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        露天轉(zhuǎn)地下崩落法采礦覆蓋層滲流量影響因素分析

        2013-08-25 08:27:58吳永強(qiáng)孫艷秋
        金屬礦山 2013年4期
        關(guān)鍵詞:匯水覆蓋層采場(chǎng)

        吳永強(qiáng) 孫艷秋

        (河北鋼鐵集團(tuán)灤縣常峪鐵礦有限公司)

        露天轉(zhuǎn)地下采用崩落法采礦的礦山,需要在露天坑底回填合理級(jí)配結(jié)構(gòu)的覆蓋層,以起到較好的滯水作用及滿(mǎn)足防沖擊地壓等要求。由于露天坑極易積水,且積水很容易透過(guò)覆蓋層滲入井下,因此,研究露天坑覆蓋層滲流量的影響因素,可有效控制覆蓋層的滲流量,對(duì)井下防排水及安全工作有重要意義。司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)為露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山,在選擇了合理結(jié)構(gòu)的回填料之后,首先對(duì)礦區(qū)降雨進(jìn)行分析與計(jì)算,然后采用離散單元法建立數(shù)值分析模型對(duì)覆蓋層的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬分析,深入研究覆蓋層滲流量與各影響因素之間的關(guān)系,以期能有效地控制Ⅲ采場(chǎng)覆蓋層的滲流量,保證井下采礦安全。

        覆蓋層的滲流是井下系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)必須考慮的一部分,前期通過(guò)對(duì)司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)露天坑覆蓋層的滲流影響因素進(jìn)行分析與研究,并利用研究結(jié)論指導(dǎo)露天坑覆蓋層的施工,實(shí)現(xiàn)了露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采覆蓋層的有效形成,最大限度地減小了覆蓋層的滲流量,有效地控制了井下放礦時(shí)泥石流災(zāi)害的發(fā)生,保證了井下采礦安全。根據(jù)研究成果,司家營(yíng)鐵礦制定了露天采坑的回填設(shè)計(jì)規(guī)劃,并結(jié)合露天采場(chǎng)剝巖同步進(jìn)行。礦坑回填采取二層分步回填以形成地采上部覆蓋巖層,下層廢石粒徑為100~150 mm,從Ⅲ采礦場(chǎng)+42 m水平臨近山包地段進(jìn)行剝離取料,設(shè)計(jì)回填標(biāo)高為-10~-48 m,廢石非均勻度小于0.436;上層廢石粒徑為10~80 mm,從Ⅲ采礦場(chǎng)+30 m水平強(qiáng)風(fēng)化巖石地段取料,設(shè)計(jì)回填標(biāo)高為+15~-10 m,廢石非均勻度小于0.369。實(shí)踐表明,按以上參數(shù)施工形成的覆蓋層滲流量小,滿(mǎn)足井下安全生產(chǎn)要求。

        1 礦區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算

        在搜集了司家營(yíng)礦區(qū)近25年來(lái)記錄的各時(shí)段的最大降雨量后,根據(jù)記錄數(shù)據(jù),經(jīng)非線性回歸得到礦區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算式為

        式中,q為暴雨強(qiáng)度,10-4L/(s·m2);T為重現(xiàn)期,a;t為降雨歷時(shí),min。

        圖1為暴雨強(qiáng)度非線性回歸曲面。

        圖1 司家營(yíng)礦區(qū)暴雨強(qiáng)度非線性回歸曲面

        2 露天坑匯水面積

        根據(jù)Ⅲ采場(chǎng)露天采坑的高程,可以圈定采坑的匯水區(qū)范圍,將此匯水區(qū)范圍導(dǎo)入AutoCAD中可以確定露天坑南北長(zhǎng)度約2 010 m,寬度約81 m,匯水區(qū)面積約為162 039 m2。

        3 露天坑最大滲流量計(jì)算

        根據(jù)式(1),對(duì)時(shí)間和匯水面積積分,就可以獲得匯水面積內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的降雨量式。

        考慮到24 h的降雨量以及司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)露天坑的匯水面積,通過(guò)積分后得到Ⅲ采場(chǎng)露天坑24 h內(nèi)最大降雨量的計(jì)算式為

        式中,Qmax為24 h最大降雨量,m3。

        Ⅲ采場(chǎng)露天坑滲流量取決于覆蓋層的滲透性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑滲水試驗(yàn)得到覆蓋層入滲系數(shù)[1],從而可以確定露天坑滲流量為

        式中,k為覆蓋層入滲系數(shù),m/d;h為覆蓋層厚度,m。

        4 露天坑覆蓋層滲流量數(shù)值分析

        4.1 覆蓋層滲流性模擬實(shí)驗(yàn)

        選取覆蓋平均顆粒直徑d、土石層的孔隙率n、覆蓋層的厚度h、水頭壓力p的3個(gè)水平,運(yùn)用正交試驗(yàn)法得出9種組合[2],見(jiàn)表1。

        表1 正交試驗(yàn)組合

        4.2 數(shù)值模型與固流耦合分析

        為了預(yù)測(cè)露天坑覆蓋層滲流量,采用離散單元法建立數(shù)值分析模擬進(jìn)行模擬及預(yù)測(cè),分別對(duì)覆蓋層15、20、25 m 3 種厚度及 0.15、0.25、0.35 m 3 種平均粒徑進(jìn)行滲流量模擬[3]。圖2為進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算模型。

        圖2 滲透模擬計(jì)算模型

        為了模擬固流耦合效應(yīng),在模擬計(jì)算前必須進(jìn)行固流耦合域的確定。圖3為滲流模型固流耦合域。

        圖3 滲流模型固流耦合域

        4.3 覆蓋層的滲流量計(jì)算分析

        由滲流模型固流耦合域中的流量與壓力間的關(guān)系,首先計(jì)算出1~9號(hào)試驗(yàn)組合滲流平均壓力差值為 468.59,211.36、161.71、249.49、493.92、159.39、182.56、595.3、135.98 MPa,然后經(jīng)換算得出域單位表觀體積滲流量的大小,其計(jì)算式為

        式中,Vd為域的表觀體積;ΔPp為模型底部滲透壓力差;Kf為體積模量;Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

        滲透模擬計(jì)算模型底部尺寸為60 m。取Kf=1.0 ×106kPa,Δt=1.0 ×10-2s。將1~9號(hào)試驗(yàn)組合滲流平均壓力差值代人式(4),1~9號(hào)試驗(yàn)組合滲流量計(jì)算結(jié)果如下:Q1=0.281,Q2=0.127,Q3=0.097,Q4=0.150,Q5=0.296,Q6=0.095 6,Q7=0.110,Q8=0.357,Q9=0.081 6 。

        根據(jù)已經(jīng)得出的計(jì)算數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)分析軟件DSP對(duì)滲流量Q及所確定的4個(gè)相關(guān)的因素d、n、h、p分別采用線性逐步回歸法和二次逐步回歸法進(jìn)行回歸分析,回歸結(jié)果如下:

        (1)線性回歸,

        (2)二次逐步回歸,

        5 結(jié)論

        (1)礦區(qū)降雨強(qiáng)度、露天坑匯水面積與露天坑覆蓋層的滲流量成正比。

        (2)覆蓋層孔隙率與露天坑覆蓋層的滲流量成正比,應(yīng)盡量壓密土石混合體,降低孔隙率,控制滲流量。

        (3)組成覆蓋層的顆粒粒徑與露天坑覆蓋層的滲流量成正比,應(yīng)降低顆粒平均粒徑,減少滲流量。

        (4)覆蓋層厚度越大,露天坑覆蓋層的滲流量滲流量越小,應(yīng)盡可能增加覆蓋層的厚度。

        [1] 徐 揚(yáng),高 謙,李 欣,等.土石混合體滲透性現(xiàn)場(chǎng)試坑試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009(3):855-858.

        [2] 楊曉炳,高 謙,王連慶.散體顆粒流動(dòng)數(shù)值方法在放礦工程中的應(yīng)用[J].金屬礦山,2010(5):1-4.

        [3] 魏隨利,王國(guó)強(qiáng),郝萬(wàn)軍,等.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

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