露天开采转地下开采的顶柱厚度设计(Surface Crown Pillar)
1 引言
3 顶柱型式
总的来说，采矿顶柱有以下几种型式：
(1) 直接位于地表下的顶柱。大多数地下矿井直接建在地表以下，因此需要保留足够厚度的顶柱。如下图(a)所示。
(2) 露天矿底部与地下开采之间的顶柱。随着露天开采的不断深入，有些矿山逐渐由露天开采转为地下开采，当露天开采转为地下开采时，露天开采的范围部分或全部置于地下开采范围的顶上，这将对边坡和地下开采形成潜在的危险，如下图(b)所示。在这种情况下，顶柱的设计必须十分小心，因为露天矿底部会产生应力集中，受地下采动的影响，有可能导致边坡塌落，而边坡塌落产生的滑坡体反过来有可能对地下开采造成危害。在某些情况下，露天开采还可能与地下开采同时进行，在这种情况下，必须仔细设计顶柱厚度，因为随着采矿的进行，顶柱的厚度在逐渐降低。
最典型的一个例子是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, 如下左图所示。世界最大的铜矿Chuquicamata矿于2020年开始转入地下开采, 今后也可能面临着同样的状况。[丘基卡马塔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]；下右图所示的是位于加拿大魁北克省Normetal锌矿的采矿模型，该矿由露天开采转为地下开采，因此需要设计露天顶柱的厚度。
(3) 海底采矿的顶柱。严格地来说，海底采矿的顶柱不是露天的，因为顶柱上面覆盖的是海水，在此勉强把它归进来一起说。目前，三山岛金矿和龙口煤矿已经进入海底开采，在此暂不考虑这种情况，我们只讨论陆地上的采矿。
4 影响顶柱厚度的因素
确定顶柱的最佳厚度至关重要，一方面要尽最大可能回收矿石，另一方面还得确保采矿安全。[地下采矿引起的地表沉降分析；崩落采矿诱发地表沉降预测的经验方法(Caving Angle)]当设计顶柱厚度时，需要考虑下面几个关键因素:
(1) 矿体的几何形状，包括倾角和宽度；
(2) 顶柱最有可能的破坏形式；
(3) 上盘和下盘岩石最有可能的破坏形式；
(4) 地表径流和矿坑底部地下水的聚集情况，露天矿在开采过程中地下水会汇集到坑内；
(5) 顶柱上面的机械设备和堆载物，借用桥梁设计的术语，这属于偶然载荷；
(6) 岩体强度，包括顶柱和围岩的承载力;
(7) 地下水，岩石强度的变异性以及岩体不连续对顶柱稳定性产生的影响；
(8) 露天爆破对顶柱完整性的影响。
5 顶柱稳定性分析
包括评价顶柱的稳定性以及确定顶柱的最优厚度，主要的分析方法有极限平衡分析、经验设计和数值模拟。
5.1 极限平衡分析
解析解基于弹性理论，主要的分析方法包括:
(1) 刚性板分析(Rigid Plate analysis)，破坏模式为剪切破坏；【地表顶柱稳定性的刚性分析(Rigid Analysis)】
(2) 弹性板分析(Elastic Plate analysis), 破坏模式为剪切破坏和弹性弯曲；【地表顶柱稳定性的弹性分析(Elastic Analysis)】
(3) 砌体梁分析(Voussoir Plate analysis)，破坏模式为剪切破坏、拱形折断以及局部挤压破坏。【地表顶柱稳定性的砌体梁分析(Voussoir Analysis)】
岩体强度破坏准则使用Mohr-Coulomb和Hoek-Brown，可以进行确定性分析，也可以进行概率分析，最终可以确定出顶柱的安全系数。
5.2 经验分析
经验分析主要使用的是比例跨度法(scaled span empirical approach)，这种方法由Golder Associates的Carter(1992, 2008, 2014)提出，最初是为极倾斜矿体而开发的, 使用了Q-System进行岩体质量评价，大部分案例研究基于加拿大的采矿项目，少部分案例来自智利和澳大利亚的采矿项目【顶柱的经验比例跨度设计方法(Scaled Span Design Method)】。
