适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副矿长、地测科长、露天-井工一体化项目组总监
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、准格尔旗露天转井工煤矿开采转型的核心技术冲突
内蒙古准格尔煤田是我国特大型煤炭基地（如哈尔乌素、黑岱沟等周边煤层群）。经过数十年的高强度露天开采，许多矿井逐步进入露天开采尾声，亟待转向深部的井工（暗井地下开采）。在这种“露天转井工”的特殊转型期，企业面临着多维度的安全与环保掣肘：
- 井下地下综采引起上部露天高陡边坡发生灾难性滑坡：露天开采留下了高差达数百米、坡度在 35^\circ \sim 50^\circ 的巨大陡坡。井下综采工作面从陡坡下方或外围穿过时，采空区上方顶板破断会沿水平方向传递拉伸剪切力，撕裂边坡的“抗滑滑移面”。这极易诱发百万立方米级别的露天高陡滑坡，直接掩埋下方正在施工的井工斜井口，切断大巷，造成矿井被毁的巨大安全事故。
- 露天矿排土场数千万吨矸石的生态红线危机：露天开采产出了堆积如山的剥离矸石与岩石排土场。这些排土场不仅占用巨大的地表土地，还存在严重的扬尘、自燃释放二氧化硫和渗滤液浸出重金属的环保红线隐患。随着国家绿色矿山标准推行，如何将地表“矸石山”合规消纳是企业的核心通病。
- 边坡下开采围岩应力极度集中与地裂缝漏风自燃：在边坡下方采煤，由于边坡侧向压力叠加，井下工作面处于极不对称的偏载受力状态。这易导致回采过程中顶板产生大面积大范围贯通至露天坑底的地裂缝。空气沿裂缝吸入采空区，极易引发地下煤层自燃。
因此，研发和推广“露天转井工煤矸石固结充填与边坡位移联锁控制工程”，在井下采空区形成密实刚性持压体支撑边坡底座，是准格尔地区煤矿企业绿色安全转型的必由之路。
图2：准格尔旗露天转井工开采边坡下沉与采空区注浆充填联合剖面
二、边坡剪切失稳与充填承载力学的耦合物理模型
2.1 露天高陡斜坡剪切失稳安全系数（FoS）三维平衡方程
在井下开采影响下，露天边坡的抗滑动失稳安全系数 F_s 结合三维极限平衡法（Bishops Limit Equilibrium Method）及采动岩移反力进行建模：
式中：W_i 为边坡第 i 个滑动土条的重力；θ_i 为滑动面在该条底部的倾角；U_i 为滑动面上的孔隙水压力；C_i, φ_i 为滑动面岩土的粘聚力和内摩擦角；A_i 为底部截面积；F_{seismic} 为采动微震产生的侧向惯性动载荷；F_{backfill, i} 为井下老塘注浆充填体对边坡底座提供的水平侧向支持反力。
通过在井下采空区压入高密度矸石水泥固结浆体，充填体在受载初期产生的刚性反向支持力 F_{backfill} 为：
式中：E_{fill} 为充填体在三轴限制下的变形弹性模量；\Delta w 为边坡底板剪切沉降位移；H_{fill} 为充填区厚度。随着充填体致密度的提升，支持力 F_{backfill} 会提供一个高刚性的反向持压垫板，迫使整体安全系数 F_s 长期稳定维持在 1.40 以上的安全区。
2.2 准格尔露天转井工安全转型工艺时序
转型充填工程在施工控制上，必须遵循如下科学时序步骤：
露天边坡稳定性验算与过渡段开采规划
利用三维极限平衡理论，验算露天矿高陡边坡的剪切断裂滑移力，确定井下超前开采距离限制
地面排矸及细细破碎级配设计
建设集约化破碎磨细系统，将排土场矸石加工为满足流动屈服应力限制的磨细级配浆体原料
井下老塘工作面矸石高压胶结回填
在井工综采推进后，带压注入高胶结性能矸石微粉，在边坡底板关键层下方形成密实垫板结构
边坡位移三维激光雷达全天候扫描
在露天边坡顶脊及帮槽安装全自动微波雷达，三维动态扫描高陡岩壁，捕捉亚毫米级变形异常
井工安全综采产量稳定释放
边坡失稳风险指数收敛后，井下大采高综采工作面常态化平稳推进，实现低碳安全稳产
图4：大型矿山回填骨料高频筛分机及球磨机重型装备特写
三、露天转井工充填转型控制关键参数对账表
为了确保边坡的绝对稳固和矸石的高效消纳，工艺控制指标必须严格与设计红线核对一致：
3.1 准格尔地区露天转井工充填工程关键参数对账表
| 工艺参数类别 | 设计边界红线值 | 现场测定仪器设备 | 防灾与环保安全控制逻辑 |
|---|---|---|---|
| 边坡安全系数 (FoS) | 长期稳定系数 ≥ 1.35 | 三维极限平衡软件在线反算 | 露天残余高陡边坡抗滑移失稳的最低国家标准值 |
| 充填体水化28d抗压强度 | 承载单轴强度 ≥ 6.5\text{ MPa} | 矿区试验室岩石抗压变形试验机 | 提供强力抗剪切刚度，抵抗上方露天台阶偏载压力 |
| 地表排土场矸石消纳比 | 井下充填消纳率 ≥ 85\% (原矸) | 地面电子皮带秤、皮带流量计 | 最大限度把地表排土场矸石碎石送回井下，消除污染 |
| 边坡顶脊累计三维位移 | 累计水平位移 ≤ 35\text{ mm} | 三维地面激光扫描仪（LiDAR） | 监测边坡动态微滑，防范突发性大型滑坡发生 |
| 地裂缝漏风阻断率 | 采空区氧浓度 ≤ 4.5\% (窒息限) | 井下束管多组分气体色谱分析仪 | 阻断露天坑底与井下漏风裂缝，杜绝采空区自燃 |
| 充填料浆重构密度 | 均质料浆 \rho = 1.65 \sim 1.82\text{ t/m}^3 | 地面制浆硐室数字核辐射密度计 | 控制浆体颗粒配级与流动特性，保证输送顺畅 |
图3：露天矿大边坡变形激光扫描全天候位移测量现场
四、边坡位移异常与井下溃水跑砂双重应急处置 SOP
在转型开采注浆充填中，高陡边坡的突发失稳位移与井下采空区溃沙是两项最致命的风险险情：
SOP 1：露天边坡突发水平位移速率超标（橙色预警）
- 触发条件：激光三维扫描仪（LiDAR）监测到，露天边坡的第三级台阶顶脊的水平滑动位移速率在 12小时 内突破 5.0 mm/d，累计位移达 32 mm，提示滑坡体有被激活滑动的重大风险。
- 处置流程：
- 划定撤离红线警戒圈：地表调度中心下达警报，拉网线封闭边坡上方及下方的所有通道，撤离露天坑底和井下对应上方区域的所有施工设备与人员。
- 井下开启“过载强力充填”：指令地面制浆泵送站，将浆液固相浓度调高至极限值 74%，向该边坡正下方的已采区老塘钻孔全速泵送高刚性早强水泥浆料，强化底板承载反力。
- 边坡台阶分阶削坡减载：露天剥离车队迅速开进受影响的上一级台阶，剥离掉上层松散覆盖土体约 12000\text{ m}^3，减轻滑体头部的重力荷载。
- 实施锚索加固：使用地质大直径防空钻机从露天台阶向下斜向打设 15组 高应力预应力注浆锚索，将滑体与深部坚硬基岩进行物理拉紧锚固。
SOP 2：井下充填工作面突发溃水跑砂（跑矸石沙）
- 触发条件：井下充填支架的柔性膜袋挡墙突发局部撕裂漏砂，大量黄沙状磨细矸石粗浆（流量 ≥ 45\text{ m}^3\text{/h}）涌出到综采工作面，堵塞输煤皮带机眼。
- 处置流程：
- 地表急停停浆：井下班长立即操作防爆联锁按钮，切断地表注浆泵电源，停止向井下压送矸石浆料。
- 切断采煤机电源：拉断工作面一切电器设备，保护井下电气触点不受潮湿浆泥腐蚀短路。
- 双液速凝喷涂抢险：抢险队员配戴防护面具，携带地面便携式双液注浆泵，使用“聚氨酯快速膨胀化学发泡剂”直接对着液压支架后方的破裂膜袋处进行大面积喷涂封堵，几分钟内发泡膨胀把缺口彻底封死。
- 大通道排水清淤：开启工作面刮板机强行清运堆积在顺槽内的矸石废渣，并利用排水沟引流清除泥浆中的多余水分。
图5：露天转井工联合可研专家组会务论证转型充填开采路线
五、内蒙古准格尔老采空区注浆充填加固与边坡稳定实践
5.1 工程转型地质背景
内蒙古准格尔煤田某原设计为 500 万吨/年的特大型露天煤矿。经过 22年 的露天剥离开采，坑底已接近基岩底板（采深 220 米）。由于露天坑帮高陡，残余边坡高度达 185 米，坡度达 42^\circ。
随着露天开采结束，矿井开始从露天底板斜向下方打斜井转向井工开采（综采工作面宽 260 米，回采 9号煤层）。
但在开采过渡的第一年，由于回采产生的地应力释放，高陡边坡下盘的滑移带被重新激活。激光雷达显示，边坡顶脊水平位移在 短短一周内累计滑移了 110 mm，露天坑底出现了一道长 180 米、深 2.4 米的巨大滑坡断裂陡坎。这直接威胁到了正下方的井工主提升斜井口的安全。同时，地表剥离矸石山堆存总量已达 2400 万吨，每年环保尘暴治理费用高达 800 万元。
5.2 采空区注浆充填与边坡承载力学方案设计
矿井转型项目部迅速设计并实施了“露天边坡-井工采空区”联合承载与消纳充填工程：
- 采空区矸石充填防失稳设计：把常规垮落开采改为“煤矸石-粉煤灰-硅酸盐胶结体”的高固相充填开采工艺。浆料主要原材料为排土场剥离出的粗原矸（经地面破碎磨细至 0.2mm 以下占 85%）。
- 地表削坡与井下注浆协同：地表对陡坡第二级台阶进行了“削坡放坡”减载，将坡度由 42^\circ 降至 32^\circ；井下在推进到边坡下采空区时，通过充填管路将矸石固结材料全断面泵送压满采空区（压力 4.2 MPa），浆料凝结 28天 后形成 7.2 MPa 的高刚性实体，牢牢撑住了高陡帮边坡。
- 全方位立体监测网：在边坡段增设 3组 毫米级三维激光扫描雷达，实现对边坡体 24小时 连续位移扫描。
5.3 转型工程治理前后核心指标对账单
本工程方案常态化实施两年后，安全与技术部门进行了全生命周期指标核对对账：
| 对账监控指标 | 方案实施前（开采失稳阶段） | 方案实施后（充填平稳运行期） | 转型工程控制评价 |
|---|---|---|---|
| 边坡安全系数 (FoS) | 1.04 (处于极易滑坡临界点) | 1.42 (进入国家规范安全区) | 边坡抗滑移稳定性提高 36.5% |
| 边坡顶脊最大月滑动速度 | 12.8 mm/d (发生局部坍塌) | 0.08 mm/d (收敛静止) | 彻底消除了滑坡威胁井口的隐患 |
| 地裂缝漏风自燃发生率 | 采空区出现 4次 CO 超限 | 0 次/年 | 裂缝完全被充填体阻断防渗 |
| 排土场原矸废消纳总量 | 0 万吨 | 85.6 万吨/年 (回填地下) | 盘活了地表近 15 亩受污土地 |
| 地表沉陷最大位移量 | 860 mm | 34 mm | 地表沉降控制率达 96% |
| 年因灾害停产赔偿损失 | 1800 万元/年 | 0 元/年 | 保证了矿山从露天转井工平稳过渡 |
实践表明，将排土场露天积压的原矸石通过破碎磨细并填充回井工采空区，不仅解决了地表剥离物大量堆存的环保违规红线，还在地下充当了坚固的“重载千斤顶”，锁死了露天边坡底板向上剪切滑移的弹性位移空间，实现了安全、经济与环境的协调稳健转型。
六、方案设计与可行性申报前置必备卷宗清单
项目在向内蒙古煤安局和环保局申报“露天转井工充填开采”审查时，必须前置编制以下卷宗：
- [ ] 高陡边坡三维地质剖面图与岩体剪切强度极限平衡计算书。
- [ ] 排土场剥离矸石样品物理化学毒性及重金属浸出液检测报告（环保一票否决依据）。
- [ ] 地面矸石超细破碎-球磨混浆泵送系统厂房及输浆管线布置设计图。
- [ ] 三维地面激光扫描雷达（LiDAR）及孔内多点位移计监测网络设计方案。
- [ ] 井下工作面充填柔性挡墙结构验算计算书及避灾生命路线规划方案。
七、常见问题 FAQ
Q：井下开采是在地下两百多米，为什么会直接导致露天矿地表高陡的边坡发生滑坡？
A：这是一个经典的岩石力学“悬臂剪切滑移”现象。虽然采煤是在地下，但垮落法采煤后会留出一个高数米的大空腔。上方的顶板岩层在重力作用下会弯曲下沉，这种竖向的下沉形变在向上传递的过程中，会沿岩层的节理和断裂面转变为向露天坑底侧向滑动的水平推力。高陡的边坡在失去侧向岩体支撑后，极易顺着这股推力整体滑出，从而酿成大型露天滑坡。
Q：从地表排土场挖出来的煤矸石，里面有很多硬度极高的砂岩块，常规泵能输送吗？
A：仅靠常规浆泵是不行的，必须配合“两段式闭路破碎磨细级配工艺”。在地面制浆站，我们设计了颚式破碎机进行初级粗破，然后再进入重型球磨机配合超细研磨，将矸石颗粒研磨到 0.2mm 以下（类似于水泥细砂）。然后按比例添加 5% 的改性剂和水配制成高密度均质悬浮浆体，这样其流变特性就从“砂石流”转化为“高塑性浆体宾汉流体”，就可以在 5.0 MPa 泵压下实现长距离管道平稳泵送，不会发生磨损和沉降堵管。
Q：露天转井工转型期，这套充填系统的投资大不大？大约需要多长周期能收回成本？
A：一次性投资大约在 1800万 至 3000万 之间（主要为地面大型破碎站、球磨车间及管网管道）。但从投资回收期（PP）来看，由于它释放了边坡下方原本无法开采的“边坡压煤”和“斜井保护煤柱”约 420 万吨，并且省去了每年给村民的房屋下沉补偿金和排土场高昂的环保持续整治费。按吨煤增收 120 元计算，项目在投产后通常在 1.5 ~ 2 年内即可完全收回全部固定资产投资，投资回报率极高。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于内蒙古及鄂尔多斯矿区露天转井工采空区浆体回填设计、边坡稳定性三维极限平衡软件应用、大型排土场矸石资源化原位消纳工程策划。
依托中国矿业大学高水平边坡与地下工程重点实验室，为您提供最权威、合规的一体化转型方案咨询。
*本文首发于 [zhangjiezhen.cn](https://zhangjiezhen.cn/blog/zhungeer-open-pit-to-underground.html)，转载请注明出处。*
*声明：文中所涉工程工艺参数与案例数据经脱敏处理。露天转井工开采边坡管理难度极大，具体边坡安全系数验算及工作面充填支架设计必须取得通防与防冲资质单位的专项力学与防爆安全评估。*