露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖穩(wěn)定與安全防災(zāi)

1 露天轉(zhuǎn)地下開采研究評(píng)述

1.1 研究背景

1.2 研究目的、意義和研究過程概述

1.2.1 研究目的、意義

1.2.2 研究過程概述

1.3 同類技術(shù)研究現(xiàn)狀及對(duì)比

1.4 研究方案、技術(shù)路線和研究目標(biāo)

1.4.1 研究方案

1.4.2 技術(shù)路線

1.4.3 研究目標(biāo)

2 巖體結(jié)構(gòu)特征、滲透特性及力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

2.1 石人溝鐵礦巖體結(jié)構(gòu)特征描述

2.2 石人溝鐵礦巖體滲透特性

2.3 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

2.4 巖體力學(xué)參數(shù)確定

2.5 巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定

2.6 小結(jié)

3境界礦柱可能的破壞模式和穩(wěn)定性解析評(píng)價(jià)

3.1 石人溝鐵礦采空區(qū)圍巖壓力分布特點(diǎn)和可能的破壞模式

3.2 頂柱穩(wěn)定性的工程類比法

3.3 摩爾一庫侖極限平衡解析

4 二維穩(wěn)定性及破壞機(jī)制模擬分析

4.1 FLAc2D變形破壞分析

4.1.1 計(jì)算模型及方案

4.1.2 各個(gè)剖面計(jì)算結(jié)果

4.1.3 境界頂柱少留6m的情況

4.1.4 小結(jié)

4.2 RFPA2D破壞機(jī)制分析

4.2.1 計(jì)算模型及方案

4.2.2 各個(gè)剖面計(jì)算結(jié)果

4.3 考慮水弱化作用和長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)穩(wěn)定性分析

5不同采礦方案情況下三維穩(wěn)定性分析

5.1 MSC.Patran和MSC.Nastran簡(jiǎn)介

5.1.1 MSC.Patran簡(jiǎn)介

5.1.2 MSC.Nastran簡(jiǎn)介

5.2 不同采礦方案情況下的計(jì)算模型及方案

5.3 不同采礦方案情況下的計(jì)算結(jié)果及分析

5.3.1 采礦方案一

5.3.2 采礦方案二

5.3.3 采礦方案三

5.3.4 采礦方案四

5.3.5 采礦方案五

5.3.6 采礦方案六

5.3.7 采礦方案七

5.3.8 采礦方案八

5.3.9采礦方案九

5.4 小結(jié)和建議

6 圍巖穩(wěn)定性分區(qū)研究與變厚度方案設(shè)計(jì)

6.1 穩(wěn)定性分區(qū)研究

6.2 穩(wěn)定性分區(qū)后的監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)和變厚度采礦設(shè)計(jì)

6.3 小結(jié)

7 斷層破碎帶影響下礦體安全采礦技術(shù)研究

7.1 F18、F19斷層區(qū)域地質(zhì)條件概述

7.2 南區(qū)—60m中段F18～F19破碎及斷層區(qū)域目前開采現(xiàn)狀

7.3 存在的問題

7.4 二維穩(wěn)定性及破壞機(jī)制模擬分析

7.4.1 計(jì)算模型及方案

7.4.2 計(jì)算結(jié)果

7.4.3 考慮水弱化作用和長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)穩(wěn)定性分析

7.5 三維背景應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析

7.5.1 計(jì)算模型及方案

7.5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

7.6 礦石儲(chǔ)量及可采出礦石量

7.7 建議采礦方案及支護(hù)方案

7.8 小結(jié)

8 采空區(qū)探測(cè)及穩(wěn)定性分析

8.1 —60m水平中段采空區(qū)調(diào)查及CMS探測(cè)

8.1.1 全區(qū)礦房現(xiàn)狀詳述

8.1.2 采空區(qū)井下CMS探測(cè)

8.1.3 已探測(cè)采空區(qū)三維模型的構(gòu)建

8.1.4 石人溝鐵礦外圍非法采空區(qū)的勘探

8.1.5 CMS探測(cè)技術(shù)與地球物理探測(cè)的比較

8.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

8.2.1 巖體物理力學(xué)強(qiáng)度取值

8.2.2 石人溝鐵礦礦塊構(gòu)成要素

8.2.3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)理論計(jì)算

8.2.4 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性計(jì)算分析

8.2.5 礦柱的穩(wěn)定性理論計(jì)算分析

8.3 小結(jié)

9 圍巖穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析及預(yù)警

9.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選擇

9.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝

9.2.1 準(zhǔn)備工作

9.2.2 傳感器安裝

9.2.3 線纜安裝

9.3 微震活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

9.3.1 系統(tǒng)軟件

9.3.2 微震信號(hào)處理

9.3.3 波形初步分析

9.3.4 信號(hào)濾波處理

9.3.5 波形數(shù)據(jù)庫建立

9.4 數(shù)據(jù)分析與微震活動(dòng)規(guī)律研究

9.5 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防盜采功能

9.6 小結(jié)

10 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦山巖體動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)警

10.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概念

10.2 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的產(chǎn)生原理

10.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用

10.3.1 采礦設(shè)計(jì)

10.3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

10.3.3 事故原因調(diào)查

10.3.4 技術(shù)培訓(xùn)、安全教育

10.3.5 采礦過程虛擬研究

10.4 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圍巖穩(wěn)定與礦山動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)初步研發(fā)

10.4.1 虛擬礦山系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

10.4.2 石人溝鐵礦虛擬現(xiàn)實(shí)模型的建立

10.4.3 應(yīng)力場(chǎng)云圖和微震數(shù)據(jù)顯示

10.4.4 控件制作

10.4.5 小結(jié)

11 結(jié)論與展望

11.1 研究結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

11.2 應(yīng)用效果分析

11.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

11.2.2 社會(huì)效益顯著

11.3 建議與技術(shù)展望

11.3.1 建議

11.3.2 技術(shù)展望

參考文獻(xiàn)

《露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖穩(wěn)定與安全防災(zāi)》可供采礦工程、地質(zhì)工程、地下工程的技術(shù)和管理人員以及從事礦山安全生產(chǎn)工作的人員參考，也可作為相關(guān)專業(yè)的科研和教學(xué)參考用書。

主要研究最佳的過渡方案、境界頂柱厚度、露大邊坡與地下井巷工程的穩(wěn)定性。

1.研究最佳的過渡方案

露天轉(zhuǎn)入地下開采過渡期，露天開采和地下開采同時(shí)存在，從而增加了過渡期開采技術(shù)的復(fù)雜性和難度。因此，研究最佳的過渡方案，以保證礦山持續(xù)均衡生產(chǎn)，安全過渡。

首先要掌握和運(yùn)用露天與地下聯(lián)合開采方法，在一個(gè)礦床內(nèi)同一個(gè)垂直面上同時(shí)進(jìn)行露天與地下開采。過渡期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)研究、勘察、設(shè)計(jì)和基建工作的綜合研究分析、統(tǒng)籌規(guī)劃過渡方案。一般礦山的過渡期少則3-5a，多則10-15a。因此對(duì)地下工程應(yīng)提前進(jìn)行開采和采準(zhǔn)。對(duì)有條件的礦山，可以采用分區(qū)、分期交替過渡，做好生產(chǎn)銜接。

2.境界頂柱的厚度

由露天轉(zhuǎn)地下過渡方案、地下采礦方法和露天與地下開采的下降速度等所決定。通常用兩步驟回采的方法，要留臨時(shí)境界頂柱，采用崩落法回采時(shí)。露天礦開采結(jié)束可以不留境界頂柱，但要形成一定厚度的巖石或礦石覆蓋層。

境界頂柱的安全厚度與礦巖的穩(wěn)固性、地下與露天的開采范圍和爆破技術(shù)等有關(guān)，其安全厚度可以通過物理力學(xué)模型試驗(yàn)確定，計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬分析等理論計(jì)算。不少礦山仍用類比經(jīng)驗(yàn)選取，其厚度一般10-40m不等。而縮短采空區(qū)的暴露時(shí)間，減少礦房的跨度和控制露天爆破，是提高境界頂柱安全的有效措施。

3.露天邊坡與地下井巷工程的穩(wěn)定性

過渡期內(nèi)露天邊坡和地下空區(qū)的暴露面積逐步加大，暴露形態(tài)復(fù)雜。邊坡失穩(wěn)滑落和采場(chǎng)并巷獲程位移錯(cuò)動(dòng)，會(huì)影響生產(chǎn)和導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。因此必須進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，邊坡穩(wěn)定性分析，開展巖體位移、變形監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，掌握地壓活動(dòng)規(guī)律，采取邊坡加固和有效地地壓控制等措施，使露天轉(zhuǎn)地下安全過渡。

露天轉(zhuǎn)地下開采，要避免露天爆破對(duì)地下井巷和采場(chǎng)的破壞，而地下開采不影響露天安全生產(chǎn)，要充分研究通風(fēng)、排水、防洪和環(huán)境保護(hù)等措施，防止通風(fēng)短路和暴雨期間泥砂突然潰入井下 。2100433B

根據(jù)礦床賦存條件和過渡期存在聯(lián)合開采的特點(diǎn)，選擇露天采場(chǎng)與地下開拓系統(tǒng)方案，包括露天場(chǎng)內(nèi)開拓、場(chǎng)外開拓和聯(lián)合開拓。

1.露天場(chǎng)內(nèi)開拓

地下開拓工程布置在露大采場(chǎng)內(nèi)，適用于深部礦體儲(chǔ)量不多，地下開采規(guī)模小的礦床。

2.露天場(chǎng)外開拓

地下開拓工程布置在露天采場(chǎng)外，它適用于深部礦體儲(chǔ)量大，服務(wù)年限長(zhǎng)的礦山。過渡期露天轉(zhuǎn)地下相互干擾小，露采結(jié)束后邊坡不再維護(hù)，但基建工程量大。地下工程需提前進(jìn)行。

3.聯(lián)合開拓

適用于上部露天服務(wù)年限長(zhǎng)、邊坡較穩(wěn)固的礦山。采用聯(lián)合開拓應(yīng)綜合考慮露天與地下開采的工藝特點(diǎn)，統(tǒng)一地下井巷開拓。利用地下井巷的聯(lián)合開拓系統(tǒng)，可減少基建投資，當(dāng)露天深度超過100-150m時(shí)。用井下運(yùn)輸?shù)V石較地面汽車運(yùn)輸費(fèi)用低50%左右，可利用地下排水疏干，改善露天礦的生產(chǎn)條件，縮短過渡期地下開采的建設(shè)周期。

采用聯(lián)合開拓的經(jīng)驗(yàn)表明，充分利用露天與地下聯(lián)合開拓。基建投資減少25%-50%，可保持礦山持續(xù)生產(chǎn)，是廣泛采用的露天轉(zhuǎn)地下開采的開拓方法 。

露天轉(zhuǎn)地下開采期間，在露天開采的同時(shí)，可選用空?qǐng)霾傻V法，充填采礦法和崩落采礦法進(jìn)行地下開采，充填采礦法和膠結(jié)充填采礦法回采方案日益獲得廣泛應(yīng)用，并向聯(lián)合采礦法回采方案發(fā)展。

1.空?qǐng)龇ɑ夭煞桨?

分暫留境界頂柱和不留境界頂柱的方案。中國(guó)鳳凰山鐵礦在露天坑底留7-10m厚的境界頂柱。地下用深孔留礦法回采礦房，暫留間柱露天開采結(jié)束后，從露天坑底向下穿孔爆破境界礦柱和崩落上盤圍巖，以形成覆蓋層。再應(yīng)用崩落法回采，金嶺鐵礦不留境界頂柱。用分段空?qǐng)龇ɑ夭傻V房，頂柱和間柱強(qiáng)制崩落后甲頂盤圍巖隨之冒落充填采空區(qū)，以后用崩落法回采，20世紀(jì)90年代初。有些國(guó)家的露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，采用VCR采礦法從露天坑底向下鑿大直徑深孔分段落礦。這種方法，效率高，成本低。

2.充填法回采方案

對(duì)開采礦石品位高或貴重金屬礦床，為了保證露天轉(zhuǎn)地下安全過渡。70年代以來，廣泛采用充填法回采方案口一般采用尾砂、廢石和膠結(jié)充填采礦法。

3.崩落法回采方案

應(yīng)用分段崩落采礦法在回采前需形成覆蓋層，階段崩落采礦法在回采過程中形成覆蓋層。分段崩落采礦法在回采前留15-20m的覆蓋巖石或礦石、不留境界頂柱，連續(xù)回采其覆蓋巖以滿足安全和擠壓崩礦的要求。

4.聯(lián)合采礦法回采方案

隨著采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在露天轉(zhuǎn)地下回采方案中發(fā)展了聯(lián)合采礦法，如房柱式崩落法等 。