黄麦岭磷矿露天转地下开采安全平稳接替技术研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十轫大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E I t S I T Y 硕士学位论文 论文题目 学科、专业 研究生姓名 ⋯⋯黄．麦睑磷砬鎏杰转地工开．鑫。 ⋯⋯⋯去全稳撬盏蕊本研究⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯．恭兢王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯．谢。盛。盍⋯⋯⋯⋯⋯． 导师姓名及 毒盖技术职务⋯⋯⋯⋯。王魏艮。鍪撬．博导⋯⋯⋯⋯ 中南大学 2 0 11 年0 5 月 分类号 U DC 密级． 编号 硕士学位论文 I U l llI l l ll itI I [ II IU I Y 1915 0 5 6 黄麦岭磷矿露天转地下开采安全平稳接替 技术研究 R e s e a r c ho ft h eH u a n g m a i l i n gP h o s p h a t e s a f ea n ds m o o t h t r a n s f e rt e c h n o l o g yf r o mo p e n - - p i t t ou n d e r g r o u n dm i n i n g 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 谢盛青 采矿工程 资源与安全工程学院 王新民教授博导 论文答辩日期2 Q 生且Z 旦 答辩委员会主 中南大学 二0 一一年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已经在论文中作了明确的说 明。 作者签名 嗍龇年互月手日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 臌溯期赳钲眵日 摘要 随着浅部资源的逐渐耗竭，许多露天矿山正在或即将转入地下开 采。露天转地下开采的矿山，面临许多重大技术问题需要解决，以实 现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。本文针对黄麦岭磷化工集团公司开采技术条件，通过现场调研、 室内试验、理论分析、数值模拟、方案设计等综合手段，对矿山露天 转地下的一些关键技术问题进行了深入分析、研究，取得了如下研究 成果 1 通过对露天转地下岩石力学参数进行试验并进行工程折减， 得出了满足数值模拟计算需要的工程岩体力学参数，为安全隔离层厚 度的确定、采场结构参数的优化提供了基础资料。 2 利用综合公式法及数值分析法，确定露天坑坑底标高 5 m 以上矿体留设为永久隔离层。 3 通过多方案比较，确定地下采用王家山竖井开拓系统方案， 并对矿井防排水、通风等影响露天转地下顺利进行的主要系统进行了 设计，估算出整个开拓系统投资为3 7 7 5 8 ．9 4 万元。 4 基于模糊数学原理，确定地下开采选用上向水平分层充填 法。该方法具有机械化水平高、生产能力大、矿石损失、贫化率低等 优点，且能较好的保护露天坑、地表主要构筑物，如选厂、公路、废 石场等，能够较好的保证露天转地下开采安全平稳接替。 通过对露天转地下开采安全平稳接替关键技术的研究与开发，解 决露天与地下联合开采带来的特殊技术问题。研究成果不仅为依托矿 山稳产过渡，实现可持续发展通过了重要保障，而且可为类似矿山提 供有益的借鉴。 关键词露天转地下，隔离层矿柱，开拓系统，采矿方法 A B S T R A C T A ss h a l l o wr e s o u r c e sd e p l e t e d ，m a n yo p e n - p i tm i n ea r eo rw i l lb e u n d e r g r o u n dm i n i n g ，w h i c hf a c e sm a n yi m p o r t a n tt e c h n i c a lp r o b l e m st h a t n e e dt ob es o l v e du r g e n t l y ．I tw i l lb ei m p o r t a n tt os m o o t ht r a n s i t i o no f o p e n a i rt ou n d e r g r o u n dm i n i n g a n ds t a b i l i t yo fm i n i n gy i e l da n d e c o n o m i c b e n e f i t ．A i m i n g a tt h e m i n i n g t e c h n i c a lc o n d k i o n so f H u a n g M a i L i n gP h o s p h o r o u sC h e m i c a lI n d u s t r yG r o u pC o m p a n y , a n d s o m em e t h o d ss u c ha sf i e l di n v e s t i g a t i o n ，l a b o r a t o r yt e s t ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dp r o g r a md e s i g nh a v eb e e nu s e d ，a n d s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fo p e n - p i tt ou n d e r g r o u n dh a v e b e e na l s o a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dd e e p l y ．R e s e a r c hr e s u l t sh a v e o b t a i n e da s f o l l o w s 1 T h r o u g ht e s t i n ga n dr e d a c t i n gm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fo p e n a r e t ou n d e r g r o u n dr o c k ，t h i sp a p e ro b t a i n sr e a s o n a b l en u m e r i c a ls i m u l a t i o n p a r a m e t e r s ，w h i c hp r o v i d e sb a s em a t e r i a lf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs a f e t y i s o l a t i o nl a y e rt h i c k n e s sa n ds t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ； 2 B yu s i n go fc o m p r e h e n s i v e f o r m u l am e t h o da n dn u m e r i c a l a n a l y s i s ，c o n c l u s i o nt h a to r eb o d i e si n 5 ma b o v ef r o md e ne l e v a t i o ni s p e r m a n e n tc o n f i n e m e n tt i b e r i u ms p i k e si nH u a n g M a i L i n gp h o s p h a t e o p e n a i rp i t h a sh a sb e e nm a d e ； 3 T h r o u g hc o m p a r i n gs o m es u i t a b l ee x p l o i ts y s t e ms o l u t i o n s ， W a n g G u S h a ns h a f te x p l o i ts y s t e ms o l u t i o ni sf i n a l l ya d o p t e d ．T h ep a p e r h a sa l s or e s e a r c h e da n dd e s i g n e ds e v e r a lm a i ne x p l o i ts y s t e m s ，s u c ha s m i n ep i tw a t e r p r o o fa n dd r a i n a g e ，v e n t i l a t i o ns y s t e m sa f f e c to p e n a r et o u n d e r g r o u n dm i n i n gs m o o t h l y ．T h r o u g hi n v e s t m e n te s t i m a t et ot h ew h o l e s y s t e m ，t h ef i n a li n v e s t m e n ta m o u n to ft h i ss y s t e mi sf i r m e d ，w h i c hi s 37 7 ，5 8 9 ，4 0 0y u a n ． 4 B a s e do nt h ef u z z ym a t h e m a t i c st h e o r y , a n do p t i m i z i n gav a r i e t y o fs u i t a b l ef o rm i n em i n i n gm e t h o d s ，h o r i z o n t a ls t r a t i f i e df i l l i n gm e t h o d h a sb e e nf i n a l l yc h o s ea st h es u b j e c to fm i n em i n i n gm e t h o d ．T h i s m e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hm e c h a n i z a t i o nl e v e l ，g r e a t c a p a c i t yo fp r o d u c t i o n ，o r el o s sa n dd i l u t i o nr a t i o ，t h e s em a k ei tp r o t e c t o p e np i t ，s u r f a c em a i ns t r u c t u r e sw e l l ，s u c ha st h em i l l ，h i g h w a y , w a s t e Ⅱ s t o n ef i e l d ．e t c ．M o r e o v e r , i tc a na l s oe n s u r eo p e n a r et ou n d e r g r o u n d m i m n g a l t e r n a t es a f e l ya n ds m o o t h l y ． T h r o u g ht h er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n tt o t h ek e yt e c h n o l o g yo t o p e n ．翻七t ou n d e r g r o u n dm i n i n gi nr e p l a c i n gs a f e l ya n ds m o o t h l y , t h i s a r t i c l es o l v e dt h es p e c i a lj o i n tt e c h n i c a lp r o b l e m sw h i c ha r eb r o u g h tb y 邳e n ．a i ra n du n d e r g r o u n dm i n i n g ．T h i sr e s u l to f t h es t u d yc a nn o to n l y o f i e f i m p o r t a n tg u a r a n t e e f o rm i n i n gs t a b l et r a n s i t i o n a n dr e a l i z e s u s t a i n 2 I b l ed e v e l o p m e n t ，b u ta l s op r o v i d et h eb e n e f i c i a l r e f e r e n c et o o t h e rs i m i l a rm i n e s ． K E Y W O R D SO p e n ．a r et ou n d e r g r o u n d ，I s o l a t i o nl a y e ro f t i b e r i u m s p i k e s ，E x p l o i ts y s t e m ，M i n i n gm e t h o d H I 目录 摘要．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．二．⋯．．．⋯．．．．．⋯．⋯．．．⋯．．⋯．⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第一章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯1 1 ．1 研究背景、目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 露天转地下开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 露天转地下隔离层确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 露天转地下开采阶段的开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 ．3 露天转地下开采方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．4 露天转地下开采特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容与路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．2 研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 交通位置及自然状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 地层与构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．2 ．2 矿体空间位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．3 矿体规模与产状及品位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．4 矿石自然类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．3 ．1 露天开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 选矿生产现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 ．3 尾矿设施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．4 矿床开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．4 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 2 ．4 ．2 矿岩物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．3 储量计算的工业指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 第三章岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 样品采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 样品加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 矿岩物理力学性质试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．1 抗拉强度试验 劈裂法 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 3 ．3 ．2 单轴岩石变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．4 黄麦岭岩石试样物理力学性质汇总⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 3 ．5 岩体工程力学参数折算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 ．1 岩体工程力学参数折算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．5 ．2 关于弹性模量折减⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．5 ．3 内聚力和内摩擦角的求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 l 3 ．5 ．4 黄麦岭磷矿岩体力学参数折算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 第四章露天转地下安全隔离层厚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 I V 4 ．1 安全隔离层厚度的理论分析【4 1 ，4 2 ，4 3 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．1 厚跨比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 4 ．1 ．2 荷载传递交汇线法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．3 结构力学方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．4 空场长宽比方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 4 ．1 ．5 普氏地压力计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 有限元方法数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 4 ．2 ．1 一定跨度不同采空区高度的数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．2 不同跨度采空区顶板不同安全厚度数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 4 - 3 理论计算与数值模拟结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 4 ．4 ／J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 第五章露天转地下矿床开拓方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯4 9 5 ．1 露天转地下生产能力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 ．1 开采顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 ．2 矿山工作制度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 ．3 生产能力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．1 ．4 矿山服务年限⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 阶段高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 地表错动界线确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．4 开拓方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．1 开拓方案初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．2 开拓系统优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．5 开拓方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．5 ．1 开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 5 ．5 ．2 主要井巷工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 5 ．5 ．3 有关建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．5 ．4 基建井巷工程量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．5 ．5 矿山正常生产同时工作面数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 5 ．6 露天转地下安全过渡时间安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 5 ．7 矿井防排水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81 5 ．7 ．1 首采区矿井涌水量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 l 5 ．7 ．2 井下防水措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．7 ．3 井下排水方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．7 ．4 井下排水设施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．7 ．5 后期井下排水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 5 5 ．8 通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．8 ．1 通风系统及通风方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 5 ．8 ．2 通风工作制度及通风时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 5 ．8 ．3 矿井风量和负压计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．8 ．4 矿井通风阻力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 5 ．8 ．5 风机选型的原则与依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．8 ．6 设备选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 5 ．9 投资概算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 5 ．1 0 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 V V I 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 ．1 研究背景、目的和意义 第一章概述 矿产资源开采是国民经济基础性支柱产业之一，涉及国民经济的许多领域， 诸如有色金属、钢铁、煤炭、黄金、化工及非金属工业等【l 】。我国是露天开采较 多的国家之一，铁矿石生产露天开采占9 0 ％以上。有色金属矿石占5 0 ％；化工原 料约占7 0 ％；建材几乎1 0 0 ％都是由露天矿采出，露天煤矿开采在近年来也有很 大发展f 2 1 。经过近几千年的开采和不断增产，国内的大部分露天矿山企业都面临 着露天采场闭坑、即将转入地下开采阶段。 露天转地下开采的矿山，开采期一般要经过露天开采期、露天转地下联合开 采过渡期和地下开采期三个阶段[ 3 1 。普通的露天开采和地下开采相对于过渡期来 说生产工艺简单、组织管理单一，各矿都有丰富的经验可循【4 J 。鉴于我国露天矿 山企业多为深凹露天矿的特点，在转入地下开采时将面临更多的困难。为实现露 天向地下开采的平稳过渡，必须对平稳过渡的关键技术进行攻关研究。其关键技 术表现如下 1 在进行露天转地下开采的设计时，对前 露天 后 地下 期开采统一全面 规划，地下巷道的利用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赳引。 2 要保证露天开采作业不影响地下开采的安全，同时又要保证地下采场 结构参数和回采作业不影响露天开采的安全，尤其要保证地下开采活动不影响露 天边坡的稳定性。 3 地下开采的防洪排水设施设计时应充分考虑地下涌水和大气降水渗入 或流入地下采场的水量。一般说来地下涌水量的大小与地下水的静储量和外部补 给动储量的多少有关，这部分涌水量较为稳定，但露天坑渗入或流入地下采场的 水量，受大气降水影响较大，要防止露天坑积水灌入地下采场1 6 ，7 J 。 4 露天转地下开采通风条件恶化，最突出的问题是漏风严重，如果不经 过详细的分析、计算，科学制定露天、地下隔离层厚度及布设方案，会影响地下 通风的效率和质量1 7 l 。 本文以黄麦岭磷化工集团公司为依托单位，就露天转地下涉及的上述关键问 题，如露天转地下开采安全隔离层厚度、开拓系统、采矿方法、开采时空关系等， 进行专题研究，以期实现矿山稳产过渡，保障企业可持续发展，同时为类似条件 中南大学硕士学位论文第一章概述 矿山提供经验。 1 ．2 露天转地下开采研究现状 目前，我国露天转地下开采的矿山，设计时一般只是独立地考虑了露天矿的 开拓系统，没有通盘考虑露天转地下开采的的三个阶段，无法很好地利用联合开 采的特点来提高矿床开采的技术经济指标，给后期的转入地下开采带来许多不利 影响。 1 ．2 ．1 露天转地下隔离层确定 露天转地下过渡期间由于开采地段存在地下空区，区段内的地压活动时有发 生，影响露天采场边坡的稳定性，露天采场上人员设备的安全及地下采矿安全。 针对这些地下空区问题，通常的做法为露天矿的最终境界以下与地下开采交界 处，留有一个较厚的水平矿柱，该矿柱即称为隔离层；对隔离层下的地下空区处 理方法主要有1 直接使用无底柱分段崩落法回采；2 在隔离层的保护下先空 场回采，再崩落法回收隔离层矿柱；3 在隔离层的保护下，采用充填法回采 i s , 9 ，1 0 l o 对于开采地表需要保护的矿床，通常采用充填法进行空区处理，因此隔离层 矿柱的构筑越发重要。目前国内外确定隔离层厚度的方法主要有荷载传递线交汇 法、厚跨比法、按剪切强度进行估算、按结构力学梁理论进行计算、反塌陷堵塞 估算法、按破裂拱理论进行估算、K B 鲁别涅依他理论估算法、经验类比法、数 值模拟计算法等。 1 ．2 ．2 露天转地下开采阶段的开拓系统 7 为适应露天转地下开采特点，采用的开拓系统通常根据具体开采技术条件可 分为露天和地下各自独立的开拓系统、局部联合开拓系统和联合开拓系统三种 类型0 1 , 1 2 1 。 1 露天和地下独立开拓系统【1 3 】 该开拓系统的地下开拓工程布置在露天采场之外，露天和地下使用各自独立 的开拓运输系统。主要适用于埋藏较深的水平或缓倾斜矿床，或者虽是急倾斜矿 床，但因地质构造活动矿体上下部分错开分布。还有些矿山由于地质勘探原因 如 矿床深部勘探不足 ，或限于历史条件 如分期建设第一期仅开采露天境界内矿 体 ，在设计时就没有或较少考虑露天与地下开采工艺系统的结合和相互利用。 目前，我国不少露天转地下开采的矿山都采用这类开拓方式。例如冶山铁矿、白 银厂 折腰山、火焰山 铜矿都属于这种类型。该方案优点是露天与地下互不干 扰，可实现平稳过度，生产能力均衡，同时在露天采场结束后，边坡可不再维护。 其缺点是井巷工程量大，基建时间长、投资大。 中南大学硕士学位论文 第一章概述 2 局部联合开拓系统 露天的部分矿石利用地下开拓系统出矿，或者地下开拓系统局部利用露天的 开拓工程。这类开拓方式在国内外矿山应用较为普遍。它的使用条件大体上可归 纳为两种情况 1 对于倾斜或急倾斜矿床，当露天深度较大时，开拓露天残留矿柱的矿 石 包括露天底柱和边帮矿柱 ，通常利用从地下开拓巷道运输。例如我国铜官 山铜矿、凤凰山铁矿、南非科菲丰坦金刚石矿等。 2 当露天开采到设计境界后，转入地下开采的储量不多、服务年限不长， 若露天边坡稳定，通常是从露天坑底的非工作帮开掘平硐、斜井 或竖井 开拓 地下矿体。例如加拿大波古平公司某金矿和苏联某铁矿，分别采用平硐斜井和平 硐斜坡道开拓地下井田，矿石则通过露天开拓系统完成地表运输。 这类开拓方式的优点是井巷工程量较少、基建投资少、投产快，并可利用露 天矿现有的运输设备和设施，缺点是露天矿后期的生产与地下井巷施工互相干 扰。 3 露天与地下联合开拓系统 这类开拓系统的实质是露天与地下采用统一的地下开拓巷道运输、排水等。 既可以从露天开采的初期，就利用地下开拓工程，也可以是露天矿的深部开采与 地下联合开拓。对急倾斜矿体当露天开采年限短时，为了减少基建投资和露天剥 离量，同时也为了向地下开采过渡有较充分的时间进行地下采矿法试验，可以用 地下巷道同时开拓露天和地下井田。例如芬兰哈萨尔米矿，就是用下盘竖井斜坡 道同时开拓露天和地下矿。对于埋藏深度大的急倾斜矿床，当露天开采的深度超 过1 5 0 - 2 0 0 m 时，其露天深部 一般1 0 0 ～1 5 0 m 将充分利用地下开拓工程，且 更加合理。这类开拓方式，在国外近几十年来使用广泛。例如瑞典基鲁纳瓦拉矿、 苏联阿巴岗斯基铁矿等。 国内外的大量实践和经济计算结果表明，露天转地下开采的矿山，除了特殊 的矿床地质地形条件外，一般较少采用露天和地下各自独立的开拓系统。应根据 矿床的开采技术条件，尽可能利用露天和地下开采工艺特点，选用露天与地下联 合开拓或局部联合开拓。通常，当露天开采深度超过1 0 0 ～1 5 0 m 时，露天矿的深 部与地下联合开拓是经济合理的。 1 ．2 ．3 露天转地下开采方法 露天转地下开采过程中，地下开采方法的选取，主要是根据矿体赋存的特点、 露天边坡地压情况和露天坑底留设境界矿柱与否等因素确定，是一项极复杂的技 术难题，不仅要处理好上部露天作业对地下开采的影响和互相干扰问题，同时还 要考虑产量的衔接。目前，国内外研究将露天转地下开采的采矿方法归纳为空场 3 中南大学硕士学位论文第一章概述 法、崩落法及充填法三类[ 1 3 , 1 4 A 5 】。 1 空场采矿法 包括房柱法、留矿法、分段空场法、阶段空场法等。使用这类方法时，露天 和地下可同在一个垂直面内同时作业，但是要求从露天底到地下采矿场之间要留 有一定厚度的隔离顶柱。对地下采空区的暴露面积的大小、间柱的强度、露天和 地下爆破的规模，都有严格的控制和要求，这与一般的地下开采相比，所受到的 条件限制要复杂的多。 2 崩落法 包括分段崩落法和阶段崩落法。这类采矿方法要求在地下开采区的上部有一 定厚度的废石缓冲层，其生产工艺与一般的地下开采基本相同，如崩落采矿法在 铜山铜矿得到普遍运用，特别是在露天转地下过渡时期发挥了重要作用【1 6 1 。因 此，要求露天分段结束，地下须分段投入生产，露天和地下的生产基本上是顺序 进行的。 3 充填采矿法 充填法目前有三种类型，第一上向水平分层充填法，即随回采工作面向上 推进及时充填采空区，一般用于中等稳固以上的矿体开采；第二下向胶结充填 采矿法，即自上而下回采，在充填体假顶下作业，用于矿岩均不稳固的矿体；第 三空场嗣后充填法，使用空场法工艺落矿，采空区嗣后一次充填。充填法适合 于露天转地下开采的矿山或露天与地下联合开采的矿山采用，是目前国内外地下 矿山使用最为广泛的一类采矿法。它的优点是安全、高效，且能最大限度地回收 矿产资源，有效保护地表环境。但其缺点是工艺较复杂，采矿直接成本较高。 上述三类采矿方法在用于露天转地下开采时，典型方案的工艺与一般常用的 典型方案基本相似，结合露天转地下开采第一阶段的采矿方法的特点，并根据高 效率、低成本、高回收率和安全可靠的要求以及具体的开采技术条件，采取相应 的采矿技术方案。具体的回采方案有以下几种空场法留境界顶柱方案；崩落法 回采前形成覆盖层方案；胶结充填回采矿房暂留矿柱过渡方案；废石充填法回采 过渡方案等。也有矿山采用其中两种方法组合的开采方式，最常用的有空场法与 崩落法的组合使用，如在露天境界矿柱保护下，第一阶段即过渡期用空场采矿法 的房柱法方式进行矿房回采，待矿房回采完毕后，用崩落法回采间柱及露天境界 矿柱，然后即转入崩落法开采。这种多方法组合的开采方式是按一定顺序在空间 和时间上有机结合而成的，即能满足露天转地下的生产要求，同时兼有多种采矿 方法的优点，是一种极具潜力和发展前景的露天转地下回采组合方案。 露天转地下开采国内外均有不少实例，如芬兰皮哈萨米铜矿，在露天底预留 2 0 m 顶柱，地下用留矿法、分段法回采，嗣后用废石、尾砂充填采空区；原苏联 4 中南大学硕士学位论文 第一章概述 的盖伊斯基矿在1 号露天采场下部用阶段矿房法回采矿房，用水砂砾岩充填采空 区。我国白银厂折腰山铜矿即先用水平分层尾砂胶结充填法回采矿柱，后用无底 柱分段崩落法回采矿房，这样不仅保证了露天和地下在过渡期可以同时开采，而 且也有利于采用高效率的崩落法。这种联合式的采矿法近l O 多年在国外已被广 泛应用。 1 ．2 ．4 露天转地下开采特点 由于露天转地下矿山要顺序经历露天开采、露天地下联合开采及地下开采三 阶段，因而这类矿山的建设模式不同于新建矿山，从设计到生产都具有它的特殊 性。具体表现如下[ 1 7 , 1 8 , 1 9 】 1 露天开采己进行多年，形成了完整的生产系统和生活福利设施，如选 矿厂、机修厂、供电和供水管网、露天坑、排土场，以及生产和销售系统等。因 此，在露天转地下开采设计时，应充分考虑利用露天开采原有的设施，注意研究 地下开拓运输系统与露天开采系统的统筹规划，如地下开拓井筒的位置、出车方 向，以及过渡时期的地下采矿方法等。 2 在露天转地下过渡之前，应充分研究地质资料，并根据露天开采后期 生产勘探和边角矿的回采等工作，进一步掌握深部矿体的赋存条件，加强补充勘 探工作。 3 由于新建的地下开采的工程量相当于一个新建的地下矿山。而露天开 采与地下开采采矿工艺完全不同，为保证生产持续稳步过渡，应通过培训迅速熟 悉与掌握地下开采工艺。 4 露天转地下开采的过渡时期，露天开采已向深部发展，当地下开拓系 统建成，应注重露天地下不同工艺要素的组合，发挥联合开采的优越性。 5 应防止过渡期出现通风短路、漏风现象、更应防止露天大爆破有毒气 体侵入井下巷道及露天坑积水涌入井下。同时应根据矿山的特点，采取适宜的采 矿方法和有效的通风、防寒及防洪措施。 6 解决过渡期在时间和产量上的衔接问题确保矿山在过渡期维持必要的 产能，加强边坡管理，确保生产安全。 1 ．3 研究内容与路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 露天转地下过渡期是露天开采产量逐年降低、地下开采产量逐年提高，此消 彼长，为了保证矿山在过渡期不减产或少减产，抓住关键技术难题，展开研究。 而首要问题是确定隔离层的合理厚度，然后在此基础上对地下开拓系统、地下采 矿方法进行研究。结合黄麦岭磷矿开采现状，本文主要研究内容包括 5 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 开采技术条件调查与分析 露天转地下结合部位附近开采技术条件，如矿岩物理力学性质，工程地质和 水文地质条件是黄麦岭磷化．工有限责任公司露天转地下能否安全平稳过渡的关 键影响因素之一，因此，必须准确掌握露天转地下结合部位附近开采技术条件。 具体研究内容包括 1 工程地质、水文地质条件调查与分析； 2 矿岩物理力学性质 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊 松比 测试； 3 矿岩稳定性评价。 2 露天转地下开采隔离层的安全结构与合理厚度确定 露天转地下过渡期，露天开采与地下开采同时进行，在两者之间必须留设合 理的隔离层。隔离层厚度是一个关键的技术指标和经济指标，如果隔离层厚度过 大，会造成资源的浪费，而隔离层厚度过小，则不能起到安全保障作用，必须通 过研究加以优化确定。 3 地下开采开拓系统方案确定 开拓系统的确定除应满足地采开拓设计所需