基于穩(wěn)定性分析的采空區(qū)治理方案*

張思敏，翟盛銳

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)金屬礦山的需求越來越大，露天金屬礦山的開采強(qiáng)度也越來越高，但是由于當(dāng)時(shí)的開采技術(shù)尚未成熟，各類設(shè)備不完善、水平低，以及沒有健全相應(yīng)的安全保障措施，許多的金屬、非金屬礦留下了大量未處理的采空區(qū)[1]。又因?yàn)榈V山資源潛在的巨大利益，一些小煤窯等非法組織的亂采濫挖，極度擾亂了礦山秩序，不僅給企業(yè)、國(guó)家?guī)聿簧俚刭|(zhì)上的隱患，威脅著安全生產(chǎn)，還給當(dāng)?shù)鼐用窀亍⑺Y源等生活保障帶來嚴(yán)重威脅[2]。采空區(qū)形成后，一些地質(zhì)災(zāi)害隨之潛伏在礦山，例如坍塌、冒頂片幫、山體崩落等，采空區(qū)帶來的隱患威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全[5]。

文中基于三維激光掃描采空區(qū)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用FLAC3D軟件，對(duì)充填方案的過程及結(jié)果進(jìn)行模擬[8]，分析充填方案的可行性、安全性，并以經(jīng)濟(jì)的角度選用合理的充填材料和工藝技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

1 采空區(qū)概況

某露天鐵礦采空區(qū)于上世紀(jì)50年代形成，為歷史遺留采空區(qū)，由于年代久遠(yuǎn)，采空區(qū)內(nèi)部情況不明、附近巖層穩(wěn)定性不明等問題，采空區(qū)問題一直沒有得到解決。地下開采開拓方法采用的是平硐-盲豎井開拓，具體由2條平硐和1條盲豎井組成。采礦方法采用淺孔留礦嗣后充填，礦山地下開采總的開采順序?yàn)橛上孪蛏戏种卸伍_采。礦山在同水平多礦體同時(shí)開采時(shí)，要先采上盤礦體后采下盤礦體，此露天礦山的充填工藝完整。根據(jù)三維激光掃描測(cè)量作業(yè)共測(cè)得7個(gè)鉆孔采空區(qū)，均測(cè)得大范圍采空區(qū)，測(cè)量所得的鉆孔情況見表1。

表1 鉆孔情況一覽Table 1 List of drilling conditions

此露天鐵礦的礦床類型屬前震旦紀(jì)沉積變質(zhì)型磁鐵石英巖和赤鐵石英巖。尾礦化學(xué)成分中SiO含量達(dá)65%～75%，SiO2的含量較高，達(dá)到了83%，全鐵品位在8%～14%之間，屬于高硅型的尾礦。在此露天鐵礦生產(chǎn)中，出產(chǎn)尾砂量大，尾砂的平均粒度在0.04～0.20 mm。露天鐵礦擁有2個(gè)尾礦庫，尾礦量約600萬m3，密度2.65 t/m3，見表2、3。

表2 某露天鐵礦尾礦化學(xué)元素分析結(jié)果Table 2 Analysis results of chemical elements in tailings of an open-pit iron mine

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

為準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的三維形態(tài)、立體模型、空間分布、走向延伸等特征，首先基于三維激光的掃描技術(shù)的實(shí)景復(fù)制功能，根據(jù)圖1所示的采空區(qū)鉆孔布置，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)掃描[8]。將掃描的點(diǎn)云生成采空區(qū)三維模型如圖2所示，導(dǎo)入FLAC3D中，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

表3 某露天鐵礦尾礦顆粒級(jí)配關(guān)系Table 3 The particle gradation relationship of tailings in an open-pit iron mine

圖1 采空區(qū)鉆孔布置Fig.1 Drilling layout of goaf

圖2 采空區(qū)三維模型Fig.2 3D model of goaf

計(jì)算范圍沿X軸-80～100 m；沿Z軸-30～70 m；沿Y軸-40～60 m，作為模型邊界。整個(gè)模型共劃分11 160個(gè)單元體和12 768個(gè)節(jié)點(diǎn)，將采空區(qū)部分視為空單元進(jìn)行模擬處理。

在模型的左右邊界、前后邊界及底部邊界采用零位移邊界條件，上邊界為自由邊界，在本次FLAC3D數(shù)值計(jì)算中的本構(gòu)模型采用的是彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則利用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。模擬采用的物理學(xué)參數(shù)和初始應(yīng)力平衡參數(shù)見表4。

表4 巖石力學(xué)參數(shù)Table 4 Rock mechanical parameters

為分析露天鐵礦采空區(qū)的穩(wěn)定性，在三維激光掃描建模的基礎(chǔ)上，將模型(圖2)導(dǎo)入FLAC3D軟件中運(yùn)用FLAC3D的有限差分方法，對(duì)礦區(qū)內(nèi)井下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析得到應(yīng)力圖，如圖3、4所示。模擬分析統(tǒng)計(jì)探測(cè)鉆孔周圍巖層的穩(wěn)定性[10]，可以得到表5、6。

圖3 采空區(qū)圍巖最大主應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud map of maximum principal stress of surrounding rock in goaf

圖4 采空區(qū)圍巖最小主應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud map of minimum principal stress of surrounding rock in goaf

表5 應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)Table 5 Stress field parameters

表6 周圍巖層的穩(wěn)定性Table 6 Stability of surrounding rock strata

根據(jù)結(jié)果分析得到，采空區(qū)已經(jīng)影響到了周圍巖層，為避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從根本上解決采空區(qū)存在的隱患，需要對(duì)此采空區(qū)進(jìn)行處理，選取全充填方案進(jìn)行處理。

3 采空區(qū)充填

3.1 充填方案選擇

對(duì)于采空區(qū)而言，常見的處理方式有“崩”“充”“封”“撐”4種，即崩落法、充填法、封閉法和加固法。其中，加固法主要用于采空區(qū)土方工程的公路和隧道建設(shè)，不常用作封閉采空處理。由于開采成本高，技術(shù)難度大，開采階段采用崩落法的也比較少。在具體采空區(qū)的處理過程中，由于各礦區(qū)采空區(qū)的數(shù)量、位置和形態(tài)特征的不同，必須根據(jù)各采空區(qū)的特點(diǎn)和條件采取相應(yīng)的處理方法。在該采空區(qū)處理的各種方案中，唯有充填法最符合實(shí)際。充填法設(shè)計(jì)難度較崩落法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，且不會(huì)給周圍巖層帶來二次破壞。以長(zhǎng)遠(yuǎn)的目光來看，封閉法不適用于露天礦采空區(qū)治理，露天礦采空區(qū)一般位于邊坡附近，日夜有土方車進(jìn)行作業(yè)，極易造成封閉而不進(jìn)行充填治理的采空區(qū)垮落。相較于其他方案，充填法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且有效，是目前露天礦采空區(qū)治理的最優(yōu)選擇[12]。

3.2 充填材料選擇

充填骨料：分級(jí)尾砂和-3 mm棒磨砂。分級(jí)尾砂中的-30 μm細(xì)顆粒含量不能大于20%。

膠凝材料：采用32.5#普通硅酸鹽散裝水泥(容重30.38 kN/m3)和干粉煤塵(密度1 900 kg/m3)作為充填漿料用的膠凝材料。

膏體充填物料配合比及輸送濃度見表7。

表7 膏體物料配合比參數(shù)Table 7 Mixing ratio parameters of paste materials

3.3 充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次采空區(qū)充填包含物料準(zhǔn)備、攪拌制備膏體、泵送管道輸送以及鉆孔充填等工藝流程，主要步驟如下：①對(duì)尾礦進(jìn)行再磨再選，達(dá)到平均粒級(jí)30 μm的標(biāo)準(zhǔn)，以20%濃度排放到尾礦庫存放。充填采用的尾砂是用濃密機(jī)處理后密度為2.65 t/m3，容重為1.2 t/m3的尾砂，選廠尾砂通過渣漿泵加壓后，輸送至加壓泵站加壓，再由泵加壓輸送至壓濾車間進(jìn)行壓濾，尾砂濾餅經(jīng)皮帶輸送至尾砂庫進(jìn)行干排。目前此露天鐵礦處理后尾礦量約6.0×106m3。②由電鏟采集的-3 mm棒磨砂，經(jīng)過二段破碎形成棒磨砂，然后采用火車運(yùn)送至砂倉，采用抓斗皮帶上料輸送，圓盤定量給料，再由皮帶輸送到攪拌機(jī)。③粉煤灰在遷安某熱電站收塵飛灰至儲(chǔ)倉，然后采用專用汽車運(yùn)輸，并通過風(fēng)力送入粉煤灰倉，再利用螺旋給料機(jī)通過皮帶輸送至攪拌機(jī)。④將水泥廠生產(chǎn)的水泥用水泥罐車運(yùn)送至充填站，然后采用風(fēng)力輸送入倉，經(jīng)過水泥活化攪拌機(jī)制漿后，使用渣漿泵送入最大生產(chǎn)能力為80 m3/h的攪拌機(jī)混合。⑤運(yùn)用立式砂倉與兩段攪拌工藝制備充填漿料。制備膏體時(shí)，連續(xù)攪拌作業(yè)要求大于13.5 m3/h，同時(shí)，要注意時(shí)刻給攪拌機(jī)里面加入定量的清水，充填用的骨料以及凝結(jié)劑等材料經(jīng)過攪拌機(jī)的連續(xù)不間斷攪拌，生產(chǎn)出適合充填用的高濃度膏體，這些膏體隨即進(jìn)入到受料斗開始輸送。

4 結(jié)語

(1)在實(shí)地進(jìn)行三維激光測(cè)量后，得到遷安市某露天鐵礦附近的歷史遺留采空區(qū)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，使用三維激光掃描儀掃描采空區(qū)范圍效果顯著。

(2)運(yùn)用FLAC3D對(duì)遷安市某露天鐵礦地下采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。成功完成了采空區(qū)周圍巖層的位移、破壞單元模擬。通過研究露天鐵礦采區(qū)地下采空區(qū)上覆圍巖受采空區(qū)影響的變形特征情況與分布規(guī)律，得出了現(xiàn)露天鐵礦采區(qū)地下采空區(qū)正處于一個(gè)比較穩(wěn)定但仍存有巨大風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)，圍巖有剪切破壞單元的產(chǎn)生，以及采空區(qū)頂板有沉陷趨勢(shì)，為了更好地解決采空區(qū)的不穩(wěn)定問題而提出使用充填法解決隱患。

(3)利用唐山遷安市某露天鐵礦堆放的尾砂、自主生產(chǎn)的棒磨砂以及附近遷安電廠的粉煤塵作為充填骨料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，從而有效地抑制尾礦揚(yáng)塵，不僅改善了礦山環(huán)境，還避免了企業(yè)在復(fù)墾工作上不必要的經(jīng)濟(jì)損失。