。 孙世国等 ［43-44］应用离散元数值模拟， 选取合适的 力学参数， 运用3DEC、 Matlab 等软件系统， 分析了地 下开采对高边坡稳定性的影响机制、 滑移特点和后 续变形发展趋势。在此基础上， 以乌海矿露天转地 下开采工程实践为背景， 应用数值模拟方法对L型工 作面不同开采方案进行了模拟分析， 探讨了地下采 区由里向外和由外向里不同开采推进顺序对边坡破 坏的影响机制。邓清海等 ［45］基于金川龙首矿地表移 动GPS监测数据， 通过光弹性模拟试验， 模拟了露天 转地下开采过程中采坑围岩的移动和变形过程， 从 理论上分析了转地下开采后露天采坑底部的隆起机 理。李博等 ［46］针对厂坝铅锌矿露天矿转地下开采后 北帮高陡边坡稳定性问题， 进行了不同开采深度的 数值模拟研究和地下开采过程的仿真分析， 给出了 边坡稳定安全系数， 建立了边坡稳定性与开采深度 的函数关系。房智恒 ［47］以国内某大型矿山为工程背 景， 通过数值计算与现场调查相结合的方法， 对比分 析露天转地下开采影响范围内的地表构筑物水平位 移、 倾斜、 曲率、 沉降。贾太保 ［48］以北京云冶矿业有 限责任公司的开采工程为背景， 研究了复杂的环境 工程地质条件下露天转地下开采过程中地表变形的 动态演变规律、 滑移机制和破坏区的界定等内容， 并 得出了其开采过程中的动态破坏范围及其移动参数 的演变特点。 张亚宾等 ［49］以某铁矿露天转地下开采为背景， 通过相似材料模拟试验， 采用非接触式全场应变分 析系统对开采过程进行监测分析， 研究在露天转地 下开采过程中地下开采对露天边坡的影响规律。宋 朝阳等 ［50］以海南矿业公司露天边坡挂帮矿井采为 例， 采用理论计算和数值模拟相结合的方法对其露 天转地下挂帮矿的开采工作面倾角的布置方式对工 作面上覆岩体应力与边坡失稳破坏模式的影响效应 进行了系统研究。刘艳章等 ［51］以密云铁矿为工程背 景， 采用有限元强度折减法分析了该矿露天转地下 开采过程中隔离层厚度与露天边坡稳定性的关系。 李小双等 ［52］以云南磷化集团有限公司晋宁磷矿为依 托背景， 借助数字照相量测技术， 通过相似材料模拟 试验， 对 20、 502种不同倾角条件下， 露天转地下开 采后， 地下采场围岩与覆岩的变形破坏特征及动态 演化过程进行了系统研究。 2. 3当前存在的主要问题 综上所述， 目前国内外露天转地下开采的研究 对象主要集中在倾斜与急倾斜厚大脉状或者块状金 属矿床的铁矿、 铜矿， 较少涉及复杂赋存条件 （含软 夹层） 缓倾斜薄至中厚层状金属矿， 研究内容的焦点 主要集中在具体技术问题 （露天转地下后的地下采 矿方法与采场结构参数、 露天坑覆盖层与隔离顶板 厚度、 露天与地下过渡期的开拓方式与采矿方法） 与 地下开采对露天边坡的影响效应及作用机制理论 （地下开采影响下边坡稳定性及其评价方法、 地下开 采影响下边坡岩体的移动与变形破坏规律、 地下开 采扰动下边坡岩体的致灾机理） ， 而关于露天转地下 开采后露天边坡对地下开采的影响效应及作用机制 （边坡的坡高与坡角对地下开采的影响效应） 、 露天 转地下开采后岩体应力场、 位移场、 变形破坏场的演 化过程及其动态变化特征、 露天转地下开采后地下 采场围岩及上覆岩体变形破坏演化的形态特征方面 的研究涉及较少。露天矿边坡对地下采场围岩及其 上覆岩体的应力分布、 移动破坏模式及其稳定性有 何影响， 影响到何种程度， 未形成理论上的统一认 识， 边坡与地下开采耦合作用下的岩体非线性变形 机制及动态失稳机理缺乏足够认知， 无法为露天转 地下开采后采场地压管理与控制及露天边坡的安全 维护提供科学依据与指导。 3露天转地下开采研究的发展趋势 露天转地下开采是一项复杂的系统工程， 它不 是一个孤立 “转” 的过程， 需要把露天和地下作为一 个整体， 通过科学规划和完美衔接， 实现总体安全高 效开采。露天开采平稳过渡到地下开采最为关键的 岩石力学难题是 同一岩体 （区段） 经历数个应力场 的作用， 使其应力与变形机制十分复杂， 局部呈现典 型的非线性、 突发特点， 给露天边坡的安全维护与地 下采场地压的安全管理与控制带来严重挑战。矿山 露天转地下开采后， 露天终了边坡及坑底周围岩体 与地下开采组成统一的复合开采系统。露天终了边 坡及坑底周围岩体在露天开采时期受到开挖卸荷的 应力扰动， 在局部地段产生应力集中， 并在破体内形 成潜在滑坡体。在此基础上再转入地下开采阶段， 地下矿体开挖对其造成二次扰动， 并随着开挖空间 的推进， 二次扰动效果的动态叠加， 不断地影响并改 变其应力与变形状态。同时， 露天边坡及坑底周围 岩体受扰动后的应力重新分布与变形破坏变化对地 下开采也产生重要影响， 使得2个体系之间的危害相 互诱发， 从而组成一个复合动态变化系统。 露天转地下开采的矿山， 一般可分为露天开采、 地下开采、 露天和地下同时 （或联合） 开采、 露天开采 结束后 （转为） 地下开采4种工程状态。查阅国内外 相关文献， 目前人们对单一露天开采与单一地下开 金属矿山2019年第12期总第522期 16 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ 采已有深刻认识， 而对露天和地下同时 （或联合） 开 采 （矿山实际工程案例较少） ， 特别是露天矿山企业 普遍存在的露天开采结束后 （转为） 地下开采的相关 研究相对较少。“十五” 、“十一五” 、“十二五” 、“十三 五” 期间我国科研工作者在露天转地下开采方面做 了大量的研究工作， 取得了一定研究成果。但由于 露天转地下开采是一项复杂而庞大的系统工程， 矿 山由露天开采转入地下开采会遇到许多采矿安全和 技术问题。同时由于各类矿山地质采矿赋存条件、 采矿工艺、 采矿方法和开采技术差异较大， 加之露天 边坡与地下开采环境的复杂性和不确定性， 目前矿 山由露天开采转入地下开后， 边坡与地下采场围岩 及其上覆岩体的非线性变形机制与动态失稳机理仍 然缺乏统一认识与定量化的分析和表达。 矿山露天转地下开采是边坡与地下开采所组成 的 “露井二元复合采动系统” 应力场、 位移场、 变形破 坏场不断演化的过程， 所有矿山压力现象都是随着 矿体采出、 应力重新分布及岩体的位移运动与变形 破坏所引起。因此研究露天转地下开采后层状高陡 岩质边坡与地下开采耦合作用下岩体的采动演化 （应力场、 位移场、 变形破坏场） 特征， 是揭示露天转 地下开采后边坡与地下开采耦合作用机理的重要关 键基础科学问题。 同时， 矿物开采 （露天或者地下空间开挖） 后， 造 成岩体应力重新分布， 引起周边与上覆岩体的移动 与变形破坏， 并在岩体中形成离层、 弯曲、 垮塌、 片 帮、 采动裂隙。层状高陡岩质边坡及坑底周围岩体 与地下采场围岩及其上覆岩体应力场、 位移场、 变形 破坏场的演化是一贯穿露天转地下开采始终的动态 过程， 岩体位移场、 变形破坏场的演化势必影响到岩 体应力场的形成、 发展、 演化和失稳过程， 而岩体应 力场演化又影响岩体位移场与变形与破坏的演化过 程， 在开采过程中的内在关系仍不清楚， 故有必要开 展露天转地下开采后岩体采动演化的动态效应研 究， 查明应力场、 位移场、 变形破坏场的各主要影响 因素， 从而阐明各因素相互间的支配关系， 进而构建 相应的岩体力学分析模型， 并提出其采动失稳的力 学条件判据， 最终揭示边坡与地下开采耦合作用下 非线性变形机制与动态失稳机理。 此外， 复杂地质赋存条件下缓倾斜含软夹层薄 至中厚矿床露天转地下开采后， 边坡的最终坡高与 坡角等相关因素对地下开采的影响效应也是今后露 天转地下开采领域重点研究的方向。 4结论 进 “十一五” 、“十二五” 、“十三五” 期间以来， 我 国露天金属矿山整体转入深凹露天开采阶段， 绝大 多数露天金属矿山正在或者将要经历露天转地下开 采这一过程， 矿山由露天转地下开采后， 人们所关注 的受到严重扰动的露天边坡与地下采场围岩及其上 覆岩体的变形破坏与力学失稳问题， 是一个影响因 素众多、 物理过程十分复杂的非线性力学问题。笔 者在参阅大量文献的基础上， 分析了国内外金属矿 山露天转地下开采的研究与应用现状， 即国内外露 天转地下开采矿山现状、 露天转地下开采的平稳过 渡与安全管控、 边坡变形破坏特征与失稳机理、 地下 开采对露天边坡的影响效应及作用机制等， 指出了 露天转地下开采后露天边坡对地下开采的影响效应 及作用机制、 露天转地下开采后岩体应力场、 位移 场、 变形破坏场的演化过程及其动态变化特征、 露天 转地下开采后地下采场围岩及上覆岩体变形破坏演 化的形态特征是未来露天转地下开采领域研究的重 点方向。强调了研究露天转地下开采后层状高陡岩 质边坡与地下开采耦合作用下岩体的采动演化 （应 力场、 位移场、 变形破坏场） 特征， 是揭示露天转地下 开采后边坡与地下开采耦合作用机理的重要关键基 础科学问题。当前， 矿山由露天开采转入地下开后， 边坡与地下采场围岩及其上覆岩体的非线性变形机 制与动态失稳机理仍然缺乏统一认识与定量化的分 析和表达。因此， 加强复杂地质赋存条件下露天转 地下开采阶段矿山边坡与地下开采耦合作用下岩体 响应的演化特征及动态效应研究的理论和应用研 究， 对科学地管理与控制地压及维护露天边坡的安 全等具有重要的理论和实际意义。 参 考 文 献 高喜才. 露天矿边坡开挖过程变形破坏特征及稳定性实验研究 ［D］ . 西安 西安科技大学， 2006. Gao Xicai. Experiment Research on Stability and Dynamic Dis- placement Characters due to Slope Excavation in Open-Pit Mine ［D］ . Xian Xian University of Science and Technology， 2006. 匡忠祥， 宋卫东. 地下金属矿山灾害防治技术 ［M］ . 北京 冶金 工业出版社， 2008. Kuang Zhongxiang，Song Weidong. Disaster Prevention and Con- trol Technology for Underground Metal Mines ［M］ . Beijing Metal- lurgical Industry Press， 2008. 宋卫东， 杜建华， 杨幸才， 等. 深凹露天转地下开采高陡边坡变 形与破坏规律 ［J］ . 北京科技大学学报， 2010， 32 （2） 145-151. Song Weidong， Du Jianhua， Yang Xingcai， et al. Deation and failure of a high steep slope due to transation from open pit to underground mining ［J］ . Journal of University of Science and Tech- nology Beijing， 2010， 32 （2） 145-151. 徐长佑 . 露天转地下开采 ［M］ . 武汉 武汉理工大学出版社， 2019年第12期李小双等 金属矿山露天转地下开采的关键问题研究进展 17 ChaoXing ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ ［23］ ［24］ ［25］ 1989. Xu Changyou. Open Pit to Underground Mining Technology［M］ . Wuhan Wuhan University of Technology Press， 1989. 王运敏 . 露