大冶铁矿深凹露天转地下开采的几个安全问题研究.pdf

分类号 U D C 密级 烈￡薹利} 手羔夫哮 硕士学位论文 大冶铁矿深凹露天转地下开采的几个安全问题研究 S t u d y o ns o m es a f e t yp r o b l e m so ft h eD a y eI r o nd e e p o p e n - p i t - m i n et r a n s f e r r i n gt Ou n d e r g r o u n dm i n i n g 章启忠 指导教师姓名马建军教授 蔡路军讲师 申请学位级别 论文定稿日期 学位授予单位 学位授予F _ | 期 武汉科技火学理学院 答辩委员会主席 评阅人 梅智学教授级高T 梅智学教授级高T l r 义成教授 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 我国许多深凹露天矿在开采一段时间以后，往往转入地下开采。地采工程与露天坑 有的直接贯通，由此带来一系列的安全问题。大冶铁矿的东露天采区就是这种情况。 本文在了解大冶铁矿东露天矿区地下工程布局与开采现状的基础上，对露天转地下 开采出现的安全问题进行了讨论。并着重对其中三个矿山急待解决的问题 1 高边坡 下采矿，地下巷道的稳定性问题； 2 紧邻露天边坡采矿，边坡的稳定和监测问题； 3 地采工程与露天坑贯通，地表水汇集井下的排水安全问题，进行了较为详细的研究，提 出了符合现场实际的安全解决方案，对矿山安全生产起到了一定保障作用。同时，为同 类矿山的同类问题处理提供了良好的借鉴和参考，具有一定的推广应用价值。 本文在研究地下巷道的稳定时指出巷道围岩处在较高的剪切应力状态下，巷道的破 坏形式主要为片帮和顶板垮冒，并对大冶铁矿露天转地下开采首采地段进行位移监测， 查明- - 2 4 m 水平存在4 处安全隐患，提出治理方案，确保了巷道安全；在研究露天边坡 稳定性时，对大冶铁矿东露天转地下开采的- - 3 6 m 和- - 4 8 m 水平生产爆破所产生的地震 波进行测试，得出在一般回采爆破条件下，井下爆破地震波对露天高边坡影响较小，不 会导致边坡失稳，为矿山的安全生产了后顾解除之忧最后，本文对露天转地下开采的 排水安全进行了研究，得出水的运动规律，提出了相应的安全治理方案，减小了暴雨对 大冶铁矿露天转地下开采的灾害性影响。 关键词地下开采；巷道稳定；边坡稳定爆破震动；排水安全 第1 I 页武汉科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T A l o n gw i t l lo u rc o u n t r yt h ee n do fo p e np i tm i n i n g ．m o r ea n dm o r ew i l lt u r nt om i n e u n d e r g r o u n dm i n i n g ，s e c u r i t yp r o b l e m sa r em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n , t h e r e f o r e ，T h ep r o b l e m s w h i c ho p e nt ot h eu n d e r g r o u n dm i n i n gs a f e t ym u s tb ei nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h ．T h eD a y e i r o nm i n eb e l o n g st ot h i s ． T h i sa r t i c l e ，u n d e r s t a n d i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa b o u tt h eD a y ei r o nm i n e ，d i s c u s s e st h e s e c u r i t yi s s u e st om i n i n ga r e ao nt h eb a s i so fo p e nt ou n d e r g r o u n dm i n i n ga n dt h e no nt h e t h r e em a i ni s s u e sw h i c ht h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dr o a d w a y , o p e ns l o p es t a b i l i t ya n d d r a i n a g ef o ram o r ed e t a i l e dr e s e a r c h , p r o v i d e st h es c t a a ls e c u r i t yp r o g r a ma lt h e 剐7 , e 1 1 ea n d r e s o l v e st h ep r a c t i c a lp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h em i n ew i t l ls i m i l a rr e f e r e n c es i g n i f i c a n c et o ac e r t a i ne x t e n tt op r o m o t es i g n i f i c a n c e ． T h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dr o a d w a yi ss t u d i e dw h i c hi st h eh i g h e rs h e a rs t r e s ss t a t e ． T h er o a d w a yi st h em a i nf o r mo f t h ed e s t r u c t i o na n dt a b l e t st oh e l pr u nt h er o o f c o l l a p s e ，a n d o p e nD a y ei r o nm i n em i n i n gt ou n d e r g r o u n dm i n i n g s i t ef o rt h ef i r s tD i s p l a c e m e n t M o n i t o r i n g ，i d e n t i f y i n g2 4m l e v e lo fe x i s t e n c ef o u rp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s ，p r o p o s e g o v e r n a n c ep r o g r a mt oe n s u r et h es a f e t yo f r o a d w a yi n t h eo p e ns l o p es t a b i l i t ys t u d y , t h eE a s t D a y ei r o nm i n eu n d e r g r o u n dm i n i n go p e nt ot h e - 3 6m a n d - 4 8ml e v e lp r o d u c t i o nB l a s t i n g t h es e i s m i cw a v e sg e n e r a t e db yt h et e s t i n g ，b l a s t i n gs e i s m i cw a v er e a c h e df o ro p e nh i g hs l o p e l e s sa f f e c t e d ，w i l ln o tl e a dt os l o p ei n s t a b i l i t ya n dc a m eb l a s t i n gs e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o n l a w ；F i n a l l y , t h i sa r t i c l eo no p e nw a t e rt ou n d e r g r o u n dm i n i n gs a f e t yt h es t u d y , t h ef l o wo f w a t e rd r a w n , a n dm a d ec o r r e s p o n d i n gs e c u r i t yg o v e r n a n c ep r o g r a m st oa v o i dat h u n d e r s t o r m D a y eI r o no p e nt ot h eu n d e r g r o u n dm i n i n gd i s a s t e ri m p a c t ． K e y w o r d s u n d e r g r o u n dm i n i n g ；r o a d w a ys a f e t y ；s t a b i l i t yo f s l o p e ；v i b r a t i o no f b l a s t i n g ； d r a i n a g es a f e t y 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 ．1 工程背景 第一章绪论 大冶铁矿隶属于武汉钢铁集团矿业有限责任公司，位于湖北省黄石市铁山区，西距 武汉市9 0 k i n ，东距黄石市区2 5 k i n ，东南距大冶市1 5 k i n ，交通十分便利，地理位置及 交通示意图如图1 ．1 所示。 图1 ．1 大冶铁矿地理位置及交通示意图 大冶铁矿地形北高南低，西高东低，四面环山。北面为铁山侵入体白雉山山脉。最 高峰为四峰山，海拔4 8 7 m ，高山南坡平均海拔2 2 0 m 。矿区南部为风化残丘，海拔约 l O O m 。矿区位于高山与残丘之间是一片东西向狭长地带，海拔4 0 ～6 0 m 。 大冶东露天已经形成的深凹露天坑东西长约2 4 0 0 m ，南北宽约1 0 0 0 m 。狮子山矿段 露天坑底标高为．4 8m ，现已回填到O m 形成转载场；尖山矿段从3 0 号勘探线起往东， 坑底梯次下降到．1 6 8 m 尖山矿段露天坑底。露天坑北帮标高一般1 7 0 ～2 7 0 m ，南帮8 6 ～ 2 0 0 m 。露天边坡角一般3 8 ～4 3 0 ，局部到5 3 0 ，边坡高度2 3 0 ～4 3 0 m ，如图1 ．2 所示。 按照设计，错动角为上下盘6 0 0 ，东西两端6 5 。。开采至．1 6 8 m 时，地表错动面积约 0 ．4 5 k m 2 【1 。2 I 。 大冶铁矿在大地构造位置上处于淮阳山字型前弧西侧与新华夏构体系第二隆起的 次级构造即鄂城一大磨山隆起带的复合部位，属接触交代型铁矿床。构造线呈北西西向 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 展布，构成本区区域构造格架的基础。自北向南发育有鄂成背斜、碧石渡向斜、铁山背 斜、长乐山向斜、保安背斜、大冶向斜、殷祖背斜等[ 3 1 。 图1 ．2 大冶铁矿东露天深凹露天坑鸟瞰图 大冶铁矿自西而东有铁门坎、龙洞、尖林山、象鼻山、狮子山、尖山六大矿体，本 次研究对象为狮子山、尖山．1 6 8 m 标高以上露天采场境界外的矿体。 狮子山矿体分布2 6 ～3 0 线之间，矿体主要赋存于中细粒含石英闪长岩、黑云母透 辉石闪长岩与大冶群第四、第五段大理岩接触带上，受接触带产状及褶皱、断裂复合构 造控制，呈N W W 向分布，走向长4 3 0 m 。矿体形态、产状变化大，主要呈透镜状、楔 状。 尖山矿体位于矿区东段，分布于3 0 ～3 9 线间，呈N W 向分布，走向长9 2 0 m ，矿体 形态以似层状、小透镜状、囊状、不规则状为主，产状变化较大。 矿体北侧围岩主要为中细粒含石英闪长岩、矽卡岩、黑云母透辉石闪长岩、钾 钠 化闪长岩及闪长玢岩等。 矿体南侧围岩主要为大冶群灰岩，近接触带部分由于强烈的渗滤交代作用，大理岩 变质为透辉石矽卡岩或金云母透辉石矽卡岩。 矿体常被与矿体产状近于平行展布的闪长玢岩岩脉所穿插，还有闪长岩、矽卡岩和 大理岩的包体。开采范围内矿体总夹石率 含夹层 为1 4 ．8 2 ％。 磁铁矿矿石的金属矿物主要为磁铁矿，其次为赤铁矿、黄铁矿、黄铜矿、少量磁黄 铁矿斑铜矿等。脉石矿物以方解石、白云石、透辉石、金云母为主。磁铁矿呈细一粗粒 自形至半自形晶结构，黄铁矿、黄铜矿一般呈星点状或细脉状，偶而呈团块状分布于磁 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 铁矿中。矿石构造主要为致密块状构造，次为条带状、浸染状、角砾状、多孔状构造 混合矿石主要由假象赤铁矿、菱铁矿、磁铁矿组成，次要矿物为黄铁矿、黄铜矿， 少量斑铜矿、褐铁矿、白铁矿、胶黄铁矿。脉石矿物主要有方解石、白云石、绿泥石、 金云母、绿帘石、透辉石、石榴石、长石、石英等。矿石结构以交代粒状及残余骸晶结 构为主，构造以花斑状、条纹状为主，其次为角砾状、脉状等。 主要矿岩物理机械性质见表1 ．1 。 表1 ．1 矿岩物理机械性质表 岩石 项目矿石 大理岩闪长岩矽卡岩 体重 岫3 3 ．9 72 ．7 5 松散系数 1 ．6 01 ．7 0 湿度 ％ 1 ．4 70 ．5 ～1 J D 0 自然安息角 。 3 0 ～4 13 0 ～柏 f 系数 1 2 ～1 46 ～8l O ～1 47 ～1 2 矿区属副热带大陆性季风气候，历年极端最高气温达4 0 ．3 ℃，最低气温为．1 1 ℃。历 年平均降雨量为1 4 0 2 ．1 m m ，最大降雨量为2 2 1 2 ．8 m m ，每年3 ～8 月份为雨季，雨季降 雨量占全年降雨量的2 ／3 。历年日最大降雨量为2 4 9 ．5 m m 。 大气降水是地下水的主要补给水源，随着矿山的不断向深部开采及井下排水系统的 形成，改变了地下水的迳流排泄条件，形成了露天采场南北帮地下水向排水巷道汇集的 降落漏斗。随着长期排水影响地下水位已降至．1 3 2 m 以下。 矿坑充水主要是来自降雨迳流沿开采错动区的裂隙及深凹露天坑底的渗入，该矿区 水文地质条件属简单一中等复杂类型。 本地下开采工程采用中竖井双罐笼兼主副提升的开拓方式，双面马头门、环形井底 车场，确定．1 2 0 m 与．1 8 0 m 阶段平巷在狮子山主矿体矿段采用下盘沿脉环形布置；．1 8 0 m 阶段的尖山南北帮则采用沿脉尽头式布置。 环形阶段平巷中的装矿平巷辅设双轨，另一侧的阶段运输平巷布置于下阶段开采错 动范围外大于1 0 m 的大理岩中。矿区开拓采用中竖井双罐笼兼主副提升，主要提升矿石、 人员、材料和设备，中竖井也是主要排水井和进风井。 阶段标高为．6 0 、．．1 2 0 和．1 8 0 l n ，其中．6 0 m 阶段主要用于回风，．1 2 0 和一1 8 0 m 阶段 为生产阶段。阶段高度6 0 m 。 露天边坡如图1 ．3 所示，目前．2 4 m 水平挂帮矿开采完毕，证开采．3 6 m 水平挂帮矿， ．4 8 m 和一6 0 m 水平的采准工程基本完毕。不同时期地表塌陷情况见图1 ．4 ～图1 ．6 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 ．3 高陡露天边坡图1 ．4 地表塌陷照片1 图1 ．5 地表塌陷照片2 1 ．2 问题的提出及研究意义 图1 ．6 地表塌陷照片3 大冶铁矿东露天转地下开采有的直接在露天坑边或在坑底进行，由此产生许多安全 问题，目前急需解决的主要有以下几点 1 在东采车间进行露天开采期间，开挖对岩体进行了大规模的扰动，形成了开 挖次生应力场，使地采巷道稳定受到影响。露天转地下开采，对地下岩体形成新的扰动， 巷道中的地压发生变化，采准切割巷道易遭破坏，尤其是在露天坑底附近的地下巷道， 更容易发生局部冒落。因此，如何在转地下开采过程中确保地下巷道的安全是急待解决 的问题，尤其是地下首采地段的稳定性问题。 2 大冶铁矿露天坑规模大，范围广，边坡既高且陡，岩体内大的构造和断层较 发育，整体稳定性一般，在露天坑边或坑底的开采必然削弱或破坏露天边坡的稳定，使 边坡稳定成为问题。在露天转地下开采中，边坡岩体的变形既受露天开采的影响，又受 地下开采的影响。由于从采动的时间上看，两者不同步，甚至间隔较长时间。边坡岩体 先后受到两次采动影响，且第二次采动除了改变其应力分布外，容易诱发上部边坡体的 滑移。边坡的稳定程度，直接影响井下作业人员与设备的安全及资源回收。因此，在露 天转地下开采过程中，须确保露天边坡的稳定。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 3 大冶铁矿深凹露天转入地下开采，所用采矿方法为崩落采矿法，必然使露天 坑与地下采场贯通，露天坑所汇集的大气降水会直接侵入地下生产系统，而危害井下的 安全生产。由于露天坑汇集暴雨水量大，历时短且洪峰量大，会对地下安全生产造成严 重的影响。因此，在确定深凹露天转地下开采的防排水措施时，不仅要考虑井下正常基 岩裂隙涌水的防治，更为重要的是要考虑暴雨期雨水的径流汇集和渗入的防洪。历时短、 强度大、速度高的暴雨常常是地下工程事故发生的外在主要控制因素。防洪排水成为露 天转地下开采矿山安全生产的一个重大课题。 我国许多深凹露天矿在开采一段时间以后，往往转入地下开采。地采工程与露天坑 有的直接贯通，由此带来一系列的安全问题越来越引起人们的关注。本文针对大冶铁矿 实际，对露天转地下开采过程中三个急待解决的问题 1 高边坡下采矿，地下巷道的 稳定性问题； 2 紧邻露天边坡采矿，边坡的稳定和监测问题； 3 地采工程与露天坑 贯通，地表水汇集井下的排水安全问题，进行了分析研究，提出符合现场实际的安全解 决方案，对矿山安全生产起到一定保障作用。同时，为同类矿山的同类问题处理提供了 良好的借鉴和参考，具有一定的推广应用价值。 1 ．3 国内外文献综述 1 ．3 ．1 露天转地下开采 露天转地下开采的矿山通常是矿体延伸较深、覆盖层不厚、多为中厚或厚大的急倾 斜矿床。由于这类矿床初期采用露天开采，具有投产快、初期建设投资少、矿石贫化与 损失指标优良等优点。但随着露天开采的不断延深，矿山的生产剥采比不断增加，矿石 生产成本上升，这些矿山逐步由露天开采向地下开采过渡，最终全面转入地下开采。因 此，要求露天转地下开采的矿山，在进行露天转地下开采的设计时，对前 露天 后 地 下 期开采应统一全面规划，露天开采后期的开拓系统既要考虑地下开采的利用，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有利因 素，使露天开采平稳地过渡到地下开采，使矿山产量和经济效益保持稳定1 4 _ ”。 露天转地下开采有以下几个特点1 s - 1 4 1 1 过渡期长，补勘、规划和技术要求高 一般露天转地下开采的矿山采取不停产过渡，露天产量逐渐减少，地下产量逐渐增 加，直至露天矿结束，地下矿达到设计产量。这段交替时间称为露天转地下开采的过渡 期。在过渡时期内，露天与地下开采是同时进行的。国内外一些露天转地下开采的实际 过渡期，一般为5 ～1 0 年，甚至更长一些。国内外许多矿山由于及时地进行转地下开采 地工作，保证有效地过渡，做到矿山不停产，它们缩短过渡期的主要经验是①地质勘 探工作先行地质勘探在露采结束1 0 ～1 5 年之前进行。②总体规划工作先行露采年 限短 1 0 ～1 5 年 的中小型矿山露采、地采设计应同时进行露采年限长 2 0 ～3 0 年 的大型矿山，露采设计时应研究如何过渡、何时过渡，并应在露采结束8 ～1 0 年之前丌 第6 页武汉科技大学硕士学位论文‘ 展转地下开采设计。⑨转地下开采技术难题先行地下开采与边坡滑落之间的相互关系、 过渡期的采矿方法、挂帮矿的开采、防洪排水等问题应在转地采建设前寻求对策。 2 地压复杂 露天转地下开采特点之二是地压复杂化。在露天转地下开采的条件下，形成了一个 露天开采、境界矿柱和挂帮矿开采、主矿体地下开采形成的多个采空区，而且其形状十 分复杂。采空区地质力学过程的特点是，同一岩体区段上受到数个应力场的作用，使应 力与变形状态很不均匀，给转地下开采带来了一系列地压问题。主要通过有限元等力学 方法探索应力变化规律、岩体变形与破坏的模式、采动对边坡稳定的影响等。有条件还 可以研究露天坑底回填岩石附加压载对边坡及坑底应力分布产生有利的影响，地下开采 顺序优化等的计算研究工作。 3 露采工程与地采工程结合紧密 凡是露天转地下开采的矿山，在进行露采和地采设计时，应相互利用露天和地下开 采各自的特点，使露采工程和地采工程有机地结合，相互利用，这是露天转地下开采的 又一特点。应考虑结合的主要工程有①开拓工程利用露天转地下开拓运输工程分流 露采矿石，可以大大减少运距；井筒位置选择要考虑露采和地采施工时是否干扰，应使 露采产生的应力释放、松动带使地表位移和地下采动所引起的地表塌陷变缓等。②排水 工程对于多雨地区的深凹露天矿，采用地下井巷排水方式优于采场内移动泵站的排水 方式。③工业场地和废石场废石场选择时因露采废石量大应以露采为主，但应兼顾地 采的需要；可利用地表岩移陷落区作为露采排土场，应控制好下沉速度。 4 涌水量大，防洪排水要求高 露天转地下开采的上部为一残存的露天深凹贫地，汇水面积达数十万平方米，露天 降雨径流直接影响地下排水，给地下生产造成危害。国内几个露天转地下开采矿山的日 最大涌水量达5 ～1 6 万立方米。为了使雨季径流之洪水不至于全部泄入露天采场盆地， 减少对井下生产的威胁，转地下开采设计时，应反复踏勘现场，研究采场外围地形地貌、 采场开采现状、露天开采境界，合理地圈定汇水面积，采取一切可能采取的防洪排水措 施。 国内露天转地下开采的矿山有江苏的凤凰山铁矿和冶山铁矿、安徽的铜官山铜矿、 湖北的红安萤石矿、甘肃的白银折腰山铜矿、江西的良山铁矿、浙江的漓渚铁矿和山东 的金岭铁矿等。近三十年来，国内露天转地下开采的矿山虽然不多，但是通过试验和研 究也积累了很多宝贵的经验，为我们进一步研究适合我国露天转地下开采的方法和手段 创造了条件。针对国内露天转地下开采的技术要求及今后的发展趋势，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露天与地下联合开采的关键技 术，为国内露天转地下开采的矿山提供了理论准备。 江苏凤凰山铁矿是我国露天转地下开采最早的矿山，该矿1 9 6 0 年开始进行地下开 采工程的建设，1 9 7 3 ～1 9 7 6 年由露天向地下开采过渡，由于采用的方法得当，达到了过 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 渡期稳产3 0 万吨／年产量的要求。该矿在过渡期开采的特点是露天与地下同时建设， 先采露天部分，待转入地下开采时，使露天有足够的时间回采残柱，地下有充分的时间 进行试采，这样既保证了露天残柱回采，也给过渡期的持续稳产创造了条件；因地制宜 地选择地下第一中段的采矿方法，是露天转地下开采在过渡期稳产的重要环节。 浙江漓渚铁矿矿体走向长3 0 0 m ，倾角5 5 。～7 5 。，矿体埋深3 3 5 m ，矿体平均厚 度6 0 m ，该矿在 8 0 m 以上采用露天开采，露天开采结束后，沿矿体走向留下了三个露 天坑和顶底板三角矿带。转入地下开采后，先采用无底柱分段崩落法回采顶底盘残矿， 然后采用大爆破的方式一次性将顶底板围岩崩落形成厚度2 0 m 以上的废石覆盖层，作为 地下开采时的上覆岩层，以确保地下采矿的安全。 铜陵有色金属 集团 公司下属铜山铜矿的铜山露天矿、前山露天矿和风凰山铜矿 的金牛露天矿，均为由地下转露天开采的矿山实例。以铜山露天矿为例，该矿利用原一4 0 m 阶段作为露天矿的主运输巷道，其开采技术特征是露天爆破作业对地下作业面的破 坏作用完全可以人为地控制，该矿采用多排孔微差爆破技术，每段药量控制在5 0 0 K g 以 内，地下巷道一般不会发生冒顶和严重开裂现象，可以保证其稳定性；同时把在计算地 震波影响范围内的地下工作人员撤离到安全地点和及时清顶检查，可以保证人员的安 全。此外，凤凰山铜矿与马鞍山矿山研究院合作，就该矿金牛露天采场开采技术安全问 题进行了全面系统的研究，采用露天矿临界边坡控制爆破技术、地下空区层位及形态的 探测技术、合理规划露天开采顺序和边坡稳定性监控等研究方法和手段，实现了露天矿 的安全生产，同时确保了下部地下开采的正常进行。 此外，马鞍山矿山研究院在露天矿不扩界开采境外矿方面做了大量的研究工作，先 后对河南的银洞坡金矿、新疆的雅满苏铁矿、马钢的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。 国外露天转地下开采的矿山较多，涉及的矿山有金属矿山、非金属矿山和煤矿等， 如瑞典的基鲁纳瓦拉矿、南非的科菲丰坦金刚石矿、加拿大的基德格里克铜矿、芬兰的 皮哈萨尔米铁矿、前苏联的阿巴岗斯基铁矿、澳大利亚的蒙特莱尔铜矿等，上述矿山根 据地质、资源、生产、环境和经济等因素的不同，就合理确定露天开采的极限深度、露 天开采向地下开采过渡时期的产量衔接、露天坑底盆的顶柱与缓冲层、露天开采的开拓 系统与地下开采的开拓系统衔接、露天开采的边坡管理与残柱回采、坑内通风与防排水 系统等主要问题进行了研究，取得了较好的效果。 瑞典基鲁纳瓦拉矿的矿床由三个透镜状矿体组成，长7 0 0 0 m ，倾角5 5 。～6 5 。， 其中基鲁纳瓦拉矿走向长3 0 0 0 m ，平均厚度9 0 m ，该矿从1 9 5 2 年开始由露天向地下开 采过渡，1 9 6 2 年全部转入地下开采，矿山生产能力为2 3 0 0 ～2 5 0 0 万吨／年，矿山丌采 的特点是深部露天的矿石用溜井通过坑内巷道运出，减少了露天剥离量和缩短了运输 距离；地下用竖井斜坡道开拓，使凿岩、装运等无轨设备可直接进出坑内采矿工作面； 井下运输提升全部实现自动化，使地下丌采的机械化提高到一个新的水平。 芬兰皮哈萨尔米矿为黄铁矿床，矿体埋深5 0 0 m ，走向长6 5 0 m ，中部宽7 5 m ，两 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 端变窄，矿体倾角北部5 0 。～7 0 。，其余部位垂直，该矿开采的特点是采用露天与地 下同时开拓建设，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成本；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E l s - 2 1 】。 1 ．3 ．2 露天转地下安全问题 1 ．3 ．2 ．1 巷道稳定 露天转地下开采采用无底柱分段崩落法，无底柱采场不仅矿岩条件复杂，而且长期 处于多变的采动应力的环境中，围岩的变形与破坏具有明显的动态特征，也与采动应力 的分布规律有着直接的关系。 1 围岩受力状态 巷道围岩的受力状态是随回采过程而变动的，不同的采矿阶段其受力状态有所不 同。采准阶段，巷道围岩除受垂直应力作用外，同时还要受水平应力作用，此时巷道围 岩处于双向与三向受力状态。当完成切割槽开始回采后，切割槽法向的水平应力被解除， 围岩变为双向与单向应力状态。而且随着退采，进路间矿柱的支承面积变小，围岩应力 集中越来越严重。 无底柱采场中的采动应力大小和主应力作用方向的频繁变化，不仅会产生偏斜载 荷，使巷道发生不对称破坏，也会引起了载荷性质的变化，如压应力变为剪切应力或拉 应力。载荷种类的变化可能导致大量应变能的释放。当矿柱上的荷载由单轴压应力变为 侧向剪应力时，巷道拱肩处会出现剪切裂缝，加速巷道片帮与垮塌。载荷性质的变化使 围岩的受力状态更加复杂，巷道的破坏形式呈现多种多样。 2 围岩应力分布与变形特征阎 围岩应力分布取决于巷道所处的应力环境、断面形状与大小，并随围岩强度的变化 而变化。根据围岩变形状态，可将巷道周围的岩体从巷道周边开始逐渐向深部分为四个 区域即破裂区、松动区、塑性压缩区和弹性压缩区。 ①破裂区 破裂区位于巷道周边，是在开挖爆破动压力、集中应力、卸荷应力等多重作 用下形成的，是应力降低区。在破裂区内，破碎岩石完全失去强度，成为抗剪强度几乎 为零的松散介质。如不及时支护，破裂区内岩石将在自重作用下发生片帮与冒落。同时， 破裂区内松散岩石与空气接触的表面积增大，吸收空气中水分子将活化膨胀矿物，产生 膨胀地压。如支护强度不够，破裂区范围将逐渐扩展，导致围岩发生大范围垮落。破裂 区的大小和范围决定巷道掘进后能否保持稳定，是选择巷道l 临时支护时机的重要依据。 ②松动区 松动区介于破裂区与塑性区之问，特点是应力低于巷道处围岩的原始应力。岩体在 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 应力作用下使节理发生破坏，形成翼状破裂面，致使岩体产生离层、沿破裂面剪胀滑动 以及膨胀矿物吸水产生膨胀作用。 松动区具有两个特点a ．岩体尽管发生碎裂，但仍能够紧密接触，存在一定程度的 强度，主要是由于破碎岩石之问的摩擦产生，可以近似用岩体的残余强度估值。b ．松动 区承担的应力从外向内逐步提高，最大值不超过岩体强度。松动区岩体具有很大的可变 性，极易向破裂区或塑性区转化；通过适当的支护，能够提高松动区岩体强度及其承载 能力，转变为塑性区；如果不及时支护或支护不当，松动岩体的残余强度丧失。松动区 岩体承载能力的利用程度决定了承压区软破岩巷道支护的优劣。 松动区岩体是介于不连续体与粘弹塑性体之间的介质，其变形特征主要为高应力下 破碎岩的碎胀，粘土矿物的活化膨胀。因此，可以近似地将松动区岩体视为宏观上的连 续介质，基于弹塑性理论，称之为塑性区，可借助于大变形介质理论对其变形量进行预 测，但变形量远远大于粘弹塑性变形量。 ③塑性压缩区 塑性压缩区的岩体具有较高的承载能力，承担着由于巷道开挖、围岩破裂、松弛而 导致的承载力降低转移过来的荷载。塑性区岩体具有两个重要特征a ．塑性区岩体不仅 具有弹塑性变形，还存在应变扩容；b ．塑性区岩体对荷载变化较为敏感，具有明显的时 间效应。塑性区围岩的应力、变形以及位移是连续的。但实际上，岩体中布满各种原始 不连续面，将岩体分割成各种岩块。岩体的所谓塑性变形，主要是岩块运动、节理裂隙 扩张以及新的断裂面的产生，随着塑性变形的自由发展，围岩应力逐渐降低，塑性压缩 区就会转变为松动区。 ④弹性压缩区 弹性压缩区内岩体在集中应力作用下仍处于弹性变形状态，具有较高的承载能力。 但在高应力软破岩无底柱分段崩落法采场内，巷道围岩的松动区和塑性区较大，巷道问 矿柱尺寸较小，两条巷道的围岩塑性区已基本相接，故大部分巷道不存在弹性压缩区， 仅出现在矿岩硬脆且完整的巷道中。 3 围岩应力分布与破坏机理【2 3 】 ①围岩应力分布特征 处于采动应力场中的采场巷道，其围岩应力分布不但复杂，而且多变，致使不同类 型巷道、不同区段巷道相互间存在差异。尽管如此，巷道围岩应力分布仍具有一定的规 律性，如表1 ．2 所示，其主要特征是8 ．采准期间，巷道围岩应力分布仍受水平应力和 垂直应力的支配，沿走向布置的巷道顶板受切向和轴向二向压缩应力，两帮受切向拉伸 应力，如图1 ．7 a 所示。垂直走向巷道顶板和两帮受压缩应力。b ．回采期问，由于受到 切割回采活动的影响，水平应力被解除，沿走向布置的巷道项板由两向压缩应力转变为 两向拉伸应力，两帮从切向拉伸转变为切向压缩，如图1 ．8 b 所示。而垂直走向御置的 巷道，顶板由压缩应力转变为一拉一压状态。C ．回采期问，位于不同压力区的沿脉通道， 围岩应力具有相同性质，但应力值有很大差别，支承压力区巷道两帮的』压缩应力比卸压 第l O 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 ．2 无底柱采场巷道围岩应力特征表 支承压力带 卸压带 时期部位应力性质 沿脉巷道穿脉巷道沿脉巷道穿脉巷道 切向 压 压 压} 拉桕I 顶板 采准期轴向 压压压压 两帮切向 压}压}拉扣I压 切向拉料压拉} }拉} } 项板 回采期 轴向 拉料拉} }拉} 拉 { 两帮切向压}压}压压 注表中} 表示达到破坏强度的压缩应力，料表示达到导致破坏的拉应力。 a采准期b-一回采期 图1 ．7 采场巷道围岩应力分布图 图中 表示压应力，一表示拉应力 压力区中的垂直走向巷道，围岩应力性质却有较大变化，在支承压力区，顶板为轴向拉 伸与切向压缩，呈现一拉一压状态。在卸压区，则为切向和轴向双向拉伸。d ．无底柱采 场巷道，顶板和两帮的围岩应力，均以巷道交叉口处最高。 ②无底柱分段崩落法采场巷道的破坏特征 通过以上围岩应力分布规律可以看出，回采期，承压带和卸压带巷道的顶板与两帮 普遍受拉伸应力的作用，而围岩多为节理裂隙极度发育的破裂岩体，不能承受拉伸应力， 故回采期间的巷道破坏较其它时期严重。 围岩的应力性质决定巷道破坏的力学机制，无底柱分段崩落法采场巷道的破坏特征 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 为a ．顶板坍塌冒落一般有两种形式的顶板垮冒，一种是由于顶板岩体受到拉伸，导 致岩体节理扩张，块体间失去摩擦约束，拱梁效应逐渐消失，从而引起项板垮冒破坏。 另一种是由于剪切作用引起巷道拱顶板沿巷道两侧剪切滑移线下移，形成大的砌形滑塌 体而垮塌冒落。当巷道两帮岩体较完整稳定或支护较强、垂直压力又较大时，容易发生。 b ．两帮压剪破坏两帮压缩应力超过岩体强度极限时，常表现为剪切破坏形式。巷道两 帮围岩受压剪产生碎胀变形而片帮，或沿剪切体逐渐向内推移，如图1 ．8 所示。在高应 力区的支护巷道中较为普遍。d ．顶沉底臌由于受到膨胀地压和高应力作用，巷道底板 隆起，顶板也伴随下沉，使整个巷道面逐渐变形缩小。主要发生在高应力软弱岩体巷道 中。 ⋯⋯I 垂直应力 ⋯二E 7 形了≮葛_ 、v 一移线 ∥} 耸＼a N I ，，／R ／／斗＼＼＼ j 飞二移寸一矿琴，7 ⋯一‘∑支≮芝3 ；多1 7 二 图2 ．3 巷道帮壁剪切破坏示意图 1 ．3 ．2 ．2 边坡稳定 通过矿区地质情况的分析与原露天开采活动曾对边坡产生的影响可知露天坑两帮 边坡的地质结构已发生很大的变化，应力变形已不断发生了重复的调整，弱面裂隙得到 进一步的发育和扩张，甚至发生不明显局部破坏。这些情况势必对现今正在进行的地下 开采活动造成严重的干扰。故有必要分析地下开采作业活动对边坡的稳定性影响。 露天转地下开采的影响因素很复杂因其采动的时间与空间对应的关系不同步，甚 至问隔较长时问，且露天边坡体位于地下采动影响域内，边坡岩体先后受到两次采动严 重影响，且第二次采动极大地影响改变其应力分布，并诱发上部边坡体产生滑移而失稳， 边坡岩体受到的这种综合叠加作用，有人称其为复合丌采效应。其变形机制有别于单一 丌挖且变形规律更加复杂，应该综合全面地考虑各个影响因素之间的作用关系和作用特 点，采取综合治理措施，／j ‘能有效地控制变形的发展，确保矿山及其周边区域的安全1 2 4 - 2 5 1 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 目前尚未对露天开采和地下开采两者之间的相互作用特点与规律性形成统一认识， 而地下开采的不大断延深使得采深和坡角不断增大，边坡岩体变形量值及变形范围已远 超过了原有的单一采动理论认识。 地下开采对边坡岩体将产生三方面的作用其一，经露天开采作用，地下采动影响 域内的边坡岩体整体强度已降低；其二，根据原露天开采活动对边坡的影响可知由于上 覆边帮移动与变形结果，使原有岩体与弱面分布等地质情况恶化，岩层分布受露天开采 岩屑与表土的渗透影响；其三，改变了地下采动影响域内边坡岩体的应力分布状态。这 三种作用表明边坡体稳定性已产生了较大的影响地下采区矿岩接触带北帮在断层F