金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的研究現(xiàn)狀與對策

高智令

（瑞木鎳鈷管理有限公司，北京 100028）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，金屬礦產(chǎn)資源逐漸減少，不可避免的要經(jīng)歷露天轉(zhuǎn)地下的開采過程。尤其是對于寬體的、直接頂板穩(wěn)固性不好的、連續(xù)性不好的，露天轉(zhuǎn)地下的開采方式是必然會采用的。主要原因是存在上述問題的礦產(chǎn)在開采時，極易發(fā)生頂板冒落的事故，對作業(yè)人員的生命造成的威脅不容小覷。所以，近些年來，金屬礦產(chǎn)的露天轉(zhuǎn)地下存在的問題及相應的解決思路的研究受到了廣泛關(guān)注。

1 露天轉(zhuǎn)地下開采的相關(guān)問題

采用露天轉(zhuǎn)地下開采手段的礦山一般是具有礦體有較大延伸、覆蓋層較薄，礦床急傾斜為中厚或厚大[1]。這類礦床具有的特點是初期一般露天開采，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速投產(chǎn)且投資成本較低，且貧損指標較好。但是這種礦山在不斷開采延伸后，會過渡為半地下開采，直至全地下開采[2]。因此露天轉(zhuǎn)地下并不是直接跨越而是要經(jīng)歷一個露天與地下同時開采的過程。對采礦規(guī)模較大的工程，非常容易造成巖體失穩(wěn)、變形甚至是破壞，根據(jù)所處的工程狀態(tài)的差異，可以分為四種，分別是：露天開采造成的、露天和地下同時開采造成的、露天轉(zhuǎn)地下開采造成的和地下開采造成的。

不同狀態(tài)的采礦過程，差別也是非常大的。對于露天開采來說，礦體是急傾斜的，達到一定深度后，因礦體本身的埋藏條件和采出條件影響，必須要進行地下開采或陸井聯(lián)采。這種開采模式在國內(nèi)外均有廣泛應用，尤其是對于金屬礦產(chǎn)來說。在我國，許多金屬礦產(chǎn)開采已經(jīng)進入了中晚期階段，深凹露天礦已基本進入即將結(jié)束的階段。在露天采礦坑的圍巖中，有些配套工程是永久性的，比如巷道或者豎井等，一旦這些工程發(fā)生變形甚至破壞，將會影響其使用安全。

2 金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的研究現(xiàn)狀分析

（1）露天轉(zhuǎn)地下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)研究現(xiàn)狀。礦山結(jié)構(gòu)參數(shù)一般根據(jù)礦體傾角、賦存條件、礦區(qū)所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)周圍的構(gòu)筑物情況以及圍巖的穩(wěn)固條件來選定。目前，礦山結(jié)構(gòu)參數(shù)并不是固定的，其確定一般有三種方法。分別是：①經(jīng)驗類比法。這種方法因為簡單、經(jīng)濟成本低，所以應用相對廣泛。主要借助已有的類似礦山總結(jié)的經(jīng)驗，選擇比較保守的取值。②數(shù)值模擬法。這種方法是基于計算機技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，是一種相對較新穎的方法。模擬的方法主要有有限元、離散元、邊界元和不連續(xù)變形法等，這些方法在選取采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方面發(fā)揮了重要作用。③遺傳算法。由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素非常復雜，通過一個數(shù)學表達式是很難實現(xiàn)對其詳細描述的，所以也就無法為優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)提高有效指導。遺傳算法的特點是魯莽性較高，因此容易得到較優(yōu)的設(shè)計方案。

（2）露天轉(zhuǎn)地下采場頂柱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀。金屬礦山開采時，由露天轉(zhuǎn)地下時，境界頂柱穩(wěn)定性很大程度上決定了工程安全性，因此，這方面的研究也相對較多。目前境界頂柱厚度的確定和穩(wěn)定性分析一般通過極限平衡法或者數(shù)值模擬法確定。近年來，計算機技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法也隨之得到了廣泛應用。有研究學者應用數(shù)值模擬法進行露天轉(zhuǎn)地下的安全保留層計算，得到比較理想的結(jié)果。

（3）露天轉(zhuǎn)地下采場回采順序和開采方案研究現(xiàn)狀。①比較合理的回采順序既要將開挖穩(wěn)定性考慮在內(nèi)，還要避免局部地段出現(xiàn)能力和能量集中，有效防止變形破壞的現(xiàn)象?；夭身樞虻难芯糠椒ㄒ话阌校何锢砟M法、工程類比法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法、計算機模擬法以及數(shù)值分析法等。在回采順序方面，許多學者都做了大量有益工作，也獲得了可喜的成果。

比如有學者借助FLAC3D分析軟件模擬了不同回采順序造成的邊坡穩(wěn)定性變化以及應力分布的變化規(guī)律。②露天轉(zhuǎn)地下開采涉及了兩種工藝，既有露天又有地下，因此需要提前做好統(tǒng)一規(guī)劃。在進行開采方案確定時，需要對以下因素進行重點考慮：礦場與工程的相對位置；地下開拓系統(tǒng)是否為公用。

（4）露天轉(zhuǎn)地下采場邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀。巖體邊坡的穩(wěn)定性是研究露天轉(zhuǎn)地下開采的方面的一個重要問題。邊坡穩(wěn)定性分析有定性、定量和不確定性三種常見的分析方法，此外還有智能分析方法等。定性分析的主要方法有邊坡工程數(shù)據(jù)庫和自然歷史分析法，考慮因素比較多，可對發(fā)展趨勢進行定性評價。定量分析是借助力學原理展開的，但是定量很難實現(xiàn)，一般就是半定量方法。有數(shù)值模擬方法和極限平衡分析法兩種。不確定性方法大約是1970年之后出現(xiàn)的，隨著一些新的理論出現(xiàn)和新的分析方法出現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性的研究已不是一個單一學科，而是與模糊數(shù)學理論、可靠性理論、灰色系統(tǒng)理論等學科相融合。在進行邊坡工程設(shè)計時，人們逐漸認識到這個過程中的不確定性非常大。

3 金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的相關(guān)問題的解決對策

（1）解決思路介紹。收集金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下過程中的邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，收集數(shù)據(jù)的時間盡可能長，數(shù)據(jù)盡可能詳細的。這一過程的研究內(nèi)容主要包括三個方面：根據(jù)金屬礦山多年的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助數(shù)值模擬和物理模擬等手段，研究露天轉(zhuǎn)地下后的采坑圍巖發(fā)生變形的特點和規(guī)律；根據(jù)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采坑底部隆起的研究，分析隆起發(fā)生的機理，并借助模擬分析的手段，詳細解析隆起的發(fā)生；研究因露天轉(zhuǎn)地下開采引發(fā)的圍巖變形活化的問題，主要借助對典型斷層發(fā)生活化的案例進行現(xiàn)場實際調(diào)查、測量位移數(shù)據(jù)，并借助模擬手段，深入研究斷層活化的相關(guān)問題。

（2）技術(shù)路線介紹。對于因露天轉(zhuǎn)地下開采造成的金屬礦山的相關(guān)問題，應采取合適的技術(shù)路線進行解決。前面提到了收集巖體位移的相關(guān)數(shù)據(jù)和應用一些模擬手段，對變形規(guī)律和機理進行詳細研究，下面介紹一下具體的技術(shù)路線：及時搜集整理國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究進展和成果，便于查閱和輔助判斷；對金屬礦山的現(xiàn)場情況進行實地調(diào)查，收集一些基本的地質(zhì)數(shù)據(jù)；對已有的檢測數(shù)據(jù)進行整理匯總；應用模擬手段對圍巖變形發(fā)生的特征、底部隆起發(fā)生的機理和斷層活化發(fā)生的條件等進行模擬和分析。

4 結(jié)論

本文對金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的研究現(xiàn)狀進行了詳細分析，介紹了其中研究最為深入，應用也較廣的研究內(nèi)容，對接下來的研究工作具有重要意義。最后介紹了金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的相關(guān)問題的解決對策，希望這些內(nèi)容能夠指導指導金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過程中的問題的解決。