露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑治理穩(wěn)定性分析

劉允秋 王廣文

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000; 3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000;4.中國(guó)黃金集團(tuán)資源有限公司，北京100011)

隨著鐵礦石不斷開(kāi)采，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多露天礦轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采，露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂膠結(jié)堆排技術(shù)，既解決了露天坑回填問(wèn)題，又解決了尾砂處置問(wèn)題，是未來(lái)國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山治理露天坑發(fā)展方向。

河北鋼鐵石人溝鐵礦治理方案，采用尾砂膠結(jié)堆排至露天坑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，數(shù)值模擬露天采坑穩(wěn)定性并進(jìn)行分析，保證堆排尾砂膠結(jié)具有一定膠結(jié)強(qiáng)度。

1 石人溝鐵礦數(shù)值模型建立

1.1 露天坑尾砂膠結(jié)堆排與下部礦體開(kāi)采的相互影響

河北鋼鐵石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑形成礦山的一期開(kāi)采，在開(kāi)采過(guò)程中破壞了原巖的應(yīng)力。露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑在尾砂膠結(jié)堆排之后，需要達(dá)到新的應(yīng)力平衡，勢(shì)必整個(gè)礦區(qū)的巖體應(yīng)力會(huì)重新分布。礦山在尾砂膠結(jié)堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑的同時(shí)，下部也同時(shí)進(jìn)行著三期工程的開(kāi)采，礦體的開(kāi)采，同樣會(huì)造成礦區(qū)巖體的應(yīng)力重分布。故在這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力重新分布，露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑和三期的開(kāi)采是否安全可靠，本次研究主要是用數(shù)值模擬的方法對(duì)礦區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1.2 建立數(shù)值分析模型

石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑底見(jiàn)圖1。根據(jù)滲流基本方程及定解條件的分析，使用GeoStudio軟件SEEP/W模塊進(jìn)行分析，具體的計(jì)算模型如圖2。

圖1 露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑底Fig.1 Open pit bottom of open pit to underground m ine

圖2 計(jì)算模型剖面Fig.2 Sectional view of computingmodel

2.3 確定計(jì)算模型的和數(shù)值模擬參數(shù)

本次模型計(jì)算采用Druck－Prager模型，此模型參數(shù)c、ψ易于確定，意義明確，公式簡(jiǎn)單，而且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合Mohr－Cou1omb準(zhǔn)則。

巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)用有限元進(jìn)行分析時(shí)，需要確定基本的巖石力學(xué)參數(shù)，在本次應(yīng)用程序中進(jìn)行材料彈塑性分析需要用到6個(gè)參數(shù)值:黏聚力c、密度ρ、泊松比μ、彈性模量E、膨脹角ψ(0≤ψ≤φ)以及內(nèi)摩擦角φ?；菊f(shuō)來(lái)，ψ=(0.8～0.9)φ時(shí)，能基本反映眾出多巖土材料的性質(zhì)，本次分析中取ψ=0.9φ與之對(duì)比，石人溝鐵礦數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 載荷與邊界條件

由于石人溝鐵礦的開(kāi)采分為3個(gè)階段，第1個(gè)階段是進(jìn)行一期的露天開(kāi)采，目前已經(jīng)開(kāi)采完畢，二期為露天地下聯(lián)合開(kāi)采，也已經(jīng)開(kāi)采完成，目前正進(jìn)行三期的開(kāi)采，故在本次模擬時(shí)要針對(duì)礦山的每次開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的模擬，以便能得到較為真實(shí)的應(yīng)力位移場(chǎng)。故在載荷模擬方面分布進(jìn)行了一期的露天開(kāi)挖卸荷和二期的地下開(kāi)挖卸荷，以及在目前狀態(tài)下，考慮到尾砂膠結(jié)堆排以后的應(yīng)力狀態(tài)，又對(duì)一期露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑和二期采空區(qū)進(jìn)行了堆排。以上模型上邊界采用地面自由邊界，模型底部所有節(jié)點(diǎn)取y方向約束、x方向自由;對(duì)模型四周邊界節(jié)點(diǎn)取x方向約束、y方向自由。

3 露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑治理穩(wěn)定性分析

3.1 露天邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)狀，使用GeoStudio軟件SLOP/W模塊對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算出邊坡安全系數(shù)為1.546，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。目前邊坡是安全穩(wěn)定的，在井下空區(qū)充填處理完畢以及尾砂膠結(jié)堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑之后，可進(jìn)一步提高露天邊坡的穩(wěn)定性，由此，在充填井下采空區(qū)以后對(duì)露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑進(jìn)行尾砂膠結(jié)堆排是有益可行的。

圖3 露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑邊坡的穩(wěn)定性Fig.3 Open pit to underground m ine stability of open pit slope

3.2 露天坑底和下部采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

位移矢量的表示以坐標(biāo)系為準(zhǔn)，即X、Y軸正方向?yàn)檎?，?fù)方向?yàn)樨?fù)。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4～圖9。

圖4 第一階段尾砂膠結(jié)堆排后的三期開(kāi)采豎向位移(m)Fig.4 The third phasem ining vertical displacement map after the first phase tailings cemented heaps

圖5 第一階段尾砂膠結(jié)堆排后的三期開(kāi)采最大主應(yīng)力(kPa)Fig.5 The third phasem ining themaximum principal stressmap after the first phase tailings cemented heaps

圖6 第一階段尾砂膠結(jié)堆排后的三期開(kāi)采XY向剪應(yīng)力(kPa)Fig.6 The third phasem ining the XY direction shear stressm ap after the first phase tailings cemented heaps

圖7 第二階段尾砂膠結(jié)堆排后三期開(kāi)采的豎向位移(m)Fig.7 The third phasem ining vertical displacement map after the second phase tailings cemented heaps

圖8 第二階段尾砂膠結(jié)堆排后三期開(kāi)采的最大主應(yīng)力(kPa)Fig.8 The third phasem ining themaximum principal stress map after the second phase tailings cemented heaps

圖9 第二階段尾砂膠結(jié)堆排后三期開(kāi)采XY向的剪應(yīng)力(kPa)Fig.9 The third phasem ining the XY direction shear stress map after the second phase tailings cemented heaps

(1)本次研究模擬了第一階段和第二階段尾砂膠結(jié)堆排至露天坑對(duì)三期井下開(kāi)采的影響，從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，對(duì)露天才坑第一階段尾砂膠結(jié)堆排以后，堆排體在達(dá)到強(qiáng)度要求以后有較小的豎向位移。整體露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑以及三期采礦均未出現(xiàn)大的位移，而且尾砂膠結(jié)堆排體對(duì)露天邊坡起到降坡作用，提高了露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑的安全系數(shù)。

(2)在對(duì)露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑分步堆排以后，露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑膠結(jié)堆排體表面豎向位移達(dá)到7 mm左右，屬于正常的位移范圍，同時(shí)，二期－60 m中段的采空區(qū)充填部分有2～3 mm的位移，說(shuō)明－60 m中段采空區(qū)充填體與圍巖形成的整體強(qiáng)度是能夠滿足上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑堆排體對(duì)下部圍巖的要求的。同時(shí)在三期開(kāi)采標(biāo)高的巖體位移都在1 mm左右，從一定程度上可以說(shuō)明對(duì)三期開(kāi)采的影響不大，但是由于三期工程開(kāi)采完之后會(huì)暫時(shí)形成一定規(guī)模的采空區(qū)，故在形成采空區(qū)與充填這個(gè)采空區(qū)之間這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，需要進(jìn)一步考慮其穩(wěn)定性。

(3)為進(jìn)一步探究上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑膠結(jié)堆排體與下部三期工程的開(kāi)采之間的相互影響關(guān)系，本次計(jì)算模擬對(duì)－180 m水平(離二期采空區(qū)充填以及露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑膠結(jié)堆排體豎向距離最近，之間的相互影響較明顯)進(jìn)行開(kāi)挖，由于三期開(kāi)采采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，要求礦方在三期開(kāi)采過(guò)程中，一定要及時(shí)充填回采完畢的礦房，這樣有助于保持整個(gè)圍巖體的穩(wěn)定性。從計(jì)算結(jié)果我們可以看出，在采空區(qū)和露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂堆排完畢之后在三期開(kāi)采過(guò)程中形成的采空區(qū)頂板位移最大位移為8 mm，空區(qū)底板有一定的底鼓現(xiàn)象，位移為5～6 mm?？梢?jiàn)，從位移角度來(lái)說(shuō)，如果對(duì)二期采空區(qū)的充填達(dá)到了充填質(zhì)量的要求，則上部采坑的充填對(duì)下部采礦的影響較小，不會(huì)影響到三期采礦的安全生產(chǎn)。同時(shí)，我們可以看出在三期工程形成了采空區(qū)的時(shí)候，上部充填體與圍巖形成的整體的位移在3 mm左右，故三期工程的開(kāi)采對(duì)上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑膠結(jié)堆排體沒(méi)有太大的影響。

綜合分析得出，二期采空區(qū)的充填一方面保證了露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂堆排體得以穩(wěn)定實(shí)施，另一方面也保證了三期礦體開(kāi)采的安全。上述分析結(jié)果都是建立在充填體達(dá)到充填強(qiáng)度的基礎(chǔ)之上的，故礦方在充填時(shí)一定要保證充填體的充填質(zhì)量，以免影響礦山整體的穩(wěn)定性，影響下部的安全生產(chǎn)。

4 露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂膠結(jié)堆優(yōu)勢(shì)

4.1 經(jīng)濟(jì)方面

采用尾砂膠結(jié)堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑，一方面可有效解決礦山三期開(kāi)采可能的安全隱患，另一方面，可有效利用選廠排出的固廢物，極大地解決了礦山尾砂無(wú)處堆放的問(wèn)題;按照目前的情況，新建一個(gè)尾礦庫(kù)，均攤到每立方米尾砂的費(fèi)用大致為15元，而堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑節(jié)約了大約15 830.25萬(wàn)元的尾礦庫(kù)建設(shè)費(fèi)用。

4.2 環(huán)境方面

通過(guò)尾砂膠結(jié)堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑，不僅在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了建設(shè)尾礦庫(kù)的成本，而且?guī)?lái)了一定的環(huán)境效益。尾礦干式堆存在我國(guó)屬于新生事物。尤其是在大型山谷型尾礦干堆場(chǎng)方面無(wú)成功的經(jīng)驗(yàn)可循。干式堆存既有安全度高、環(huán)保、節(jié)水的優(yōu)勢(shì)。也有運(yùn)行費(fèi)用高、堆放隨意性大、易造成粉塵污染等缺陷［1］。

通過(guò)尾砂膠結(jié)堆排至露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑，膠結(jié)后的尾砂堆排體不會(huì)與外界發(fā)生太多的交換，可有效避免上述問(wèn)題，大大降低了對(duì)環(huán)境的影響;而且在露天坑尾砂膠結(jié)堆排結(jié)束后，對(duì)堆排體上部覆土，進(jìn)行復(fù)墾處理，恢復(fù)了原始地貌，美化了環(huán)境。

4.3 社會(huì)方面

露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂膠結(jié)堆排可以改善尾礦堆存的穩(wěn)定性，大力保護(hù)水資源和減少對(duì)環(huán)境的影響，在環(huán)保、安全等方面均存在明顯的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，干堆工藝將獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑進(jìn)行尾砂膠結(jié)堆排具有諸多優(yōu)勢(shì)，通過(guò)巖石力學(xué)計(jì)算和數(shù)值模擬，在保證露天坑穩(wěn)定性前提下，露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑進(jìn)行尾砂膠結(jié)堆排必然會(huì)成為我國(guó)乃至全世界露天轉(zhuǎn)地下礦山未來(lái)的發(fā)展方向［2-6］。

5 露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑治理安全對(duì)策

石人溝鐵礦利用露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑進(jìn)行尾砂膠結(jié)堆排是可行的，其對(duì)井下的三期開(kāi)采的影響很小，同時(shí)井下的三期開(kāi)采也不會(huì)給上部的露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂膠結(jié)堆排帶來(lái)影響。但地下工程存在多種不確定因素，為防患于未然，還需采取以下安全對(duì)策:

(1)為確保上部巖體的穩(wěn)定性以及井下構(gòu)筑物的安全，礦山在開(kāi)采過(guò)程中一定要按規(guī)定留設(shè)足夠的保安礦柱。

(2)建議礦山加強(qiáng)落實(shí)對(duì)空區(qū)的充填，切實(shí)做好充填質(zhì)量管理，多次多點(diǎn)并及時(shí)充填，盡量充分接頂，控制充填體強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)盡快充填三期開(kāi)采所形成的采空區(qū)。

(3)礦山應(yīng)對(duì)三期的采礦方法繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少頂板暴露面積，控制一次爆破裝藥量，減少爆破震動(dòng)對(duì)上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑堆排體以及圍巖的擾動(dòng)。

(4)礦山應(yīng)建立括露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑尾砂堆排過(guò)程監(jiān)測(cè)，對(duì)地表及井下沉降及水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，必要時(shí)可撤出井下作業(yè)人員。

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