1 绪论
　　自20世纪50年代以来，全世界已建有有色金属、钢铁、煤炭、黄金、化工等各类露天矿山1500余座。按矿山当前的生产能力计算，露天开采在各类非能源固态矿床开发中所占的比例约为：有色金属矿50%、铁矿87%、化工原料矿71%、建材矿山近100%。经过几十年持续高强度的开采，绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段，大部分矿山正在或者已经转露天和地下联合开采或者完全转地下开采。露天矿进入深凹开采阶段后，一方面采场水平不断延深，采场作业尺寸逐渐缩小，工作平台宽度变窄，运输距离增加，运输效率降低，矿山生产能力下降，作业成本显著增加；另一方面露天边坡越来越高，边坡控制和管理的难度越来越大，对生产的威胁日益加剧。此外，采场的环境污染越来越严重，劳动、作业条件日益恶化，劳动生产率显著降低。露天开采具有的投产快、基建投资少、安全指数高、损失贫化指标好等优势逐步丧失。因此，随着浅部易开采资源逐渐减少和露天坑延伸扩大，剥采比增幅显著，并形成了深凹底坑和陡峭的露天终了边坡，使得矿山开采不仅技术难度加大，而且无经济效益可言，这些因素迫使露天开采矿山转地下开采。
　　矿山由露天转地下开采后，露天边坡及坑底周围岩体先后受到两次大规模开采扰动。露天大规模开采时期，露天边坡及坑底周围岩体已经形成较大的应力扰动，以压应力释放为主，局部地段产生应力集中，开采结束一段时间后应力达到一个新的平衡。在此基础上再转入地下开采阶段，露天边坡及周围岩体依旧位于地下开采影响区域范围内，再次对露天边坡及坑底周围岩体造成扰动，形成二次扰动，且第二次开采扰动极大地影响并改变其应力与变形状态。同时，露天边坡及坑底周围岩体受扰动后的变形破坏对地下采场围岩及其上覆岩层的应力与变形状态也产生重要影响，表现为一种采动的作用与影响对另一个平衡体系的干扰或作用，使得两个体系之间的危害相互诱发，从而组成一个复合动态变化系统。该系统内的岩体应力状态与变形过程有别于单一露天开采或者单一地下开采。
　　磷矿是国家重要的战略资源，在我国粮食生产、现代化学工业、新能源、新材料及国防等领域中具有广泛用途。磷矿是农业中不可替代的磷肥生产原料，因此磷资源的高效开发利用是关系我国粮食生产安全的重大课题。并且，磷矿石被国土资源部(现称为自然资源部)列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20个矿种之一。磷矿物按其成矿起源可分为沉积岩、变质岩和火成岩。目前，工业开采的磷矿约85%是海相沉积型磷矿，其余主要为火成岩磷矿。我国磷矿绝大部分属于海相沉积型磷矿，缓倾斜薄至中厚难采磷矿床占已探明工业储量的70%以上，而露天开采的矿山约占30%，*具有代表性的矿山为云南滇池周边区域的昆阳、晋宁、尖山、海口等大型露天磷矿山。“十二五”末期以来，随着我国浅部磷矿资源逐步开采殆尽，我国露天磷矿主产区云南滇池地区、贵州瓮福地区、湖北胡集地区的露天磷矿山逐步进入深凹露天开采阶段，部分矿区(贵州穿岩洞磷矿、湖北黄麦岭磷矿、云南没租哨磷矿)甚至已经转入地下开采阶段。特别是占我国露天产磷总量90%左右与占磷总产量25%的云南滇池的磷矿成矿年代久远、历经地质构造活动频繁、地处云南高原滇池周边这一重要生态敏感区域，为大型沉积型连续层状矿床，呈缓倾斜、含软夹层、薄至中厚的赋存状态，埋藏深度为50～400m的近浅埋矿床历经多次地质构造与浅部露天采矿作业扰动，呈现典型的松散体特征，矿体顶板与围岩节理、裂隙发育，属于典型的不稳定岩体类型。同时，矿山由露天转地下开采后，矿体上盘附近还矗立有露天开采形成的层状高陡岩质边坡，该类型露天边坡的存在对地下开采的顺利进行产生重要影响。矿山采用露天或者地下开采后，其相应的采矿方法、采矿工艺、生产及运输程序以及由采矿活动引起的边坡、采场覆岩、围岩与地表的采动破坏特征、顶板与采场围岩矿压活动规律是截然不同的[1，2]。因此，对磷矿床露天转地下开采的研究显得尤为迫切与突出。本书通过现场调研、相似材料模拟试验、数值模拟试验和理论研究，对复杂地质赋存条件下磷矿床露天转房柱法地下开采后，层状高陡岩质边坡与地下开采相互作用的采动演化特征及其动态效应进行全面、深入研究，揭示露天边坡与地下采场围岩及其上覆岩层的非线性变形机制与动态失稳机理。相关成果对我国复杂地质赋存条件下矿山露天转地下开采后地压管理与控制及露天边坡的安全维护具有重要的理论意义和工程价值。
　　1.1 我国磷矿资源赋存现状
　　磷矿的工业开采始于19世纪中叶。*次有产量记载的是1847年在英国萨福克地区开采了500t磷矿。20世纪50年代以前，磷肥工业尚处于以生产过磷酸钙为主的早期阶段，对磷矿的数量和质量要求都不高，磷矿开采仅选择地理位置好、交通运输方便和开采容易的富矿，不经富集处理即能满足磷肥生产的需要。随着磷肥工业的发展，磷矿需求量迅速增加，尤其是高浓度复合肥料生产的发展对高质量磷矿的需求也相应增加，仅仅开采浅部富磷矿的生产方式已不能满足要求。在这种情况下，开采品位不高的磷矿资源，经过富集加工处理生产商品磷矿的生产方式迅速发展起来。
　　全球磷矿石资源储量与产量分布较为集中。据美国地质调查局(USGS)统计，截至2019年底全球磷矿储量为678亿t，磷矿资源量为3000亿t，按目前的消耗速度静态计算，全球磷矿探明储量可使用300年左右，整体来看，可基本保障社会生存发展需求。尽管全球磷资源储量丰富，但分布极不均衡，其中摩洛哥和西撒哈拉的磷矿储量以500亿t位列全球**，中国的磷矿储量以37亿t居全球第二，阿尔及利亚的磷矿储量以22亿t居全球第三，仅摩洛哥和西撒哈拉、中国、阿尔及利亚三个国家和地区磷矿储量占全球总探明磷储量的80%以上，因此全球磷矿石产业集中度较高。2020年全球磷矿石产量为2.2亿t，产量居全球前三的国家和地区分别为中国(52%)、摩洛哥和西撒哈拉(12.5%)、美国(11%)，这三个国家和地区产量占比超过全球磷矿石产量的75%。国外进行深部矿体开采的磷矿山较少，90%以上磷矿山主要开采浅部矿体资源，美国、摩洛哥、巴西、突尼斯、澳大利亚、约旦、埃及、沙特阿拉伯、以色列、南非、秘鲁和委内瑞拉等主要磷矿开采大国几乎全部采用露天开采方式；而同为磷矿开采大国的俄罗斯及苏联地区则以露天开采方式为主，同时少部分矿山进行了深部矿体资源开采，以地下开采方式为主。
　　我国蕴藏丰富的磷矿资源，磷矿远景资源储量约占世界磷矿远景资源总储量的8.33%，仅次于摩洛哥和西撒哈拉地区。已探明磷矿资源量仅次于摩洛哥，约占世界已探明磷矿资源总量的35%，位居世界第二位。截至2019年底，我国共有磷矿产地578处，其中大型93处，中型168处，小型317处，所查明磷矿床以中、小型为主。磷矿床数量上以中、小型为主，但储量规模以大型为主。我国磷矿资源分布在全国29个省(自治区、直辖市)，已探明磷矿资源量总量189.90亿t，其中经济储量13.60亿t，基础储量46.40亿t，资源量143.50亿t，平均品位17%。其中，品位大于30%的富矿储量3.30亿t，基础储量7.85亿t，保有查明资源量13.20亿t，富矿已探明资源量占已探明磷矿光源总量的6.95%。据自然资源部统计，截至2019年底，全国共有磷矿生产企业376家，其中大型生产企业10家，磷矿石年生产量约3500万t；中型生产企业50家，磷矿石年生产量1000多万吨；小型企业316家，磷矿石年生产量5万t以下的小矿有74家，磷矿石年生产量合计约2000万t，形成了大中小矿山并举、共同发展的局面，年开采总规模达6600多万吨。我国磷矿开采分为露天和地下开采两种，其中，深部矿体资源的地下开采产量约占65%，浅部矿体资源的露天开采产量约占35%。露天磷矿多为深凹露天磷矿，以公路开拓运输为主。大型露天磷矿回采率可达到97%～98%，部分中小型露天磷矿回采率在75%左右，露天开采具代表性的磷矿山有云南磷化集团有限公司的磷矿山、贵州磷化(集团)有限责任公司瓮福磷矿、湖北黄麦岭磷矿以及湖北荆襄大峪口磷矿。地下开采主要有空场法和崩落法，采矿回采率一般在70%～80%，部分特大型矿山的回采率可达到85%左右，大部分小型磷矿山的回采率仅为60%左右，地下开采具代表性的磷矿山有贵州磷化(集团)有限责任公司开阳磷矿、四川金河磷矿集团有限公司金河磷矿[3，4]。
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 国内外矿山露天转地下开采现状
　　1)国外矿山露天转地下开采现状
　　国外由露天转入地下开采的矿山较多，主要涉及金属矿山，如瑞典基鲁纳瓦拉矿、南非科菲丰坦金刚石矿、加拿大基德里克多金属矿、加拿大贡纳尔铀矿、加拿大斯提普洛克铁矿、加拿大威廉姆斯铁矿、芬兰皮哈萨尔米矿、苏联阿巴岗斯基铁矿、澳大利亚蒙特莱尔铜矿、扎伊尔卡莫铜钻矿、因斯平拉逊铁矿、苏联列比斯基铁矿、美国圣拉依茨铁矿、英国弗洛根金姆铁矿、苏联沙尔巴伊斯基铁矿、新巴里斯基铁矿、印度Malanjhkhand铜矿、伊朗Chah-Gaz铁矿、俄罗斯Raspadsky铁矿、印度Rampura Agucha铅锌矿等[5-25]。根据各矿山地质、采矿、资源、环境和经济等因素的不同，就上述矿山合理的露天开采极限深度、露天开采向地下开采过渡时期的产量衔接、露天开采边坡管理与残柱回收、露天开采坑底顶柱厚度和缓冲层厚度、露天开采开拓系统与地下开采系统衔接以及露天坑内通风与防排水系统等问题进行了系统研究，取得较好的效果[26-48]。
　　芬兰皮哈萨尔米矿为黄铁矿矿床，矿体埋深在地表以下500m，走向长650m，中部宽75 m，两端变窄，矿体北部倾角50°～70°，其余部位为垂直的，该矿开采的特点是：采用露天转地下同时开拓建设、露天超前地下开采的方式，并利用统一的地下巷道，使过渡时期拉长，确保地下开采有充分的时间进行采矿方法试验。露天转地下共同使用井下破碎站和提升系统，减少了基建投资和露天剥离量，深部露天矿石通过溜井下放到地下开采的运输系统中，采用竖井提升方式比地面汽车运输节约开采成本，从地面有斜坡道直通井下各个工作面，有利于提高采场的机械化程度和设备的效率。
　　瑞典基鲁纳瓦拉矿的矿床由三个透镜状矿体组成，长7000m，倾角55°～65°，其中基鲁纳瓦拉矿走向长3000m，平均厚度90m，该矿从1952年开始由露天向地下开采过渡，1962年全部转入地下开采，矿山生产能力为2300万～2500万t/a。该矿山开采的特点是：深部露天矿石用溜井通过坑内巷道运出，减少了露天剥离量并缩短了运输距离；地下用竖井斜坡道开拓，使凿岩、装运等无轨设备可直接进出坑内采矿工作面；井下运输提升全部实现自动化，使地下开采的机械化提高到一个新的水平。
　　2)国内矿山露天转地下开采现状
　　国内也有不少矿山正在或即将要露天转地下开采，“十一五”以来特别是“十二五”“十三五”期间，我国已有广西的大新锰矿，河北的矿山村铁矿、建龙铁矿，福建的连城锰矿，河南的银洞坡金矿，安徽的新桥硫铁矿，江苏的冶山铁矿、凤凰山铁矿，安徽的铜官山铜矿，甘肃的折腰山铜矿，湖北的余华寺铁矿、大广山铁矿、红安萤石矿、大冶铜山口铜矿、大冶铁矿东露天矿、黄麦岭磷矿，辽宁的北松树卯铝矿、小汪沟铁矿、海城滑石矿，江西的良山铁矿，浙江的漓渚铁矿，山东的赵庄金矿、归来庄金矿、金岭铁矿、蒙阴金刚石矿，内蒙古的金山矿业公司，贵州的穿岩洞磷矿，云南的没租哨磷矿等30余座年产量300万～1000万t的大中型露天矿山转入地下开采[49-80]。国内露天转地下开采的矿山虽然不多，但通过试验和理论研究在露天地下联合穿爆地下出矿、露天漏斗法采矿、地下穿爆露天出矿、露天转地下开采离散单元数值模拟、露天地下联合开采平稳过渡措施、覆盖层合理厚度、露天转地下开采后次生应力场的有限单元模拟、地下开采防水、露天开采境界顶柱数值分析以及采场结构参数和开采顺序优化等工艺和技术方面积累了很多宝贵经验。