1、1图 3.6.1 露天和地下开采在空间上的结合3.6 露天与地下联合开采本章提要 介绍露天与地下联合开采的定义和分类，矿床联合开采的特点,重点介绍露天转地下开采的开拓系统、露天与地下开采的相互影响、过渡期地下回采方案及过渡期限、露天矿无剥离开采与残留矿体开采；介绍露天与地下同时联合开采的开拓方案与地下采矿方法，地下转露天开采的适用情况、开拓方案与地下采矿方法。3.6.1 露天与地下联合开采的分类与特点露天与地下联合开采是指在同一矿体范围内，既有露天开采又有地下开采。3.6.1.1 露天与地下联合开采分类的依据根据采矿工作在时间和空间上不同的结合方式进行分类。(1) 时间上的结合露天和地下采矿工
2、作在时间上的结合程度可以用时间结合系数 kt表示，它是露天和地下同时生产的时间 ts与矿床开采的总时间 T 之比，即 kt=ts /T。根据露天与地下采矿工作在时间上的结合程度，联合开采可分为三类：露天与地下采矿工作同时进行。自始至终是同时进行的，此时 kt=1。采矿工作部分同时进行。露天和地下的采矿工作中有一项先开始，然后同时进行，0k tl。露天和地下采矿工作顺序进行。kt值等于 0 或接近于 0。因为在露天结束和地下开始阶段，可以利用联合开采的工艺特点，例如露天矿下部几个台阶的矿岩可以通过地下开拓巷道运出，可以利用地下崩落区堆放露天剥离的废石等，所以也属于联合采矿。此外，露天和地下过渡时
3、间一般都不少于 35 年，所以通常 kt0。(2) 空间上的结合采矿工作在空间上的结合程度用空间结合系数表示，它是露天和地下同时开采的矿床面积 Ss与矿床开采总面积Sa之比，即 ks=Ss/Sa。图 3.6.1 中 lo和 lu 分别为露天边界2内和地下井田内矿床的平均长度。假设矿床沿走向全长的厚度相同，那么 ks就等于露天与地下同时开采的总长度与矿床总长度之比。按露天和地下采矿工作在空间上的结合程度，联合开采可分为三类：露天和地下开采在垂直面上在矿床全面积上进行。如图 3.6.1(a)所示，此时露天开采面积 So等于地下开采面积 Su，它们各自等于矿床开采面积 Sa。因此，空间结合系数 ks
4、=2，为最大值。这种情况给露天和地下的开拓系统和采矿工艺的密切联系提供了有利的条件。露天和地下开采在水平面上独立进行。如图 3.6.1(b)所示，这种情况下 ks=Ss/Sa=(So+ Su)/ Sa 1。在露天和地下开采的交界处，相互影响是很大的，整个矿床的开拓、采准、疏干、通风和其他工艺都可能有密切的联系。露天和地下开采在水平面和垂直面上同时进行。如图 3.6.1(c)所示，在矿床的部分区段两种开采工作在水平面上和垂直面上同时进行。此时 1ks2。两种采矿工作之间可能出现比较复杂的相互影响与联系。3.6.1.2 露天与地下联合开采的分类根据露天和地下开采在时间上和空间上结合方式的不同，通常
5、把联合开采分为： （1）露天与地下同时联合开采。从设计开始就安排露天和地下同时开采。 （2）露天转地下开采。先用露天方法开采矿床的上部，然后过渡到用地下方法开采矿床的下部。 （3）地下转露天开采。先用地下方法开采矿床，然后过渡到用露天方法开采矿床。3.6.1.3 矿床联合开采的特点无论是露天开采或地下开采，都具有其独特的工艺特点。当矿床适合于采用露天和地下联合开采时，就应该充分利用这些工艺特点，以提高露天和地下开采的技术经济指标。联合开采工艺系统的核心是在开采工作按一定顺序进行时，必须尽量考虑矿床的特点，选择露天和地下的联合开拓系统，露天和地下相互联系的开采工艺系统，共用地面辅助生产设施和生活
6、福利设施，以提高矿山的经济效益。露天和地下联合开拓的主要特点是最大限度地赋予地下巷道多种用途。深部露天矿开采的趋势是广泛利用地下巷道进行运输。根据开拓和采矿在工艺上互相联系程度的不同，可把露天与地下联合开采的矿山分为三种类型：(1) 紧密联系露天与地下在开拓和开采工艺上相互紧密联系。例如露天与地下的矿岩都通过地下井巷运出，这种情况下 1k s2。(2) 中等联系在开拓和开采工艺上只有部分区段是相互联系的。例如露天矿的部分矿石是通过井下巷道运出，或者地下部分矿石通过露天运输系统运出，这类矿山多数是 ks1 和 0k t1。(3) 间接联系露天和地下生产没有直接联系。例如露天只是利用地下巷道作为矿
7、床的疏干、通风和探矿3等，但在矿山的服务性与辅助生产设施方面仍有密切的联系。技术上可行的联合开采工艺系统有：:露天与地下联合使用地下巷道系统，露天矿利用地下巷道系统，地下矿石经露天运出，露天废石排入地下开采崩落区，各自独立的运输系统，用露天钻机回采露天坑底和边帮的矿石等。近几十年来，露天转地下开采在国内外矿山得到了广泛的应用。对于这类矿山，为了保持矿山产量的平衡，当露天开采向地下开采过渡时，在一段时间内露天与地下需同时进行开采作业，这是这类开采法的最复杂与最核心的技术问题，这与露天与地下同时联合开采的基本条件是大致相同的。地下转露天开采只是在特殊条件下偶然使用。对于急倾斜中厚以上的矿体，当矿体
8、延深较大而覆盖层较薄时，矿体的上部通常先采用露天开采，然后下部采用地下开采，整个开采过程称为露天转地下开采。在露天开采转为地下开采的过渡期，矿山由单一的露天开采转为露天与地下开采同时作业，必须充分采用各种技术与组织措施，减小过渡期对生产效率( 一般下降 1525) 的影响。当露天矿生产进入减产期后，地下开采系统应当基本形成，并逐步承担露天矿减产部分的产量，使矿山产量基本保持稳定。3.6.2 露天转地下开采3.6.2.1 露天转地下开采的开拓系统因为露天开拓系统已先期形成，露天转地下开采的开拓系统主要指地下开拓系统。应当强调的是，在设计地下开拓系统时，应尽可能地利用或结合露天开拓系统，以减少投资
9、。根据露天和地下采矿工艺联系的紧密程度，露天转地下开拓系统可分为:露天和地下独立开拓系统、局部联合开拓系统、联合开拓系统三种类型。(1) 露天和地下独立开拓系统在深部矿体储量大、服务时间长，或在露天开采深度大、露天采场的底平面狭窄、采场边坡稳定性差，难以保证井巷工程出口安全的情况下，地下开拓工程一般布置在露天采场之外，成为独立的开拓系统。它具有两套生产系统，相互干扰小，露天开采结束后无需继续维护边坡等优点。缺点是两套开拓系统的基建投资大，基建时间长。白银厂铜矿和冶山铁矿在 20 世纪 60 年代由于露采设备供应困难被迫提前转入地下开采时，曾采用这种开拓方式(图 3.6.2)。4国内外实践表明，
10、除在矿床地质与地形条件特殊的情况下采用外，一般很少采用这种开拓系统。（2）局部联合开拓系统倾斜或急倾斜矿床残留矿体(包括露天矿底柱和挂帮矿)的开采，通常利用地下开拓系统运至地面。例如我国的铜官山铜矿、风凰山铁矿和南非的科菲丰坦金刚石矿等。露天开采到设计境界后，下部矿体的储量不多，服务年限较短，通常自露天坑底的非工作帮掘进平硐、斜井或竖井形成地下矿体的开拓系统。如图 3.6.3 所示的平硐斜坡道开拓地下矿体的系统，矿石经露天开拓系统运到选厂，具有井巷工程量和基建投资少，投产快，可充分利用己建的露天开拓运输系统的优点。缺点是井巷施工与露天生产同步进行，干扰较大。图 3.6.2 白银厂露天转地下独立
11、开拓系统1西风井；2北风井；3扇风机房；4东风井；5主井；6副井；7露天矿5(3) 露天与地下联合开拓系统 露天坑内外联合开拓。在露天坑较低的台阶有足够空间的情况下，可以在坑内布置斜坡道或风井等辅助井巷，而把主井和主要运输巷道布置在坑外，如我国的风凰山铁矿(图 3.6.4)和瑞典的 Kiruna 铁矿。优点是可以减少开拓量，达到提前见矿，保持矿石产量稳定。共用地下井巷运输的联合开拓。露天和地下开采的矿石都从地下井巷运出。如图 3.6.5所示，露天采用斜井和石门开拓，地下采用盲竖井开拓。露天采下的矿石用汽车经石门运到斜井，用斜井的箕斗运到地面，运输线路的长度比用汽车运输缩短了一半，降低了运输费用
12、。这种方案的优点是:露天矿开拓运输系统简单、线路短，在露天开采深度大于 100150m 时，利用石门斜井开拓可使运距缩短 5060，大大降低了运输费用；可加大露天矿最终边坡角，减少剥离量和基建投资；可利用地下巷道排水和疏干矿床，改善露天矿的生产条件；可缩短露天转地下开采的过渡期，能较快达到地采的设计生产能力。在确定开拓巷道的类型、形状、规格与具体位置时，应使其具有多种用途，避免受露天图 3.6.4 凤凰山铁矿露天坑内外联合开拓系统1主井；2副井；3风井；4矿房；5境界顶柱1露天边帮；2平硐；3斜坡道； 4溜井；5深孔；6装矿横巷图 3.6.3 局部联合开拓系统6生产爆破的影响。一段药量小于 l
13、0t 时，距爆源的地震安全距离为 100m。当露天矿采用地下运输的联合开拓系统时，在露天坑内设立破碎站，以减小矿岩块度，从而有效地控制井巷断面尺寸。4m 3斗容电铲装载矿岩的最大块度为 1.01.2m ，而目前国产坑内用矿车的容许矿岩块度一般小于 0.7m，竖井翻转式箕斗和底卸式箕斗的容许块度分别小于0.35m 和 0.25m，斜井箕斗容许块度小于 0.65m，斜井胶带运输机块度控制在 0.250.3m 以内。3.6.2.2 露天与地下开采的相互影响（1）露天开采对地下开采的影响露天开采对地下开采的影响集中表现在要求地下第一阶段矿块的采矿方法及其结构有利于安全生产。当地下开采选用空场采矿法时，
14、露天和地下开采可以在一个垂直面内同时作业，但要求在露天坑底部到地下采场顶部之间保留一定厚度的隔离顶柱。同时，对地下采场的暴露面积、间柱的强度、露天与地下爆破的规模等均须严格要求与控制。当地下开采选用崩落采矿法时，要求采区上部有一个安全缓冲垫层。（2）地下开采对露天开采的影响露天矿受地下开采影响的范围与程度，与露天和地下在时间、空间上的结合程度，以及地下采空区的状况等因素有关。如果露天的穿爆和装运工作是在未充填的空场法采空区的上方作业，确定露天与地下之间隔离顶柱的合理厚度就非常重要。为了保证作业安全而采取的综合措施，可能导致露天开采强度的下降，特别是在地下开采移动区内进行露天开采时，可能会严重影
15、响矿山的技术经济指标。图 3.6.5 共用地下井巷运输的联合开拓1露天最终边界；2斜井；3盲斜井；4石门；5竖井7若地下采空区的面积较大，围岩不够稳固或空区形成的时间较长，可能因岩层移动而在地面形成塌陷坑，呈漏斗形状，直径可达几米到几百米，深度为几米至几十米，漏斗壁倾角通常为 85 105。根据形成速度的不同，可分为崩塌型塌陷坑和岩移型塌陷坑。前者往往是在地表出现较大的变形以前，突然崩塌形成直壁塌陷坑。影响其形成的主要因素是岩石的物理力学性质、开采深度、矿体厚度、采空区的尺寸与形状、岩层的地质条件等，它多在开采深度不大的矿体回收顶柱和间柱时形成。岩移型塌陷坑形成的速度缓慢，通常是在开采急倾斜矿
16、体时，崩落带向上发展而形成的。影响其形成的主要因素是矿体倾角、矿体厚度，岩石的自然安息角、岩层的产状及其非均质性和各向异性，回采顺序、采空区位置及其上方崩落岩石的高度，顶柱和间柱的稳定性等。它的形成地点较难准确预测。统计资料表明，在平均采深与回采垂直高度之比不大于 15 时，就可能形成塌陷坑。崩落型塌陷坑的形成与发展可能给生产带来灾难性的影响。在地下开采影响区内进行露天开采，应采取以下必要的技术组织措施。设计时应采取的措施。应确定观测岩体变形的方法、确定地下采空区的位置与大小的方法，建立专门的机构或确定专人进行地压观测和安全检查。生产中保证露天安全作业的主要措施。a)加强地质与测量工作：根据钻
17、孔岩心和岩样试验，以及对岩体的调查与试验，进行岩体工程地质研究；编制露天和地下所有巷道、崩落区边界线、开采区段的地质构造特征、开采状况等测量资料，进行边坡和地下岩层的位移观测；通过钻孔的观测，确定采空区充填程度，并预测地下空洞的发展，查出可能突然发生崩落危险的区段等。b) 空洞处理与边坡整治：根据观测资料与预测，进行空洞处理设计，对露天安全生产有威胁的空洞应尽快消除；通常采用深孔微差爆破法或充填法处理空洞；进行边坡整治的局部设计并予以实施；全面检查露天作业的安全条件。c)降低爆破震动；编制合理的爆破作业图表，采取减震爆破技术措施，降低爆破地震波对露天矿底部的破坏作用。d)露天凿岩爆破的安全措施
18、：在编制地下开采影响区内的凿岩爆破设计时，必须在综合平面图、剖面图和垂直投影图上标出采空区的边界线、矿房顶底板的标高、井巷的位置、崩落区的边界线等；确定已采矿房顶板实际位置的主要方法是岩心钻探法。当需要从露天坑底向护顶柱钻凿垂直爆破深孔时，护顶柱安全厚度的经验数据如下：当矿房跨度在 l0m 以内时，护顶柱厚度不应小于矿房跨度的 2 倍；当矿房跨度大于 l0m 时，原则上不应小于 2.53 倍；在顶柱上进行生产凿岩前，应先确定顶柱的稳定状况；当护顶柱没有达到安全厚度或稳定性不好时，必须停止常规的凿岩爆破和铲装工作，改用轻型钻机在锚杆固定的平台上凿岩，钻工必须系安全绳。岩层移动区内的露天运输。地下
19、开采可能引起露天轨道路基下沉，出现拉伸或挤压变形，导致钢轨位移和轨道接头间隙发生变化，使线路的直线度受到破坏。铁路线路通常对纵向挤压变形的影响最敏感，地面坡度变化的影响次之。顿巴斯煤田通过观测结果确定铁路安全运行的地表变形最大值为：总下沉量 10001500mm,下沉速度 712mm/d；水平应变 (56)l0 -3mm/m；倾斜应变 (78) 10-3mm/m。8对固定线路和临时线路除按安全技术操作规程进行检查外，还要进行线路的水准测量，观测地表移动情况。根据变形情况及时进行维修，包括路基的修复和把钢轨的间隙调整到规定值等。3.6.2.3 过渡期地下回采方案及过渡期限（1）过渡期地下回采方案
20、这是指在露天转地下开采的过渡期间，地下开采第一阶段与露天坑底之间矿体的回采方案。留境界顶柱的分段留矿法方案。用分段留矿法在境界顶柱以下回采矿体时，应该在露天开采结束后进行。凤凰山铁矿的应用实例见图 3.6.6。在露天坑底保留 7l2m 厚的境界顶柱 13；顶柱以下的矿体划分为矿房和矿柱，用深孔留矿法回采矿房并暂留矿柱。在矿房回采过程中，放出30左右的崩落矿石。露天采矿作业结束后，用潜孔钻机从露天坑底向下凿岩，爆破境界顶柱，同时崩落一定数量的顶盘围岩形成覆盖层，在覆盖层下放出顶柱矿石和采场所有存留的矿石，下部矿体则用阶段崩落法回采。境界顶柱的安全厚度可用多种理论方法和数值方法计算。由于影响采场地
21、压的因素很多且极为复杂，因此，理论计算的结果一般仅供设计参考。在实践中，多数矿山仍参照类似矿山经验选取。顶柱厚度视矿岩的稳固性而异。矿岩稳固时，厚度一般为 l0m 左右，有的矿山按回采矿房跨度的一半取值；俄罗斯学者认为当矿岩的普氏系数为 512 时，境界顶柱的厚度必须等于或大于矿房的跨度，实际的顶柱厚度约为 1030m。境界顶柱的稳定性随采空区存在时间的增加及其面积的扩大而削弱，因此，缩短回采周期、减小采空区暴露面积，对增强境界顶柱的稳定性是十分重要的。图 3.6.6 凤凰山铁矿留境界顶柱的分段留矿法方案1脉外运输平巷；2脉内运输平巷；3运输横巷；4装矿巷道；5切割平巷；6电耙道；7人行天井；
22、8溜矿井；9凿岩天井；10回风道；11放顶天井；12放顶凿岩硐室；13境界顶柱9不留境界顶柱的分段空场法方案。金岭铁矿的应用实例(图 3.6.7)为不设境界顶柱，将分段空场法最上一个分段的高度适当加大，当露天采矿结束后，分区逐段回采第一分段。待矿房回采结束，在回收矿柱的同时，爆破一定数量的上盘围岩充填采空区，其余采空区的处理依赖上盘围岩的自然崩落。一般情况下，矿柱放矿 12 个月后，顶盘岩石逐渐冒落形成覆盖层，下部矿体采用崩落法回采。图 3.6.7 金岭铁矿不留境界顶柱的分段空场法方案1露天矿；2空场法最上分段；3矿房；4矿柱11梯段空场法方案。本方案成功地应用于南非科菲丰坦金刚石矿。矿体接近垂直，管状产出，岩管近似椭圆形，露天开采深度为 240m，下部转为地下开采。从露天坑底向下每隔 30m划分生产分段，在每个分段水平上，围绕岩管的边缘在围岩中开掘环形运输巷道(图 3.6.8)，从环形运输巷道向岩管开掘相互平行的凿岩巷道，其中心距为 1218m，在岩管中央开掘一条与凿岩巷道垂直的、宽 810m 的切割槽通达地表，形成分段扇形深孔崩矿的自由面和补偿空间。图 3.6.8 梯段空场法采准切割巷道布置1环形运输巷道；2凿岩巷道；3矿石溜井；4切割平巷；5切割天井；6切割槽
