金屬礦床露天轉地下過渡方式現狀及關鍵技術討論

張子祥 何榮興 許雁超 白桂秋

（1.河北鋼鐵集團礦業有限公司；2.東北大學資源與土木工程學院；3.河北鋼鐵集團礦業有限公司廟溝鐵礦）

露天開采具有建設與投產快、生產能力強、勞動效率高、開采成本和礦石損失貧化低、勞動條件好、作業安全等優點。因此，地表淺部的礦體，通常選用露天方式進行開采［1-2］。統計數據顯示，中國約90%的鐵礦石、近50%的有色金屬礦石都采用露天采礦［3］。但隨著露天開采深度的增加，生產剝采比逐漸增加，礦石開采成本、運輸成本及高陡邊坡滑坡風險不斷加大，而且礦石產能也逐漸減小，對于露天境界以之外的掛幫礦或深部礦體資源，應計劃轉為地下進行開采，在未來的10～15 a內，90%以上露天開采的礦山都將轉入地下開采。由于生產方式和開拓系統的轉變，在露天開采過程中進行掛幫礦或地下開拓、采準等基建工程建設，露天地下生產上相互干擾，安全條件差，管理復雜等問題，造成露天轉地下礦山產量銜接困難，大部分露天轉地下開采都是減產甚至停產過渡，嚴重影響了礦山企業經濟效益［4-5］。例如智利Chuquicamata 銅礦低產過渡12 a，產能降低50%～97%，國內某鐵礦低產過渡8 a，產能降低40%～90%。因此，研究露天轉地下生產銜接中存在問題和關鍵技術措施，對保證礦山穩產過渡具有重要意義。本文首先對國內外露天轉地下過渡方式和地下采礦方法各自存在問題和特點進行總結和分析，剖析目前露天轉地下過渡期的關鍵技術問題，并提出針對性的建議和措施，以期為國內露天礦山轉入地下開采提供借鑒及過渡期內的戰略布局提供理論支撐。

1 露天轉地下過渡方式

露天轉地下開采過渡期，是露天轉地下成功與否的關鍵期。露天、地下開采在不同程度上相互干擾，各自的生產能力都受限制，安全性也要低于單一開采模式，不同的開采模式具有不同的特點和局限性，每個礦山應該根據礦山的具體條件進行選擇和設計。目前主要的過渡方式有境界礦柱過渡方式、境界礦柱和覆蓋層的過渡方式、楔形過渡方式。

1.1 境界頂柱過渡方式

境界頂柱過渡方式是在露天開采最終境界留設一定厚度的礦體或人工構筑一定厚度的鋼筋混凝土作為隔離頂柱（即境界頂柱）［6-13］，把露天開采與地下開采的空間隔離，以便消除二者間的相互干擾，其過渡方式如圖1 所示。該過渡方式的關鍵點是合理確定境界頂柱厚度，留設厚度大，礦柱礦量回收難度大，造成礦量永久損失；厚度小，那么頂柱穩定性就差，不僅會造成部分礦量損失，而且起不到隔離的作用，還會存在頂柱突然坍塌冒頂的安全威脅。境界頂柱的理想厚度與采礦方法及礦巖力學性質密切相關，一般常采用理論計算、數值模擬和工程類比的方法來綜合確定。如石人溝鐵礦采用工程類比法和極限平衡解析方法，確定礦山的境界礦柱厚度為20 m［13］；山東黃金集團歸來莊金礦，基于理論計算、類比法和數值模擬聯合分析，最終確定其境界礦柱厚度最優值為10 m［14］。

采用隔離頂柱把露天采場與地下采場隔離，掛幫礦作業空間小，開采強度低，地下采礦法受保護礦柱限制效率低，雖然隔離頂柱回采困難，但是現場操作簡單，適用各類條件礦體，一般多用于井下選用空場法、充填法開采的礦山。

1.2 境界礦柱和覆蓋層過渡方式

大型金屬礦山露天轉地下經常將無底柱分段崩落法作為轉入地下開采的采礦方法，結合地下采礦方法的特點，部分礦山將露天境界外的掛幫礦體與露天開采同時進行，在開采掛幫礦上部留設傾斜的境界礦柱，露天坑底部不留境界礦柱，當露天開采達到坑底境界后，采用廢石回填、崩落邊坡圍巖或者在露天坑底部打深孔崩落礦石形成覆蓋層的方法進行過渡，即境界礦柱和覆蓋層過渡方式，如圖2所示。

境界礦柱和覆蓋層的露天轉地下過渡方式，取消回采難度較大的露天坑底部境界礦柱，在覆蓋層下面采用崩落法回采露天坑底部礦石，有利于快速增加地下產能。但在掛幫礦開采期間，境界礦柱隨掛幫礦回采，邊坡穩定性降低，威脅露天采場的生產安全。此外，露天開采到境界時，在安全形成覆蓋層后，才能用無底柱分段崩落法開采露天坑底下部礦體，因此，露天開采和地下開采不能完全接續，需要布置安全防護措施降低對露天生產安全的威脅。由此可見，采用境界礦柱和覆蓋層過渡方式，露天與地下在時間上和空間上相互影響問題依然存在。

1.3 楔形轉接過渡方式

為解決傳統過渡模式露天、地下生產相互干擾影響產能的問題，東北大學任鳳玉教授［5］把露天陡幫開采技術與地下誘導冒落開采技術緊密結合，提出了取消人工覆蓋層和隔離礦柱的楔形轉接過渡方式（圖3）。露天、地下采場規模隨開采深度的增加，分別呈楔形增大與縮小，該過渡模式利用這一特點，形成露采在下、地采在上，且兩者在水平投影面上空間位置相互錯開，沿斜切礦體的方向形成露天、地下分界線。采用誘導冒落法開采掛幫礦，運用不擴幫延深法回采露天底部礦石，延長露天開采期接續產量。在露天開采和地下開采間留設一定的安全距離，并砌筑防護壩，避免掛幫礦采動誘發邊坡巖層移動形成滾石對露天采場造成安全威脅，同時利用邊坡巖體臨界冒落跨度合理調控回采順序和位置，在邊坡形成塌陷坑接納上部邊坡冒落巖體，該法最大限度上提高了露天開采和地下開采的連續性以及地下開采強度，能夠有效保障過渡期內產能銜接。但該法有一定的局限性，僅適應采用崩落法開采的礦山，尤其是礦體厚大，或者多條礦體，有一定的掛幫礦量，而且對掛幫礦回采順序比較嚴格，對礦山生產技術及管理水平要求較高，一般需要在科研單位指導設計下完成。

2 露天轉地下采礦方法

金屬礦床露天轉地下過渡期產能銜接問題，與過渡期運用的采礦方法密切相關，在很大程度上影響著過渡方式，主要有空場法、崩落法、充填法及聯合采礦法，以下將分別論述各方法的特點。

2.1 空場法

露天轉地下選擇空場法回采地下礦體，在露天坑底部留設一定厚度的礦體作為礦柱，將露天開采與地下開采隔離，同時在采場中留滿礦石，以確保邊坡穩定及露天安全生產。鳳凰山鐵礦選用留礦法進行地下開采，如圖4 所示，境界礦柱將露天開采與地下開采隔離，地下開采礦房內隨著采高采場內滯留大量礦石，在露天開采結束后，將礦石全部放出，并回采境界礦柱。該方法有助于露天開采結束時產能銜接調節，但地下開采形成空場條件，導致和隔離礦柱回收條件惡化、回收難度大，礦石貧損指標較高。如果在過渡期內，能夠將露天和地下生產在平面上錯開，可以不留境界礦柱。金嶺鐵礦采用空場法回采，礦石回采率較高，貧化率較低，但導致露天降雨直接涌入地下，增加井下泥石流威脅，增加地下礦石貧化。在多雨的南方尤其含泥多的地區，高陡邊坡穩定性較差的露天礦山，采用此方法回采易造成空區冒落或露天邊坡滑落等安全事故。

2.2 崩落法

分段崩落法在露天轉地下礦山開采中得到廣泛應用，如廟溝鐵礦、銅官山銅礦、尖山鐵礦、司家營鐵礦、杏山鐵礦、小汪溝鐵礦等。該方法是在覆蓋巖下出礦，不用預留礦柱，能夠適應礦體的不斷變化，且開采強度大、成本低、生產安全，可以彌補或克服過渡期內的露天、地下生產過程中的眾多限制，轉接過渡方式比較靈活，可取消境界頂柱的留設，有助于加快產能銜接。由于前期露天開采對地表的破壞已經形成，后期地下開采對地表的破壞范圍增加不大，對于允許崩落地段的礦山，無底柱分段崩落法是露天轉地下首選采礦方法。

2.3 充填法

隨著綠色開采的提倡和礦山環境保護政策出臺，新建尾礦庫審批政策的調整，充填采礦法逐漸取代無底柱分段崩落法，成為露天轉地下采礦方法的首選。充填法將尾礦、廢石等廢棄物作為充填料充填至地下采場，維護采場的穩固性，可提高礦石回收率和井下作業區的穩定性和安全性，最重要的是降低了礦山企業的尾礦庫庫容壓力，甚至可取消尾礦庫建設和擴建，減少或避免對土地和地面設施的破壞，保護生態環境，節省占地成本；但由于充填采礦方法需要建立充填系統，增加了過渡期投資和工程量，同時增加了地下采礦工藝流程和復雜性，限制過渡期產能銜接［15-16］。露天轉地下選擇充填法開采，一般都會選擇境界頂柱的過渡方式，如姑山鐵礦露天開采至-170 m 轉入井下開采，井下采用上向水平進路法開采，經過理論分析和論證，在坑底留設22 m 厚的境界頂柱，向地下過渡［17-18］。歸來莊金礦利用下向進路充填法進行地下開采，從露天坑底直接向下進行回采三層，然后利用鋼筋混凝土構筑10 m 厚人工境界礦柱［6］。

露天轉地下過渡方式和采礦方法是相對應的，國內部分露天礦轉地下過渡期的地下采礦方法見表1［3，5，13，17-19］。

3 露天轉地下關鍵技術問題及措施

露天轉地下開采是一項較為復雜的系統工程，隨著研究的深入，國內對露天轉地下的理論、技術都已有一定了解，可以將露天轉地下的難點概括為技術和管理兩方面。露天轉地下開采涉及的技術問題包括覆蓋層的安全結構與合理厚度、聯合開拓運輸系統最佳銜接技術、邊坡巖移、塌陷控制技術、露天地下相互協調安全高效采礦工藝技術、生態恢復環境技術、通風排水等技術問題［19-20］。露天轉地下過程中的生產管理難度增加，管理是否合理影響著技術問題解決的難易程度，根據國內露天轉地下的現狀，列舉一些需要注意的問題和措施：

（1）科學確定露天轉地下開采平穩過渡期，以保證礦山持續穩定生產。首先，從時間上來講，對露采10～20 a 的中小型鐵礦山，露天開采設計和地下開采設計需同時進行；對露采20～30 a 以上的大型鐵礦山，在露采設計時應進行礦床開采整體規劃，露天礦閉坑前8 a 左右（特大型礦山15 a 左右）時間，礦山應編制過渡規劃和地下開采設計。其次，建立露天礦山企業盈利動態核算系統，露天開采進入深部時，生產成本逐漸增加，從空間上確定合理露天開釆境界，同時根據露天采剝計劃，科學確定露天減產期及地下開拓、采準、切割的工程量和時間節點。再次，考慮礦山的盈利受礦產品和主要耗材市場價格影響，如鐵精礦價格受國際市場影響，會產生周期性的波動，如果精礦價格進入低谷期，此時的露天轉地下條件基本成熟時，可以提前在礦產品低谷期內啟動轉地下開采，保障礦山整體的經濟效益；該部分對于目前正在生產的露天礦山是非常重要的，因為一些審批手續、流程是非常繁瑣的，到露天開采末期再籌劃轉地下事宜，沒有時間保障，任何技術是不能彌補的，最終只能減產過渡甚至停產過渡，最終損害企業總體經濟效益。

（2）在露天轉地下開采過渡期，應充分考慮礦山生產現狀和開采特點，把兩者有機地結合起來。在進行開采可研和設計時，應全面系統規劃過渡期內的工程利用，露天開采后期既要考慮過渡期內開拓、運輸生產上的相互干擾，同時地下開采也應盡可能利用露天開采的相關工程和設施等。過渡期的地下釆礦作業應不影響露天作業的生產安全，地下采礦方法的優化選擇，應盡量避免露天開釆與地下開釆的不協調，并考慮到持續再生產，使露天開采科學合理地過渡至地下開采，降低礦山基建投資成本［17］；如海南鐵礦選用無底柱分段崩落法回采掛幫礦和地下礦體，采用楔形過渡方式，形成露天地下協同開采，通過平硐斜坡道和露天道路系統，快速進行采準回采，另一方面通過不斷優化露天境界，延伸最終境界開采，露天地下同時開采36個月，有效增大了過渡期的礦石產能，實現了海南鐵礦露天轉地下的增產過渡（圖5）。

（3）露天最終開采境界與地下開拓、采準及回采工程必須保持一定的安全距離，近露天坑底部的穿爆作業必須控制同次爆破藥量，應盡量避免露天爆破對地下采場穩定性的破壞；必須在露天坑內部實施防護工程，防止邊坡滾石沖擊露天生產區域，造成安全危害。

（4）在轉地下過渡期，必須防止地下巷道、釆空區與露天坑相互貫通，造成井下通風系統漏風和地表水下灌至采場。在地下開采移動界線以外設置防洪堤、截水溝等截留防洪工程以減少地表徑流由露天涌入地下采場，及時封閉露天連通地下井巷和空區的通道，保持墊層密實，科學設置地下防水閘門，以確保地下水泵房正常運轉和防止泥沙潰入地下。必要時應設置井下應急水倉，其體積應能夠存儲8 h以上的災害透水量。

（5）建立邊坡巖移監測系統和定期數據評估制度。依據礦山實際情況采取科學的觀測方法與手段，如采用無人機測量、GPS、CNSS、微震監測等技術，同時要進行定期檢測和維修，保證系統正常運行，如果礦山不具備這方面技術人員，可以和科研院所進行合作，利用監測數據對邊坡、空區頂板位移進行評估，隨時掌控地下采空區上覆巖體的移動規律，以保障過渡期露天和地下安全生產。

4 結 語

露天轉地下開采是一種客觀必然趨勢，露天轉地下不是露天開采技術和地下開采技術的簡單結合，而是一項科學復雜的系統工程，關系到企業的經濟效益和礦產資源的開發利用。因此，礦山企業提前規劃露天轉地下相關事宜，抓住露天轉地下合理時機，根據選擇的地下采礦方法選擇合理的過渡模式，并根據掛幫礦賦存條件、采礦方法、地下開拓系統，在充分利用露天系統且盡量避免相互影響、能夠快速銜接的原則上，建立合理的開拓系統和安全技術措施，在短時間內完成露天轉地下過渡，避免形成減產或停產過渡的不利局面，影響礦山企業的經濟效益和良性發展。