1 引言

這是近期評估和論證一個地下采礦項目時想到的問題。該項目本身并不復(fù)雜，擬采用兩步驟嗣后充填法開采。其中有一個小的問題是該項目將在廢棄的露天采坑下進行地下開采。盡管露天開采的深度很淺(小于20m)，但由于露天采坑處于第四紀(jì)覆蓋層，巖石破碎較嚴(yán)重，因此稍微思考了一下，不過這個深度應(yīng)該對地下開采沒有太大影響，因此也不作無病呻吟。下面討論的內(nèi)容與該項目無關(guān)，僅從學(xué)術(shù)的角度簡要討論了露天頂柱(Surface Crown Pillar)的形式及其厚度影響因素。

2 頂柱的形式

當(dāng)進行地下采礦設(shè)計時，必須考慮露天頂柱的厚度，它為地表活動和地下活動之間提供了一道屏障。頂柱位于礦井最上方的巖層。為了確保安全以及避免地面沉降[采礦引起地表沉降的影響因素], 在最大化回收礦石的同時，必須留下足夠厚度的頂住。頂柱一方面用來保護地表不產(chǎn)生大的沉降，另一方面保護地下礦井，特別是防止地表水沿著節(jié)理裂隙流入礦井內(nèi)，水-力的耦合作用可能會導(dǎo)致頂柱失效。因此頂柱的設(shè)計除了需要考慮礦區(qū)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)以及近地表風(fēng)化帶的破碎程度外，在地表水豐富的地區(qū)也需要考慮水流的作用。

總的來說，頂柱有以下幾種形式：

(1) 直接位于地表下的頂柱。大多數(shù)地下礦井直接建在地表以下，因此需要保留足夠厚度的頂柱。如下圖所示。

(2) 露天礦底部與地下開采之間的頂柱。隨著露天開采的不斷深入，有些礦山逐漸由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，當(dāng)露天開采轉(zhuǎn)為地下開采時，露天開采的范圍部分或全部置于地下開采范圍的頂上，這將對邊坡和地下開采形成潛在的危險。在這種情況下，頂柱的設(shè)計必須十分小心，因為露天礦底部會產(chǎn)生應(yīng)力集中，受地下采動的影響，有可能導(dǎo)致邊坡塌落，而邊坡塌落產(chǎn)生的滑坡體反過來有可能對地下開采造成危害。在某些情況下，露天開采還可能與地下開采同時進行。在這種情況下，必須仔細(xì)設(shè)計頂柱厚度，因為隨著采礦的進行，頂柱的厚度在逐漸降低。

最典型的一個例子是Palabora礦, 在由露天開采轉(zhuǎn)為地下崩落采礦法后, 于2005年在西幫邊坡發(fā)生了大規(guī)模的滑坡, 如下圖所示。世界最大的銅礦Chuquicamata礦于2020年開始轉(zhuǎn)入地下開采, 今后也可能面臨著同樣的狀況。[丘基卡馬塔銅礦由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采; Chuquicamata(丘基卡馬塔)露天礦巖石力學(xué)研究]

下圖所示的是位于加拿大魁北克省Normetal鋅礦的采礦模型，該礦由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，因此需要設(shè)計露天頂柱的厚度。

(3) 海底采礦的頂柱。嚴(yán)格地來說，海底采礦的頂柱不是露天的，因為頂柱上面覆蓋的是海水，在此勉強把它歸進來一起說。目前，三山島金礦和龍口煤礦已經(jīng)進入海底開采，在此暫不考慮這種情況，我們只討論陸地上的采礦運作。

3 影響頂柱厚度的因素

確定頂柱的最佳厚度至關(guān)重要，一方面要盡最大可能回收礦石，另一方面還得確保采礦安全。[地下采礦引起的地表沉降分析]當(dāng)設(shè)計頂柱厚度時，需要考慮下面幾個關(guān)鍵因素:

(1) 礦體的幾何形狀，包括傾角和寬度；

(2) 頂柱最有可能的破壞形式；

(3) 上盤和下盤巖石最有可能的破壞形式；

(4) 地表徑流和礦坑底部地下水的聚集情況，露天礦在開采過程中地下水會匯集到坑內(nèi)；

(5) 頂柱上面的機械設(shè)備和堆載物，借用橋梁設(shè)計的術(shù)語，這屬于偶然載荷；

(6) 巖體強度，包括頂柱和圍巖的承載力;

(7) 地下水，巖石強度的變異性以及巖體不連續(xù)對頂柱穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響；

(8) 露天爆破對頂柱完整性的影響。

4 頂柱設(shè)計方法

設(shè)計頂柱有三類方法：(1) 經(jīng)驗方法, 例如[崩落采礦誘發(fā)地表沉降預(yù)測的經(jīng)驗方法(Caving Angle)]; (2) 極限平衡; (3) 數(shù)值模擬，例如FLAC3D和UDEC。我們將在以后詳細(xì)討論這些方法的應(yīng)用及其各自的局限性。