露天矿山在我国的铁矿采掘产业中占有相当大的比重，本世纪初期，露天产能约占地下产能的80%左右，但随着近十年开采强度的大幅攀升，目前很多露天铁矿浅表资源枯竭，亟待转入地下生产。
预计2025年左右，现有露天铁矿产能将消失50%左右。露天转地下开采工程并不是简单的生产方式转换问题，仅从工艺角度，就涉及到露天、地下2套生产工艺，还要兼顾两者的相互衔接，其涉及工程问题繁琐，而且衔接过渡过程往往涉及到很多复杂的
安全问题。
露天转地下覆盖层是介于露天采场和地下采场之间的一个安全隔离层，是转地下过程中采用崩落法的矿山必须设置的安全工程设施，能够起到防止边坡滑塌冲击地压、阻滞水渗透、减少漏风、防寒保暖、预防井下泥石流和提供落矿放矿条件等作用，保障转地下过渡期的安全稳定。另外，由于覆盖层散体是直接覆于地下矿石之上，对于回采矿石散体的流动性、力学性质、品位变化等都有着密切联系。
1露天转地下覆盖层基础理论研究
1．1覆盖层理论实验基础研究
覆盖层理论研究的基础是无底柱分段崩落法的研究，其核心是放矿学理论研究。放矿学理论研究可以追溯到上世纪30年代的前苏联，当时仅仅是在实验室内建立简易放矿模型观测崩落矿岩的流动，得到了矿岩流动的最初实验结论，这也是后来各种放矿研究的雏形。在实验结论的基础上，学者И．M．马拉霍夫于50年代提出椭球体放矿理论，为采场结构参数的确定和选取提供了理论支撑，该理论也为后来国内外学者研究放矿理论及岩土力学性质提供了坚实的基础。此后，放矿系统理论不断被完善并提出新的理论，六七十年代逐步提出了放矿角和放矿漏斗理论、三轴椭球体理论，通过松散介质力学及随机放矿理论提出数值模拟方案;八九十年代离散元理论开始被引入到放矿研究的领域，离散元理论是以粒子运动概率论为基础的研究，对覆盖层的数值研究起到了一定的推进作用，并取得了相当大的研究进展;21世纪后提出覆盖层分层结构，通过利用各层内部耦合作用机理的差异，从而形成一个完整的覆盖层保护系统，上下分层联合作用更好地形成安全合理的覆盖层保护散体，是覆盖层理论研究系统新的里程碑。
覆盖层散体的研究是依据采用无底柱分段崩落法的地下矿山，且只适用于采用无底柱分段崩落法开采的矿山。无底柱分段崩落法是上世纪60年代被引入我国的，之后便以其结构简单、出矿量大、操作方便等优点被迅速广泛应用至今。露天转地下的矿山在过渡期需要出矿量大的地下开采方式，以缓解露天开采矿石减少而造成的减产，达到稳产过渡，而无底柱分段崩落法是地下开采的最佳方案。
研究无底柱分段崩落法是有机地运用随机介质放矿理论和椭球体放矿理论，而对于覆盖层散体流动的研究目前最普遍采用的研究理论是随机介质理论。随机介质理论是波兰学者J．Litwiniszyn于20世纪50年代在研究岩层移动时提出来的［1］。在我
国，则是由中国工程院刘宝琛院士引入的，他是随机介质理论在中国发展的探索者和实践者。其原理是将散体简单的视作连续流动的随机介质，采用概率论的方法计算散体颗粒在运动过程中的速度和位移的理论体系。
为了解决露天转地下覆盖层功能机理及形成方法方面的难题，采矿行业的专家学者在散体动力学理论的基础上，运用各种方法对覆盖层的形成进行了研究。在覆盖层基础理论研究方面，目前主要有华北理工大学的分层控制-高台阶一次形成理论、东北大学的诱导冒落形成理论以及北京科技大学预防泥石流机理研究。此外，马鞍山矿山研究院等单位对覆盖层的移动规律、物质构成、损失控制等方面也进行了大量研究。
北京科技大学朱志根、吴爱祥基于对无底柱分段崩落法的研究，运用散体力学的理论，对不同块度大小的覆盖岩层散体颗粒和崩落矿石的相互影响进行室内物理试验研究［2］，研究表明颗粒块度的大小对放出矿体的形状和大小有重要影响，结论也对现场有着一定的指导意义。
华北理工大学甘德清以首钢杏山铁矿为研究背景，从覆盖层回填料动力学原理与运动状态和自然分级的影响因素分析出发，通过理论分析、物理模拟试验、现场排土场试验等研究手段，深入分析了露天转地下覆盖层回填自然分级规律，最终验证了杏山铁矿采用倒排排土场废石形成具有一定合理结构和厚度的覆盖层方案的可行性［3］。
北京科技大学杜翠凤针对大冶铁矿地下开采过程中由于覆盖层设计存在缺陷导致的漏风问题，进行物理实验研究［4］。大冶铁矿的漏风问题十分严重，通风困难使地下污风排不出巷道，危害地下施工人员。实验运用4种粒级颗粒形成覆盖层，研究4种粒级的孔隙率与覆盖层高度的某种关系，从而设计出最佳散体块度和覆盖层厚度，防止地表漏风。
另外，目前大量的研究还对于覆盖层散体从块度对放矿影响研究［5-7］、散体移动规律研究［8］、合理覆盖层形成方法的研究［9-13］、渗流通风研究［14-16］以及产能衔接及平稳过渡方案的优化研究［17-19］等方面做了基础研究的探索和发现。
1．2露天转地下覆盖层运移规律研究
华北理工大学的研究人员很早就在露天转地下开采工艺等方面进行了大量的研究工作，提出、研发了露天转地下联合采矿方法等基础理论和工艺技术。早期的研究中，甘德清及其研究团队结合石人沟等矿山的工程实践，对覆盖层的功能机理和结构厚度的确定方法进行了一些初步的探索和实验，通过计算机模拟、物理实验和现场试验，观察了覆盖层矿岩界面随着放矿的移动规律(图1)，并根据物理形似模拟实验的结果，初步构建了覆盖层渗漏模型，这些早期的研究探索为后期提出的覆盖层分层控制理论提供了基础。
甘德清课题组在进行“十一五”国家科技支撑计划课题“露天转地下相互协调安全高效开采关键技术研究”期间，结合研究内容，以首钢杏山铁矿为示范矿山，对露天转地下覆盖层的运移规律进行了大量实验研究。甘德清教授等以随机介质放矿理论为基础，构建了相似模拟平台和数值模拟模型，该项目从露天转地下覆盖层安全功能需求和结构特点入手，研究覆盖层整体移动规律及其移动过程中的结构变化(图2)。其实验研究结果表明:覆盖层的运移过程是放出椭球体和松动椭球体形成的渐变过程，在均匀出矿的前提下覆盖层运移具有分层的规律，即松动椭球体内的覆盖层为不稳定结构层(流动层);松动椭球体影响之外的覆盖层为稳定结构层(整体下移层)，如图3所示。椭球体内覆盖层的颗粒移动速度具有脉冲式的特点，细颗粒运移速度大于粗颗粒的速度，细颗粒向下的快速运移是引起矿石超前贫化的主要原因。
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