露天地下联合开采的相互影响研究

《露天地下联合开采的相互影响研究》论文发表期刊：《矿业研究与开发》；发表周期：2021年08期

《露天地下联合开采的相互影响研究》论文作者信息：李再扬（1968—），男，贵州余庆人，主要从事矿山建设、生产运行、技术管理等方面的工作

　　摘要：利用数值模拟技术，对地下开采与露天开采的相互影响进行了研究，模拟分析了露天边坡开挖爆破对地下采场的影响、地下采空区和地下开采爆破对露天边坡稳定性的影响。结果表明，针对不同的工况采取不同的安全技术措施，可实现露天开采和地下开采的安全生产。

　　关键词：露天地下联合开采;露天边坡;采空区;爆破振动;数值模拟

　　我国一部分露天矿山已经进入深凹开采状态，并将逐渐转为地下开采。在露天开采转为地下开采的过程中，不可避免的出现露天开采和地下开采同时进行的情况。按采矿界一般的认识，凡是同时进行露天和地下开采，统一安排露天和地下工程的施工，就可认为是露天-地下联合开采[。之前各研究单位把研究重点放在露天转地下的研究中，随着露天转地下矿山的不断增多，露天与地下联合开采矿山的安全性问题已引起国内外研究者的关注，逐渐成为国内外研究的焦点[2]。地下开采形成的采空区会对露天采剥造成一定的安全隐患;露天边坡在不同开采距离上其下沉降和变形是不同的，开采长度越大，地表沉降和变形越大[]。同时，露天采剥的过程中，凿眼、爆破等工作产生的振动，影响地下开采的正常进行[4]。本文以某磷矿为例，利用数值模拟技术研究地下开采与露天开采的相互影响。根据矿区地势形态，选择剖面线所在的剖面为研究对象，建立三维数值模型，对露天地下联合开采可能带来的矿房矿柱稳定性问题进行模拟分析[5]，分析最危险工况条件下，地下开采形成的采空区及地下开采爆破对露天边坡稳定的影响[6-8]，并提出有效的应对措施实现露天开采和地下开采的安全生产。

　　1概述

　　某磷矿山设计露天开采的服务年限为26a，之后将转为地下开采。原设计中要求露天开采结束前5~8a进行露天转地下开采准备，露天坑底部标高996~700m。为了保护地下采场安全，设计预留20~30m厚度的露天-地下隔离矿柱，见图1。在过渡期间，露天开采与地下开采同时进行，从而增加了过渡期开采的复杂性，如何结合矿山的特点合理地解决过渡期的安全和技术问题，维持矿山生产能力，是过渡方案选择、制定的关键所在[0。

　　露天转地下开采过渡期的关键问题是采矿方法及生产安全[0。隔离柱的作用主要是保证地下开采作业的安全[1。矿山拟利用充填采矿技术提前对预留隔离矿柱进行回收，提高资源利用的水平和效率。提前开采露天边帮压覆的隔离矿柱，可实现地下开采与露天开采的同步下降，露天边坡高度小，提高露天开采作业和地下开采作业安全性。通过合理安排露天和地下开采顺序，可避免在露天高边坡下进行地下开采活动，降低安全风险。

　　2露天开挖对地下工程的影响

　　露天边坡剥离大爆破对地下开采工程产生影响是最危险的工况，地下空区矿柱在爆破动荷载的冲击下能否保持稳定是需要重点关注的问题[12]。根据矿区地势形态，选择各剖面线所在的剖面为研究对象，建立三维数值模型，结合矿山工程地质条件，对工程力学参数进行折减，为数值模拟计算提供参数。

　　露天边坡开挖对地下工程影响的最危险工况见表1。

　　随着露天开采水平的下降，露天开采与地下开采的隔离矿柱层的厚度减小，势必影响地下开采巷道或硐室的稳定性，给矿山生产安全造成威胁[1。根据18线勘探图，边坡开挖至1095m水平时，边坡爆破地点至回风巷道的水平距离约20.0m，高程约10.0m，见图2。露天边坡爆破产生的爆破应力波由白云岩传播至标高为1080m的回风巷，对回风巷的影响较大。

　　边坡爆破开挖为深孔爆破，根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)要求，回风巷振动速度阈值取15cm/s。设计3个药包，每个药包为500kg(模拟边坡深孔爆破最大段药量)，设置一定间隔时间来模拟3个边坡爆破。数值模拟计算得出的回风巷道爆破振动峰值速度见表2。

　　根据监测数据与《爆破安全规程》(GB6722—2014)的要求，以5m为基数逐渐加大爆破规模，计算出最大段药量与爆源距的关系，露天边坡爆破控制的最大段药量见表3。

　　3地下开采对露天边坡稳定性的影响

　　3.1边坡稳定条件下的采场结构参数

　　在露天地下联合采矿时，地下采空区对露天边坡的稳定性有较大的影响[14]。综合考虑露天开采和地下开采对边坡稳定性的影响，将露天采区和地下采区作为一个系统来考虑，对维护边坡的稳定性是十分重要的[15]。境界顶柱和采场结构参数设置关系到露天和地下联合开采矿山的安全和资源回收率，科学设置采场结构参数具有重要的工程价值[16]。

　　该矿对地下采空区进行充填，由充填体代替采空区的原岩，导致位于地下采场上方的边坡岩土体内聚力及内摩擦角出现不同程度下降，对边坡的稳定性产生影响。选取最危险的工况进行数值模拟计算，见表4。

　　最危险的工况主要分布在18线、20线及21线，基于此建立了3个FLAC3D数值模拟模型。危险工况1选取18线剖面作为研究对象，该区域边坡稳定性最危险工况出现在地表边坡全部开挖完成、地下充填体区域最大，且地下采空区的暴露面积达到最大时。根据初始的数值模拟计算模型，通过数值模拟不断计算，得到：当充填体强度为2MPa，地下开采的暴露面积为1500m2时，边坡稳定性安全系数为1.52。

　　数值模拟计算过程中设置数值模拟计算的终止条件为最大不平衡比率小于1e-5，数值模拟计算中采用的力学模型为摩尔库伦模型。

　　通过数值模拟计算可以发现，边坡及采空区暴露区域出现少量的拉破坏及剪切破坏，整体塑性区域较小，模型表现出较好的整体稳定性。

　　按照上述方法分别对8种工况条件下的安全系数进行计算，结果见表5。

　　3.2地下采矿爆破对露天边坡稳定性的影响

　　根据开采进度计划，当边坡延伸至1044m水平时，地下开采对露天边坡影响最大。为分析地下开采爆破安全距离内对露天边坡的影响，根据工况与地质资料参数，设计3个药包，每个药包为60kg，药包距边坡为38.3m，对3个药包设计一定的爆破间隔时间，模拟3次循环爆破。根据监测点振动波形，分析出的监测点振动速度，见表6。

　　根据表6中数据和理论公式计算，可推算出地下采场爆破的最大段药量与爆源距之间的关系，见表7。

　　4结论

　　根据上述研究，露天开采施工对地下开采的影响主要体现在露天边坡爆破。边坡爆破过程中，接近最终边坡47m范围时，应采用逐孔微差起爆技术，严格控制最大段药量，各段间微差延时50ms以上，最大段药量不超过511.21kg。

　　地下采矿对露天边坡稳定性影响的主要因素为井下爆破和采空区暴露面积。地下采场爆源与边坡距离为63～90m时，最大段药量应不超过178.9～501.1kg，且地下采空区的暴露面积不超过750m2;当采场爆源与边坡距离大于90m时，最大段药量应不超过500kg，且地下采空区的暴露面积不超过1500m2。

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　　Abstract: The interaction between underground mining and operrpit mining was studied by numerical simulation technology The influence of excavation blasting of open-pit slope on underground stope and the influence of underground goaf and underground mining blasting on the stability of open-pit slope were simulated and analyzed. The results show that different safety technical measures for different working conditions can realize the safe production in operpit mining and underground mining.

　　Key words: Operpit and underground combined mining, Openrpit slope, Minedout area, Blasting vibration. Numerica simulation