露天转地下覆盖层理论研究与实践的进展及趋势（二）

根据放矿椭球体理论，研究落矿时矿岩间的相互影响，利用不同种类的散体进行矿岩界面的渗流实验，研究渗漏情况，最终从放矿椭球体理论和防排水2个方面综合确定覆盖层的合理厚度。

1．3覆盖层数值分析研究
    工程岩土力学性质的数值研究分为连续介质理论力学研究和非连续介质理论力学的研究［20］。前者研究的对象主要是一个完整的整体，研究方法主要有有限元法和快速拉格朗日法，所使用的计算工具有FLAC、GTS、ANSYS等;该模型是由多个模块组成，由连接节点将各个模块连接成一个完整的几何模型，并且将应力施加到节点当中，细化处理后，通过计算机对其模型的计算研究其外部变形及内部应力变化的规律。后者的研究对象则是一个由破坏的整体或者由众多不连续的有相互接触面(点)的相互独立颗粒组成的集合，研究方法主要是块体分析法和离散元法，主要使用的工具是DDA、PFC、FLUENT、UDEC等;该方法主要是建立大量数目的颗粒，使其进行点或面接触，提前设定颗粒属性和接触条件，生成整体的散体模型，然后通过计算机计算散体在移动过程中的运动情况，记录散体在移动过程中的各个物理特性的变化和物理力学参数的变化，研究散体非线性问题。
    露天转地下覆盖层属于岩土中非连续介质，主要采用离散元法。离散元法(DEM)是由美国工程院院士、英国皇家工程院院士PerterCundall在上世纪70年代提出的一种研究散体性质的数值方法，将离散单元给予实验所需的属性以及进行合理的面(点)接触连接，通过牛顿第二定律建立模型，将非线性静态问题转化成动态问题，最终进行非线性物理量的积分求解，进而得到各个单元在任意时刻的物理参数及其变化情况。
    我国关于离散元的研究比较滞后，上世纪80年代末，王泳嘉教授在第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会上首次引述了离散元概念，并将离散元方法引入了我国［21］，随后该方法在我国岩土力学研究方面迅速发展，并广泛应用到了矿冶、农业、食品、化工、制药和环境等领域中。目前，最著名的离散元方法商用程序的开发公司是总部位于美国明尼苏达州的ITASCA国际工程软件开发公司，创始人是被誉为岩石力学之父的Charlesfairhurst院士。该公司目前在全世界11个国家设立有14家公司，不仅与中国多家高等科研机构有着合作关系并为之提供高端分析软件，并且设有在华全权负责的咨询有限公司，完成了多个领域的工程。
    上世纪末，在PerterCundall院士的领导参与下，由ITASCA公司开发出一款专业研究散体的软件———颗粒流分析程序(PFC)［22］。随着该软件在世界范围内的广泛使用，ITASCA公司也不断对其进行程序的完善和版本的更新，现阶段最新的版本为5．0版。颗粒流分析程序(PFC)能够很好地从本质上分析非连续的散体介质的物理量变化和力学特性等非线性问题，虽然有一定的局限性［23］，却是现阶段研究露天转地下覆盖层散体移动规律的最理想、最普遍的手段。
    北京科技大学刘志娜运用PFC数值模拟软件针对大冶铁矿东采车间设计了6组不同采场结构参数的相似模拟实验，以放出矿石的贫化率为经济指标，通过对放矿过程的分析，找出放矿最优的结构参数，并详细分析了数值实验中回收率和贫化率不稳定的原因，还研究了放矿过程中的颗粒间不平衡力的变化情况［24］。
    华北理工大学张亚宾基于随机介质放矿理论，结合杏山铁矿的生产实际，采用PFC模拟了覆岩下的放矿过程，以矿石的放出率和贫化率为技术指标，按厚度分成3组，观测覆盖层移动和矿石放出情况，找出覆盖层合理厚度［25］。在前述结论的基础上，又
将覆盖层散体颗粒粒径分3组实验，找出利于放矿的合理粒径，为矿山实际生产提供了理论依据。
    东北大学王培涛基于离散元方法理论，以矿石的回收率和贫化率为标准，运用PFC对有覆盖层的采用无底柱分段崩落法的矿块进行数值模拟，采用平面放矿和立面放矿2种方案在同种情形下对比实验［26］。结果表明，平面放矿较立面放矿的回收率高。在实验结论的基础上，通过改变立面放矿方案中颗粒间摩擦系数，从另一方面找出提高矿石回收率的手段以及内摩擦角对于放矿结果的影响规律。
    除上述研究外，不少学者运用离散元原理对开采地压稳定［27］、围岩稳定［28］、矿石下落冲击［29］、边坡围岩的稳定性［30-37］、开采工艺优化［38-42］、低贫化放矿的合理性［43］、地表沉降［44］以及磨机介质的运动和机械安全稳定的分析［45-50］等问题也进行了研究，并得到了丰富的成果。
2应用实践
    我国许多矿山进行了露天转地下开采，最早的属上世纪60年代的江苏凤凰山铁矿，其他转型矿山如安徽铜官山铜矿、甘肃白银折腰山铜矿、江西良山铁矿等。经过大量的理论研究以及国内长时间的工程实践，覆盖层的研究理论对不少矿山实际生产已经起到了指导作用，有的甚至还获得了较好的效益，使矿山安全平稳地实现过渡。
    武钢大冶铁矿矿体自西向东依次为铁门坎、龙洞、尖林山、象鼻山、狮子山、尖山六大矿体。2001年东部露天开采结束，进入地下工程。北京科技大学基于地表漏风问题对覆盖层及其孔隙率进行研究，为矿山覆盖层厚度的确定提供了理论基础［51-52］。武汉科技大学基于围岩的稳定性为矿山提供形成覆盖层的方案(崩落围岩和削坡)［53-55］，其中狮子山形成的覆盖层为－48～0m水平。在形成覆盖层之后进行地压监测，并对覆盖层形成过程中的防震问题、回采顺序、围岩稳定性进行分析，为改善放矿质量做好准备。
    河钢庙沟铁矿于1986年基建，1989年投产，露天开采最大生产规模为260万t/a。2010年中钢工程设计研究院对其露天开采储量和年限进行评估，还可以持续10a，露天开采坑底定为372m水平，2011年进行了露天转地下开采设计。华北理工大学基于覆盖层分层理论［19］，参考矿山工程规范，并结合矿山现场情况和条件，为庙沟铁矿提供了2种覆盖层形成方案:硐室爆破边坡方案和排土场废石回填方案。经过对2种方案的工期、投资额度、安全系数等一系列的问题比较分析，最终确定为废石回填形成覆盖层方案，另外，方案包括了覆盖层形成的详细参数、工程量和经济概算。此方案预计2017年实施。
    首钢杏山铁矿原为露天开采铁矿，2004年底露天开采资源所剩不多，－33m以下的深部矿产资源采用地下开采，中冶北方工程技术有限公司基于覆盖层的防水、防冻、防漏风等作用，在理论上为矿山设计的覆盖层厚度不小于40m［56］;华北理工大学基于随机介质放矿理论的覆盖层结构优化理论与露天转地下覆盖层回填自然分级理论，考虑到覆盖层的基本功能，为杏山铁矿制定了详细的覆盖层形成方案和技术保障措施［3，12，57］。覆盖层形成的方法为高台阶一次翻卸成形，主体结构分为下移层和流动层，并设计相应分层的厚度及粒级配比方案。杏山铁矿2007年开始地下基建工程，2011年覆盖层构建完毕。对形成的覆盖层进行实时监测，结果显示该覆盖层能够满足生产要求，监测指标良好。该覆盖层的成功实施对于覆盖层研究具有重要意义。
    随着经济技术的发展，未来将有更多的露天矿山进入转型期，通过不断深入覆盖层研究，了解和掌握覆盖层的内部机理，为矿山提供更为科学和严谨的理论支持。
3亟待解决的技术问题
    虽然国内外对露天转地下过渡期的联合开采工艺和技术进行了大量研究，取得了一定的研究成果并对生产实践起到了一定的指导作用，但现阶段仅仅是对覆盖层某项功能单独研究，目的单一，对于矿山的要求仅仅是满足了安全结构，保证了外部结构的完整性和保持厚度，忽视了内部粒子间细微的变化，导致覆盖层内部作用机理不明了，没有真正地从根本上了解覆盖层的运动，致使理论研究对于生产实践指导的推广应用受到限制。综合上述分析，总结出亟待解决的技术问题:
    (1)开采扰动下覆盖层结构变化规律。覆岩下放矿过程中，矿石放出所留出的空间需要覆岩随即补充，于是覆盖层的结构随着崩落矿石运出而变化。对于放矿过程中其结构的变化规律认识的欠缺，运动趋势不明确，可能导致放矿过程中覆盖层结构的完整性遭到破坏，产生潜在的危机，如漏风、漏水等一系列问题，给矿山生产造成巨大损失。
    (2)开采扰动下覆盖层内部应力场的变化。在开始放矿的同时，覆盖层的内部平衡应力会瞬间被打破，石块开始向趋于平衡的方向移动，之后不久会达到平衡状态，而之后的放矿过程中，每一次出矿都将打破其应力场的平衡，而随后又达到新的平衡，于是放矿过程就是一个覆盖层应力场不断失衡与平衡循环演变的过程，直至放出矿石达到截止品位。由于对这种应力场变化认识不清楚，在放矿过程中不能有效控制石块间应力，有可能造成局部应力过大，影响放矿品质。
    (3)多相耦合场作用。覆盖层本身是由多相散体耦合而成的一种散体流，在覆盖层移动的过程中，各相流体相互作用，相互影响，而这种作用效果并不清楚，各相流体在流动过程中之间是促进或阻碍，其结果还并不得知，现今覆盖层这方面所做的研究鲜有涉及。
    (4)覆盖层中水的渗流过程和驱动力源、渗流速度和趋势。水在覆盖层运动过程中是以渗流方式在其内部运动，流速会对覆盖层造成一定影响，而对于这一影响是益或弊以及其过渡节点还未知。了解水的渗流趋势和流速，对于保证覆盖层结构的完整性有重要意义。
    (5)泥石流的触发机理和节点。泥石流等灾害会给地下工作带来巨大的危害，矿山泥石流灾害时有发生，如果了解其触发机理和节点，采取有效预防措施，可避免不必要损失，从而大大提高矿山安全性。
    上述覆盖层技术问题均为内部耦合作用，工程实验及物理实验的研究是从实验结果推导出过程中的机理，尤其是工业实验不仅需要投入大量的人力和物力，工作量大，而且中间存在着许多误差和盲点，不能够直接准确地从变化过程中了解其机理。
    另外，随着现代科学技术的发展，数字化应用的普及，运用数值模拟技术将会成为覆盖层研究最为广泛和权威的技术手段。数值模拟技术的应用不仅节省了宏观的研究投入，而且能够全方位时刻了解其运动过程中各场的变化规律。虽然现阶段的技术条件还不能完全模拟现场的复杂环境，但是随着信息技术的迅猛发展，上述技术难题终将会被解决。
4结语
    关于覆盖层的研究已经进行了半个多世纪，在这漫长的探索历程中实现了对覆盖层从外形到本质的认知转化，形成方式从经验式的借鉴到有针对性的设计，生产实践中的应用实例证明了前人对于覆盖层的探索理念是成功的，是可以指导现场安全生产的，然而，如今的覆盖层研究理论体系还不够丰富，已有的理论知识对于整个覆盖层理论体系还只是初步的认识，更多的技术问题还有待解决，在露天转地下覆盖层运移规律和形成方法方面，更需要通过生产实践对现有技术进行检验和完善。未来矿山覆盖层的形成方法是将覆盖层的形成机理与矿山自身的地质条件及技术水平相结合，形成完全适用于自身矿山的保护层，不再需要借鉴其他成功实例，而形成的覆盖层能够在保证矿山安全的前提下实现经济最优化。
文章作者：陈 超，井伯祥；华北理工大学矿业工程学院，河北省矿业开发与安全技术实验室； 
文章来源：《现代矿山》：2016.2；
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