《露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究内内 容容 提提 要要一、前言一、前言二二、露露天天转转地地下下开开采采覆覆盖盖层层安安全全结结构构与与合合理理厚厚度度研究研究 三三、露露天天转转地地下下开开采采边边坡坡变变形形动动力力冲冲击击演演化化机机理理及其控制研究及其控制研究 四、结语四、结语露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究一、前一、前 言言u我国冶金矿山80%的矿石量来自于露天开采。经过几十年开采，目前大多数大中型露天矿山已经进入中后
2、期开采，很多矿山的开采方式已由山坡开采转入凹陷开采。u由于大型铁矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较大。凹陷开采深度超过400m500m后继续进行露天扩帮开采，不但经济上不合理，而且造成土地的大面积占用和剥离的大量废石对生态环境的破坏。u露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的综合性开采技术。可以使矿山基建投资减少25%50%，生产成本下降25%左右。因此，露天转地下开采是大量矿山的必然选择。露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u与与国国外外相相比比，我我国国金金属属矿矿山山露露天天转转地地下下开开采采的的整整体体技技术术水平仍然相对落后，困难和存在问题较多。水平
3、仍然相对落后，困难和存在问题较多。l对对露露天天转转地地下下开开采采过过渡渡时时机机把把握握不不准准确确，过过渡渡期期过过长长或或太太短短，不不能能实实现现平平稳稳过过渡渡，造造成成企企业业生生产产能能力力的的波波动动，甚甚至至减产、停产。减产、停产。l对露天和地下开采缺少统一的全面规划，露天和地下两类对露天和地下开采缺少统一的全面规划，露天和地下两类相关的采矿工程设施不能有效地相互利用，露天与地下不相关的采矿工程设施不能有效地相互利用，露天与地下不配套、不协调，不仅浪费资金，而且很难进行大规模、高配套、不协调，不仅浪费资金，而且很难进行大规模、高效率强化开采。效率强化开采。一、前一、前 言言
4、露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究l含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完善的含有大量矿石的境外卦帮矿和零散矿体由于没有完善的回收技术而被损失掉，或者回收率太低，损失贫化大，回收技术而被损失掉，或者回收率太低，损失贫化大，造成资源严重浪费。造成资源严重浪费。l露露天天转转地地下下开开采采过过程程中中边边坡坡和和地地下下岩岩层层共共同同变变形形、相相互互影影响响，引引发发的的地地压压活活动动规规律律和和单单一一开开采采模模式式有有很很大大不不同同，造成的边坡和地下采场失稳破坏情况更为复杂和严重。造成的边坡和地下采场失稳破坏情况更为复杂和严重。l对覆盖层作用机理认识不清
5、，处理不当，造成通风、排对覆盖层作用机理认识不清，处理不当，造成通风、排水系统负荷增大，并可造成泥石流等灾害事故，加大了水系统负荷增大，并可造成泥石流等灾害事故，加大了地下开采的风险和成本。地下开采的风险和成本。一、前一、前 言言露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u同同时时，露露天天转转地地下下开开采采是是一一项项系系统统工工程程，过过程程环环节节多多，影影响响因因素素复复杂杂。要要实实施施露露天天转转地地下下开开采采的的平平稳稳过过渡渡，既既要要提提高高生生产产能能力力、实实现现强强化化开开采采，又又要要保保证证生生产产安安全，难度很大。全，难度很大。u为为了了解解决决
6、我我国国金金属属露露天天矿矿转转地地下下开开采采过过程程带带有有共共性性的的一一系系列列关关键键技技术术问问题题，实实现现露露天天转转地地下下开开采采的的平平稳稳过过渡渡和和安安全全高高效效生生产产，“露露天天转转地地下下相相互互协协调调安安全全高高效效开开采采关关键键技技术术研研究究”被被列列入入“十十一一五五”国国家家科科技技支支撑撑计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。计划，首钢杏山铁矿为课题研究的工程依托单位。一、前一、前 言言露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u以以安安全全和和效效益益为为目目标标，围围绕绕露露天天转转地地下下开开采采平平稳稳过过渡渡和和安
7、安全全高高效效生生产产5个个方方面面的的关关键键技技术术进进行行系系统统深深入入的的试试验验研究：研究：l露露天天转转地地下下开开采采满满足足六六大大功功能能的的覆覆盖盖层层的的安安全全结结构构、合合理理厚度及其形成技术；厚度及其形成技术；l露露天天转转地地下下平平稳稳过过渡渡和和开开拓拓运运输输系系统统、采采矿矿方方法法与与工工艺艺、通风、排水等系统的最佳衔接技术；通风、排水等系统的最佳衔接技术；l露露天天转转地地下下开开采采过过程程中中边边坡坡及及岩岩层层变变形形、破破坏坏实实时时监监测测及及预预测测预预报报技技术术，揭揭示示矿矿山山地地压压灾灾害害事事故故的的发发生生机机理理和和内内在在
8、规律。规律。一、前一、前 言言露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究l露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术；露天转地下相互协调的安全高效采矿工艺技术；l露露天天转转地地下下开开采采安安全全生生产产综综合合技技术术和和自自动动化化安安全全生生产产管管理理信息系统信息系统u上上述述5 5个个方方面面关关键键技技术术，对对应应了了露露天天转转地地下下开开采采的的各各个个环环节节。各各技技术术环环节节相相互互依依赖赖、相相互互支支撑撑、相相互互匹匹配配，构构建建一一个个整整体体优优化化的的技技术术体体系系。保保证证首首钢钢杏杏山山铁铁矿矿露露天天转转地地下下开开采采的的平平稳稳过
9、过渡渡和和安安全全高高效效生生产产，提提升升矿矿山山的的生生产产规规模模、生生产产能能力力，实实现现经经济济效效益益、社社会会效效益益和和环环境境效效益益的最大化。的最大化。一、前一、前 言言露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究厚度研究u覆盖层的主要功能覆盖层的主要功能l防冲击地压防冲击地压 l形成挤压爆破端部放矿条件形成挤压爆破端部放矿条件l滞水作用滞水作用 l减少漏风减少漏风 l防寒保暖防寒保暖 l预防泥石流预防泥石流 露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究二、露天
10、转地下开采覆盖层的安全结构与合理二、露天转地下开采覆盖层的安全结构与合理厚度研究厚度研究u覆盖层力学行为和移动特性研究覆盖层力学行为和移动特性研究l实验室模拟研究实验室模拟研究模型模型1： 覆盖层厚覆盖层厚20m， 分段高度分段高度15m， 二分段放矿二分段放矿露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究模型模型2：覆盖层厚：覆盖层厚40m，三分段放矿，三分段放矿露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 模型模型3：覆盖层厚：覆盖层厚60m，两分段放矿，两分段放矿露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层力学行为和移动特性研究覆盖层力学行为和移
11、动特性研究l实验研究结论实验研究结论结结论论1 1：露露天天转转地地下下覆覆盖盖层层随随地地下下开开采采而而沉沉降降下下移移，宏宏观观结结构可分为两部分构可分为两部分: : 流动层和整体下移层。流动层和整体下移层。露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究结论结论2：流动层高度流动层高度HT 取决于采场结构参数、放矿制度。并取决于采场结构参数、放矿制度。并受矿岩块度、湿度等因素的影响。受矿岩块度、湿度等因素的影响。露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究结论结论3：流动层的结构：流动层的结构 流动层岩石块度最好接近地下采场矿石块度。块度过大，流动层岩石块度最好接近
12、地下采场矿石块度。块度过大，容易出现悬拱现象；块度过细，岩石容易侵入到放出椭球体中，容易出现悬拱现象；块度过细，岩石容易侵入到放出椭球体中，过早侵蚀出现贫化。过早侵蚀出现贫化。块度过大造成的悬拱粒度过细造成侵蚀贫化露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究结论结论4 4：整体下移层高度取决于设防标准，受覆盖层整体下移层高度取决于设防标准，受覆盖层渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。渗流特性、窜风特性、温变特性等因素所控制。 流动层流动层整体下移层整体下移层露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层物料的水渗透特性覆盖层物料的水渗透特性l渗透系数的测定试
13、验渗透系数的测定试验实验装备与材料实验装备与材料渗透实验装置渗透实验装置 渗透实验所用物料渗透实验所用物料 露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究不同粒径组成覆盖层的渗透系数不同粒径组成覆盖层的渗透系数实验结果实验结果组数组数粗细比粗细比渗透系数渗透系数K K（cm/scm/s）第第1 1组组6:46:41.0792101.079210-4-4第第2 2组组6.5:3.56.5:3.52.2795102.279510-4-4第第3 3组组7:37:31.0778101.077810-3-3第第4 4组组8:28:21.0647101.064710-2-2露天转地下开采覆盖层安
14、全结构和边坡变形动力冲击与控制研究不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果不同孔隙比下粗粒土的渗透系数实验结果土样编号土样编号12345678910干密度干密度g/cm321.971.941.911.881.851.821.791.761.73孔隙比孔隙比0.350.3710.3920.4140.4360.4590.4840.5080.5340.561不均匀系数不均匀系数16161616161616161616曲率系数曲率系数1111111111渗透系数渗透系数cm/s7.710-32.2 10-22.2 10-22.3 10-23.3 10-23.8 10-25.7 10-27.2 10-28.
15、7 10-29.4 10-2露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究不均匀系数不同时的渗透系数实验结果不均匀系数不同时的渗透系数实验结果土样编号土样编号12345678910干密度干密度g/cm31.861.861.861.861.861.861.861.861.861.86不均匀系数不均匀系数42.335.328.923.11813.59.76.53.92.9曲率系数曲率系数2222222222渗透系数渗透系数cm/s6.710-24.510-22.810-22.410-22.310-22.110-21.910-2110-29.610-38.810-3露天转地下开采覆盖层安全
16、结构和边坡变形动力冲击与控制研究不同曲率系数时渗透实验结果不同曲率系数时渗透实验结果土样编号土样编号12345678910干密度干密度g/cm31.951.951.951.951.951.951.951.951.951.95不均匀系数不均匀系数20202020202020202020曲率系数曲率系数0.10.30.50.81.11.522.63.23.9渗透系数渗透系数cm/s3.110-36.410-36.410-36.710-36.910-31.310-21.210-21.010-21.610-21.610-2露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层的窜风特性覆盖层
17、的窜风特性l实验室模拟实验实验室模拟实验为为了了研研究究分分析析覆覆盖盖层层的的漏漏风风参参数数及及其其影影响响因因素素，并并进进行行了了7 7种种不不同同孔孔隙隙率率条条件件下的漏风实验。下的漏风实验。 露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层的窜风特性覆盖层的窜风特性l实验结果分析实验结果分析漏风系数与覆盖层厚度的关系漏风系数与覆盖层厚度的关系 漏风系数与覆盖层厚度间满足指数关系，随着覆盖层厚漏风系数与覆盖层厚度间满足指数关系，随着覆盖层厚度的增加和孔隙率的降低，曲线下降的速度加快，矿井的漏风度的增加和孔隙率的降低，曲线下降的速度加快，矿井的漏风量逐渐减小。量逐渐减
18、小。覆盖层厚度m漏风系数漏风系数覆盖层厚度m漏风系数与覆盖层厚度关系图（孔隙率38.5%） 漏风系数与覆盖层厚度关系图（孔隙率31.77%）露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究漏风量与覆盖层厚度的关系漏风量与覆盖层厚度的关系 覆盖层厚度与漏风量的关系（孔隙率31.77%）漏风量，l/s覆盖层厚度，m覆盖层厚度与漏风量的关系（孔隙率38.5%）漏风量，l/s覆盖层厚度，m露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究不同孔隙率下的最小覆盖层厚度不同孔隙率下的最小覆盖层厚度通过对实验数据的线性拟合，得出了不同孔隙率下为通过对实验数据的线性拟合，得出了不同孔隙率下为防窜
19、风所需的最小覆盖层厚度。防窜风所需的最小覆盖层厚度。孔隙率孔隙率最小覆盖层厚度最小覆盖层厚度孔隙率孔隙率最小覆盖层厚度最小覆盖层厚度38.54%197m23.7%30.25m31.77%101m21.35%15.83m27.99%55.13m20.25%5.57m露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响计算模型和边界条件计算模型和边界条件 计算程序：计算程序：FLUENTFLUENT用于计算流体流动和传热问题的用于计算流体流动和传热问题的基于有限元方法的基于有限元方法的CFDCFD软件。软件。数值计算实体模型数值计算实体模型有限元数
20、值计算模型有限元数值计算模型 覆盖层漏风量的数值分析覆盖层漏风量的数值分析露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响计算结果计算结果不同孔隙比和覆盖层厚度条件下的漏风平均风速（不同孔隙比和覆盖层厚度条件下的漏风平均风速（m/s）覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率孔隙率 （%）21.423.728.031.835.938.5200.1120.1130.1150.1180.1200.124300.09670.0972 0.09750.09760.09790.0983 400.05330.05340.05360.05390.05410.054
21、6500.01630.01660.01670.01730.01760.0182露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究覆盖层漏风对井下温度的影响覆盖层漏风对井下温度的影响 矿山进路断面为矿山进路断面为18m，则根据上表中数据可得到不同孔，则根据上表中数据可得到不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量。隙率条件下覆盖层的漏风风量。不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量不同孔隙率条件下覆盖层的漏风风量 （m/s）覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率孔隙率 （%）21.423.728.031.835.938.5202.022.032.072.122.162.23301.741.751.761.761.
22、761.77400.960.960.960.970.970.98500.290.300.300.310.320.33露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层厚度对防寒的影响覆盖层厚度对防寒的影响 杏山铁矿杏山铁矿-30-30-45m-45m分段运输巷道井下空气温度为分段运输巷道井下空气温度为77，渗入冷风后在进路与运输巷道交叉处的温度见下表。渗入冷风后在进路与运输巷道交叉处的温度见下表。 当覆盖层厚度达到当覆盖层厚度达到40m以上时，渗漏进入井下的冷风对井以上时，渗漏进入井下的冷风对井下的空气温度影响比较轻微。下的空气温度影响比较轻微。 覆盖层厚度覆盖层厚度（m）孔隙率
23、孔隙率 （%）21.423.728.031.835.938.5205.515.505.485.445.415.36305.715.705.705.705.695.69406.276.276.276.276.266.26506.776.776.776.766.766.77不同孔隙率条件下覆盖层漏风对井下温度影响（不同孔隙率条件下覆盖层漏风对井下温度影响（ ）露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u预防井下泥石流灾害研究预防井下泥石流灾害研究l泥石流发生的条件泥石流发生的条件 对于采用崩落采矿法的露天转地下矿山，极易满足井对于采用崩落采矿法的露天转地下矿山，极易满足井下泥石流发生
24、的三个基本条件。下泥石流发生的三个基本条件。露天覆盖层露天覆盖层露天边坡冲积物露天边坡冲积物有大量固体物质，即粘有大量固体物质，即粘性土和岩石碎屑的存在性土和岩石碎屑的存在露天坑底第一分段露天坑底第一分段的回采即与露天覆的回采即与露天覆盖层充分联通盖层充分联通降（暴）雨短时间降（暴）雨短时间内露天采坑汇集大内露天采坑汇集大量降水、分段出矿量降水、分段出矿存在能让泥石流流动的存在能让泥石流流动的通道通道短时内补给充足的水源短时内补给充足的水源及诱发因素，如持续降及诱发因素，如持续降雨、采矿活动等雨、采矿活动等露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u预防井下泥石流灾害研究预防井下
25、泥石流灾害研究l预防泥石流发生的关键技术措施预防泥石流发生的关键技术措施 要预防井下泥石流的发生，需要抑制、消除泥石要预防井下泥石流的发生，需要抑制、消除泥石流发生的必要条件，对露天转地下矿山而言，可采取的流发生的必要条件，对露天转地下矿山而言，可采取的措施如下：措施如下：减少覆盖层中可能产生减少覆盖层中可能产生泥石流的固体物质泥石流的固体物质与覆盖层功用矛盾，工程实与覆盖层功用矛盾，工程实现比较困难现比较困难和采矿方法有冲突和采矿方法有冲突减少、消除泥石流产生减少、消除泥石流产生的通道的通道减少、消除覆盖层中的减少、消除覆盖层中的补水能力，降低水渗透补水能力，降低水渗透压力压力可以通过增加覆
26、盖层和井下可以通过增加覆盖层和井下的疏水通道达到目的的疏水通道达到目的露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层安全结构和合理厚度的确定覆盖层安全结构和合理厚度的确定 整整体体下下移移层层的的结结构构由由粗粗料料和和细细料料两两部部分分组组成成，颗颗粒粒粒粒径径大大于于等等于于5mm的的粗粗颗颗粒粒占占体体积积比比为为60%70% ；颗颗粒粒粒粒径径小小于于5mm的的细细颗颗粒粒占占体体积积比比为为30%40% 。细细料料的的渗渗透透系系数数控控制为制为10-4m/s左右，整体下移层的厚度大于左右，整体下移层的厚度大于20m 。 流动层的主要粒度构成在流动层的主要粒度构成
27、在300mm300mm500mm500mm之间。之间。 流动层的厚度和地下崩落采矿法的分段高度有关，其最流动层的厚度和地下崩落采矿法的分段高度有关，其最小厚度大于小厚度大于1.51.5倍的分段高度。倍的分段高度。整体下移层结构及厚度的确定整体下移层结构及厚度的确定流动层结构及厚度的确定流动层结构及厚度的确定露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u覆盖层安全结构和合理厚度的确定覆盖层安全结构和合理厚度的确定 覆盖层的总厚度由整体下移层厚度和流动层厚度两覆盖层的总厚度由整体下移层厚度和流动层厚度两部分组成，等于整体下移层厚度与流动层厚度相加之和。部分组成，等于整体下移层厚度与流动
28、层厚度相加之和。 覆盖层的总厚度覆盖层的总厚度整体下移层矿石层流动层H1H2H3露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 杏杏山山铁铁矿矿覆覆盖盖层层的的总总厚厚度度为为50m，分分两两层层铺铺设设，上上部部是是整整体体下下移移层层厚厚度度约约20m，下下部部是是和和矿矿石石层层接接触触的的流流动动层层，约约30m。整整体体下下移移层层主主要要起起防防止止通通风风漏漏风风、防防寒寒和和迟迟滞滞水水渗渗透透的的作作用用，粒粒度度结结构构较较细细；流流动动层层和和矿矿石石层层接接触触，主主要要起起防防止止矿石放矿过程中过早贫化的作用，粒度结构较粗。矿石放矿过程中过早贫化的作用，粒度
29、结构较粗。 实实际际回回填填时时，在在露露天天坑坑+10 m平平台台进进行行汽汽车车高高台台阶阶矿矿岩岩散散体体的的排排放放，排排放放高高度度可可以以满满足足矿矿岩岩自自然然分分级级高高度度的的要要求求。该该方方法法简简化化了了回回填填工工艺艺，缩缩短短了了回回填填周周期期，降降低低了了成成本本，更更有利于矿山控制基建时间。有利于矿山控制基建时间。露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究三、露天转地下开采边坡和地下岩体变形三、露天转地下开采边坡和地下岩体变形破坏的演化特征及其控制研究破坏的演化特征及其控制研究l详细调查了矿区地质构造，矿体地质特征、水文地质详细调查了矿区地质构造
30、，矿体地质特征、水文地质条件等。条件等。l矿体围岩稳定性及采场的灾害特性调查与分析。矿体围岩稳定性及采场的灾害特性调查与分析。l矿区矿区4 4个水平个水平8 8个点的补充地应力测量。个点的补充地应力测量。工程地质环境及围岩稳定性条件工程地质环境及围岩稳定性条件露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u工程地质环境及围岩稳定性条件工程地质环境及围岩稳定性条件地应力计算结果地应力计算结果 1 2 3测点号测点号深度深度(m)数值数值方向方向倾角倾角数值数值方向方向倾角倾角数值数值方向方向倾角倾角(Mpa)( )( )(MPa)( )( )(MPa)( )( )1605.02-821
31、02.86-1723.51.99-128-7521658.61-92-65.74-101784.74175-831658.08-88-65.74-90734.74178-104406.87-93165.28177-0.91.48-100-805708.74105-2.05.73-16562.86-145-84616010.623057.28-60154.9614370733015.35-78-98.99-109848.59-178-2833014.12100-12.99.1840708.5810-15露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究杏山铁矿矿区地应力场主应力随深度回归曲
32、线杏山铁矿矿区地应力场主应力随深度回归曲线杏山铁矿杏山铁矿h,max，h,min，和，和v与深度的关系与深度的关系应力值(MPa) 深度(m)露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究l 根据岩体结构特征、岩体不连续面特征、边坡特征、地下矿体赋存特征，结构面与边坡面的组合切割关系及地下矿体开采影响程度的不同，对露天矿边坡分为四个分区，分析得出、区最不稳定。边坡地质分区图边坡地质分区图露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究l选选择择贯贯穿穿、
33、两两区区最最不不稳稳定定区区域域的的B11B11剖剖面面为为相相似实验剖面建立了实验模型。似实验剖面建立了实验模型。模型的平面位置图模型的平面位置图模型剖面图模型剖面图露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究l模拟实验装置和应力应变监测系统模拟实验装置和应力应变监测系统u露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究应变监测：应变监测：DH-3816DH-3816静态应静态应变测试系统变测试系统( (全智能化巡回全智能化巡回数据采集系统）数据采集系统）应力监测：应力监测：ZYJ-25ZYJ-25型钻孔型钻孔应力计应力计失稳破坏过程监测：自动失稳破坏过程监测：自动连
34、续数码摄像连续数码摄像应力监测系统应力监测系统露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 露露天天转转地地下下开开采采后后，由由于于地地下下矿矿体体的的开开采采打打破破了了上上部部边边坡坡岩岩体体的的应应力力平平衡衡状状态态。引引起起边边坡坡岩岩体体内内部部应应力力的的不不断断调调整整，出出现现局局部部应应力力集集中中，当当应应力力集集中中超超过过岩岩体体强强度度极极限限或或超超过过边边坡坡岩岩体体稳稳定定性性能能量量极极限限时时便便发发生生破破坏坏。其其破破坏坏是一个渐进的、不断扩大的过程：是一个渐进的、不断扩大的过程： 局局部部裂裂隙隙发发生生、发发展展裂裂隙隙贯贯通通边边坡
35、坡切切割割、破破坏坏体体滑滑移移、塌塌落落成成为为新新的的覆覆盖盖层层的的一一部部分分，并并对对地地下下开开采采形形成成冲冲击击新新一一步步地地下下开开采采引引起起新新一一轮轮边边坡坡失失稳稳和和冲冲击击破破坏。坏。露天转地下开采物理模拟实验研究露天转地下开采物理模拟实验研究边坡失稳破坏过程边坡失稳破坏过程露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 露天转地下开采的第一阶段，地下开采对坡体的露天转地下开采的第一阶段，地下开采对坡体的切割作用较小，坡体的剪切破坏范围较小。切割作用较小，坡体的剪切破坏范围较小。-60水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态露天转地下开采覆盖层安全
36、结构和边坡变形动力冲击与控制研究 边边坡坡岩岩体体破破坏坏形形式式主主要要是是受受断断层层切切割割部部分分的的岩岩体体沿沿断断层层发发生生了了滑滑移移，使使得得断断层层由由局局部部活活化化转转化化为为全全部部活活化化，对地下开采造成一定的动力冲击影响。对地下开采造成一定的动力冲击影响。z/m-90水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 随随着着矿矿体体开开采采向向深深部部延延深深，边边坡坡上上下下盘盘受受开开采采影影响响垮垮落落的的岩岩体体不不断断下下移移，并并在在下下移移过过程程中中不不断断破破碎碎，对对坡坡脚脚的的切切割割程程度
37、度加加剧剧，对对上上下下盘盘边边坡坡岩岩体体的的破破坏坏累累积积效效应应不不断断积积累累，在在上上下下盘盘边边坡坡岩岩体体更更高高处处出出现现了了向向采采空空区区方方向向发发展展的的裂裂隙隙，且且上上盘盘裂裂隙张开度较下盘裂隙的张开度大。隙张开度较下盘裂隙的张开度大。-135m水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 上上盘盘边边坡坡岩岩体体浅浅表表层层破破坏坏比比较较严严重重。采采空空区区处处的的上上盘盘岩岩体体破破坏坏向向深深部部发发展展，出出现现了了第第二二次次滑滑移移，再再次次发发生生对对地地下下开开采采的的冲冲击击影影响响。
38、上上盘盘坡坡体体裂裂隙隙不不断断向向岩岩体体深深部部发发展展，一一定定深深度度范范围围内内变变形形已已超超出出了了允允许许极极限限并并发发生生局局部部变变形形破破坏坏，同同时也是边坡岩体下一次动力冲击的蓄能过程。时也是边坡岩体下一次动力冲击的蓄能过程。-165水平开采边坡破坏形态水平开采边坡破坏形态z/m露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究-210水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态z/m-255水平开采后边坡破坏形态水平开采后边坡破坏形态露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究边坡变形动力冲击演化机理边坡变形动力冲击演化机理(a) 首次动力冲击孕育
39、阶段首次动力冲击孕育阶段(b) 首次动力冲击首次动力冲击(c) 循环动力冲击孕育阶段循环动力冲击孕育阶段(d) 循环动力冲击循环动力冲击坡体裂隙孕育发展矿体采出覆盖层下移坡体被切割部分滑移产生动力冲击影响上部微裂隙发展上部微裂隙发展矿体采出覆盖层继续下移坡体滑移岩体随着开采再次发生动力冲击影响覆盖层随着开采继续下移坡体深部裂隙的再次孕育发展坡体滑落后形成的覆盖层随着开采继续下移露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究在在地地下下矿矿体体的的初初始始开开采采阶阶段段，覆覆盖盖层层随随着着矿矿体体的的采采出出而而下下移移。随随着着开开采采的的进进行行边边坡坡岩岩体体中中变变形形能能
40、不不断断积积累累，微微裂裂隙隙不不断断发发展展扩扩张张，当当开开采采到到某某一一深深度度时时，积积储储的的变变形形能能突突然然释释放放导导致致原原有有微微裂裂隙隙的的迅迅速速扩扩张张贯贯通通，从从而而使使大大块块的的滑滑移移体体向向下下运运动动冲冲向向采采场场，造造成成了了采场的动力冲击灾害。采场的动力冲击灾害。首首次次动动力力冲冲击击发发生生后后矿矿体体继继续续向向下下开开采采，边边坡坡岩岩体体又又进进入入下下一一次次的的变变形形蓄蓄能能阶阶段段，随随着着矿矿体体继继续续开开采采又又进进入入下下一一次次变变形形能能积积累累与与损损伤伤微微裂裂隙隙发发展展扩扩张张过过程程，当当继继续续开开采采
41、一一定定深深度度时时，累累积积的的变变形形能又突然释放，大块坡体再次滑移形成又一次动力冲击影响。能又突然释放，大块坡体再次滑移形成又一次动力冲击影响。在在矿矿体体的的向向下下开开采采过过程程中中会会反反复复出出现现上上述述现现象象，形形成成循循环环动动力力冲冲击影响，不断威胁着矿山的安全生产。击影响，不断威胁着矿山的安全生产。边坡变形动力冲击演化机理边坡变形动力冲击演化机理露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 在地下矿体的开采过程中，在地下矿体的开采过程中，由于矿体采出，覆盖层下移，打由于矿体采出，覆盖层下移，打破了原有露天矿边坡应力平衡状破了原有露天矿边坡应力平衡状态应力
42、不断调整，并会导致循环态应力不断调整，并会导致循环动力冲击灾害。动力冲击灾害。 为了改善边坡岩体的平为了改善边坡岩体的平衡状态，必须在开采的过程中利衡状态，必须在开采的过程中利用开采废石等不断回填覆盖层下用开采废石等不断回填覆盖层下移形成的空间，保持覆盖层的顶移形成的空间，保持覆盖层的顶部标高不变部标高不变( (如右图所示如右图所示) )，以增，以增强对边坡岩体的支撑防止坡体突强对边坡岩体的支撑防止坡体突然的大范围滑移。然的大范围滑移。循环动力冲击控制措施循环动力冲击控制措施动力冲击控制措施动力冲击控制措施为了防止循环动力冲击影响保持覆盖层顶部标高不变露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力
43、冲击与控制研究u露天转地下边坡变形、破坏特征及其稳定性数值模拟露天转地下边坡变形、破坏特征及其稳定性数值模拟l露天转地下边坡岩体变形规律l露天转地下边坡应力变化规律l露天转地下边坡破坏场特征u边坡及岩层变形实时监测与预测预报技术边坡及岩层变形实时监测与预测预报技术l监测网布置l实时监测数据l基于支持向量机的边坡变形评价与预测u露天转地下开采地压监测与围岩稳定性分析研究露天转地下开采地压监测与围岩稳定性分析研究l巷道表面位移测量l巷道围岩深部位移测量l巷道围岩应力监测l地下围岩破坏和失稳声发射监测露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究四、结语四、结语 本本项项目目以以首首钢钢杏
44、杏山山铁铁矿矿为为依依托托工工程程，对对金金属属矿矿露露天天转转地地下下开采开采5个方面的关键技术进行了系统研究。个方面的关键技术进行了系统研究。 （1）确确定定了了杏杏山山铁铁矿矿露露天天转转地地下下开开采采的的最最佳佳过过渡渡方方案案，实实现现了了露露天天转转地地下下开开采采采采矿矿方方法法和和工工艺艺及及产产量量的的合合理理衔衔接接，完完成成了了露露天天转转地地下下的的不不停停产产平平稳稳过过渡渡，保保持持了了矿矿山山生生产产规规模模和和效效益益的稳定与适度增长。的稳定与适度增长。 （2）发发现现了了露露天天转转地地下下覆覆盖盖层层随随地地下下采采矿矿获获得得呈呈分分层层特特性性的的规规
45、律律，提提出出了了覆覆盖盖层层的的分分层层结结构构及及满满足足其其功功能能需需求求的的合合理理厚厚度度的的确确定定方方法法；并并根根据据散散体体溜溜放放自自然然分分级级特特性性，提提出出了了形形成成覆覆盖层的新方法。盖层的新方法。露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 （3）通通过过相相似似模模拟拟试试验验、现现场场监监测测和和数数值值模模拟拟，揭揭示示了了边边坡坡和和地地下下岩岩体体变变形形破破坏坏的的演演化化特特征征及及地地下下开开采采导导致致循循环环动动力力冲冲击击灾灾害害的的机机理理，提提出出了了回回填填废废石石保保持持覆覆盖盖层层标标高高等等预预防防动力冲击灾害和控
46、制采场地压的技术。动力冲击灾害和控制采场地压的技术。 （4）提提出出了了适适合合于于露露天天转转地地下下开开采采的的成成套套安安全全高高效效开开采采技技术术；基基于于杏杏山山铁铁矿矿的的开开采采技技术术条条件件，建建成成了了露露天天与与地地下下共共用用的的开开拓拓运运输输系系统统；通通过过工工业业试试验验，优优化化了了无无底底柱柱分分段段崩崩落落法结构参数，取得了良好的技术、经济指标。法结构参数，取得了良好的技术、经济指标。四、结语四、结语露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究 （5）在在杏杏山山铁铁矿矿建建立立了了露露天天转转地地下下开开采采安安全全生生产产综综合合技技术术系系统统和和基基于于GIS的的安安全全生生产产管管理理信信息息系系统统，实实现现安安全全生生产产与与管管理理的的信信息息化化、自自动动化化，为为矿矿山山的的安安全全高高效效开开采采提提供了重要保证条件。供了重要保证条件。 杏杏山山铁铁矿矿转转地地下下开开采采后后，生生产产规规模模为为320万万吨吨/年年，2012年年达达产产。与与露露天天开开采采100万万吨吨/年年的的生生产产规规模模相相比比，生生产产能能力和效益都得到大幅度提升。力和效益都得到大幅度提升。四、结语四、结语露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究谢 谢露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究
