"双子矿"露天开采转为地下开采岩石力学方面的考虑

1 引言

之所以想到写这个题目，是由于最近审核一个的新建矿山项目部分地涉及到了这个问题。对埋深较浅的矿床来说，露天开采是首选的采矿方法。但随着开采深度的不断增加，露天开采的成本和维护呈现出显著的缺点，因此深部露天矿在开采到一定深度后会转入地下开采，例如Chuquicamata矿(全球最大矿山: 丘基卡马塔(Chuquicamata)铜矿由露天开采转入地下开采; Chuquicamata(丘基卡马塔)露天矿岩石力学研究) , Bingham Canyon矿(Intact Strength: 原岩强度的微观尺寸效应)和Palabora矿(地下采矿引起的地表沉降分析)等。

当露天开采转为地下开采时，露天开采范围的部分或全部置于地下开采范围的顶上，这将对地下开采构成潜在的危险，特别是在露天开采和地下开采同时工作的过渡时期。同时地下开采活动会直接影响着露采边坡的边坡稳定性。最典型的例子是Palabora矿, 在由露天开采转为地下崩落采矿法后, 于2005年在西帮边坡发生了大规模的滑坡, 如下图所示。全球最大的Chuquicamata铜矿于2020年开始转入地下开采, 今后也可能面临着同样的危险。

因此，当露天开采转为地下开采时需要同时考虑露天和地下岩石力学方面的因素，而"双子矿"涉及到一些特殊的问题，这个笔记简要讨论了设计这种地下矿时与岩石力学相关的一些因素。

2 双子矿井的特点

双子矿开采区别于单个矿的显著之处在于两个矿井在地下是联通的，而且两个矿部分共享着同一套基础设施。这些基础设施包括：由露天到地下的斜坡道；两个矿井之间的联络道；地下车间；排水系统；通风系统，电气系统，逃生通道以及可能的水平之间的连接通道。

第一个实例是位于加拿大靠近北极圈西北地区(Northwest Territories)的迪亚维克钻石矿(Diavik Diamond Mine)【深部露天矿边坡稳定性---迪亚维克钻石矿(Diavik Diamond Mine)】，如下图所示。

该矿在露天开采到400m以后转入地下开采，其中A154S和A418采用分段后退式开采, 而A154N采用空场采矿法开采。   

第二个实例是位于南非的一个钻石矿，露天开采到300m后转入地下开采，采用分段崩落法开采。

3 岩石力学考虑因素

双子矿的设计需要考虑一系列的岩石力学问题，目前想到的可能考虑的因素有：

(1) 露天顶柱(Crown Pillar)厚度的优化；

(2) 露天边坡的高应力集中区域对地下开采的影响；

(3) 露天边坡的整体稳定性对地下开采的影响；

(4) 假如两个矿井相距太近，考虑两个矿井之间可能出现的应力叠加；

(5) 开采顺序对地面沉降及边坡稳定性的影响【采矿引起地表沉降的影响因素(Factors Influencing Surface Subsidence)】；

(6) 地下基础设施的选址应该设在整体应力影响范围之外。

4 研究进展

随着更多的露天开采项目转入地下开采，近年来出现了大量相关的研究，下面列举的仅是目前GeotechSet数据集内的研究进展，一个更全面的数据集正在建立之中。

(1) A transition from a large open pit into a novel “macroblock variant” block caving geometry at Chuquicamata mine, Codelco Chile

(2) Transitioning from open pit to underground mass mining: meeting thechallenges of going deeper

(3) Issues with transitioning from open pit to underground caving mines

(4) Interaction between the block cave and the pit slopes at Palabora mine

(5) Transition of the Ernest Henry Mine from Open Pit to an Underground Sublevel Cave

(6) Considerations for open pit to underground transition interaction

(7) Transitioning from Open Pit to Underground Mass Mining : A Review of the Rock Engineering Challenges and Progress in Deep Caving

(8) Influence of pit wall stability on underground planning and design when transitioning from open pit to sublevel caving

(9) Numerical Simulation of Crown Pillar Behaviour in Transition from Open Pit to Underground Mining

(10) A Stochastic Optimization Formulation for the Transition from Open-Pit to Underground Mining Within the Context of a Mining Complex

(11) Influence of major fault zones on 3D ground deformations caused by open pit block cave interactions