芮 斌 王登玉 楊 帆 何揚(yáng)揚(yáng)

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

靈寶鐵礦采空區(qū)充填穩(wěn)定性分析

芮 斌 王登玉 楊 帆 何揚(yáng)揚(yáng)

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

為避免靈寶鐵礦露天邊坡滑坡及采空區(qū)失穩(wěn)垮塌，擬對(duì)-50 m水平采空區(qū)進(jìn)行充填處理。采用三維有限元法對(duì)未充填、石灰土和尾砂充填下的露天邊坡及采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，得出在充填情況下，露天邊坡及采空區(qū)穩(wěn)定性得到有效改善。通過(guò)對(duì)比兩種充填方案的施工工藝、經(jīng)濟(jì)成本等，建議該礦采空區(qū)采用尾砂充填方案。

采空區(qū)充填 有限元數(shù)值模擬 穩(wěn)定性

近年來(lái)，鄂東地區(qū)礦業(yè)發(fā)展迅速，安全生產(chǎn)和地壓管理得到進(jìn)一步完善。但由于礦石資源的逐步枯竭，礦山經(jīng)濟(jì)效益逐漸下滑。為了緩解礦山資源危機(jī)，維持礦山生產(chǎn)，部分小型礦山逐步回采采空區(qū)殘礦，包括礦柱、頂?shù)装?、橫撐等，使得該地區(qū)形成了大量高危采空區(qū)。巖體的開挖對(duì)周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)，形成復(fù)雜的次生應(yīng)力場(chǎng)，引起局部應(yīng)力集中，進(jìn)而造成圍巖的失穩(wěn)和破壞[1]。

以靈寶鐵礦為工程實(shí)例，運(yùn)用三維有限元方法，模擬該礦采空區(qū)及邊坡在未充填、石灰土充填和尾砂充填三種情況下的穩(wěn)定性，為該礦的地壓管理提供可靠的理論依據(jù)，并結(jié)合礦山實(shí)際情況對(duì)比不同充填方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出最優(yōu)充填方案。

1 礦山采空區(qū)現(xiàn)狀

靈寶鐵礦位于湖北省大冶市，1958年由武鋼組建，開始對(duì)小包山、獅子山北礦體進(jìn)行露天開采，開采最低水平至-25 m。1989年由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，采礦方法為房柱法，分段高度20～30 m，頂?shù)装搴穸?～5 m，各分段留設(shè)有少量的不規(guī)則礦柱。經(jīng)過(guò)多年的開采，目前靈寶鐵礦采空區(qū)主要在-50，-70，-88 m水平；采空區(qū)上部-25 m為露天礦坑，-50 m水平采空區(qū)與露天坑采穿；-88 m水平以下為神山鐵礦采區(qū)，西面為長(zhǎng)坪豎井采區(qū)。由于多年的開采和地表風(fēng)化，采空區(qū)圍巖和露天礦邊坡受到不同程度的損壞。2012年前后，露天邊坡發(fā)生過(guò)多次滑坡，廢石擊穿-70 m水平頂板，并將該水平采空區(qū)完全充填。為了避免露天邊坡再次滑坡對(duì)其下方采空區(qū)造成破壞，擬對(duì)-50 m水平采空區(qū)進(jìn)行充填，確保露天邊坡及采空區(qū)的穩(wěn)定。

2 有限元模型

2.1 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)的確定

依據(jù)礦區(qū)礦巖的點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)得到該礦礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)該礦區(qū)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)以及節(jié)理裂隙、地下水等對(duì)礦巖強(qiáng)度的影響進(jìn)行適當(dāng)折減，確定礦巖的計(jì)算參數(shù)。充填體的力學(xué)參數(shù)與其材料比、施工質(zhì)量以及后期養(yǎng)護(hù)等有重要關(guān)系。此次擬采用的石灰土主要成分為黏性黃土、石灰和普通水泥，體積配合比為2∶6∶100[2]，擬采用的尾砂充填料主要成分為普通水泥和尾砂，體積配合比為1∶30[3]。分別對(duì)這兩種充填材料后期強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)靈寶鐵礦提供的資料和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該礦主要礦巖和充填體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦巖及充填體主要物理力學(xué)參數(shù)[4]

注：圍巖(礦體)抗拉強(qiáng)度=圍巖(礦體)抗壓強(qiáng)度/10.

2.2 力學(xué)模型的建立

根據(jù)靈寶鐵礦礦區(qū)各水平采空區(qū)現(xiàn)狀,建立數(shù)值模型和各采空區(qū)與露天邊坡的空間關(guān)系，見(jiàn)圖1、圖2。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，對(duì)于上述模型給定位移邊界條件，只考慮重力作用的影響[5]。并且采空區(qū)在充填情況下，假定充填體均能與采空區(qū)圍巖良好膠結(jié)，形成一個(gè)整體。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

采空區(qū)及露天邊坡的穩(wěn)定性分析步驟為：①-50 m 水平采空區(qū)未充填；②-50 m水平采空區(qū)石灰土充填方案；③-50 m水平采空區(qū)采用尾砂充填方案。分別計(jì)算分析3種情況下的采空區(qū)及露天邊坡的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布情況。

圖1 三維數(shù)值模型

圖2 各采空區(qū)及露天邊坡的空間位置

通過(guò)3種不同情況下的有限元計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)合靈寶鐵礦采空區(qū)現(xiàn)狀以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘(圖3所示)，露天邊坡以及-70 m水平采空區(qū)底板的應(yīng)力值較大且穩(wěn)定性較差，因此選取圖3所示位置的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果的正應(yīng)力值為拉應(yīng)力，負(fù)應(yīng)力值為壓應(yīng)力。

圖3 最大應(yīng)力位置分析

以上3種情況下的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖4、圖5。

3.1 露天邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

根據(jù)圖4的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：在-50 m水平采空區(qū)未充填情況下，露天邊坡的最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，充填情況下也為壓應(yīng)力，但未充填情況下應(yīng)力值高于充填情況下的應(yīng)力值；露天邊坡最大主應(yīng)力充填與未充填情況區(qū)別非常明顯，充填情況下露天邊坡最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力較小，未充填情況下的最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，越靠近露天坑底部拉應(yīng)力值越大，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.55 MPa，考慮到目前露天邊坡巖體破壞及風(fēng)化，拉應(yīng)力下的露天邊坡穩(wěn)定性更差，與礦區(qū)實(shí)際情況十分吻合。

3.2 -70 m水平采空區(qū)底板穩(wěn)定性對(duì)比分析

根據(jù)圖5的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：充填與未充填情況下-70 m水平底板最小主應(yīng)力基本一致；未充填情況下的最大主應(yīng)力約5.5 MPa，接近底板的抗拉強(qiáng)度5.50 MPa，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時(shí)可能發(fā)生底板失穩(wěn)垮塌；充填情況下最大主應(yīng)力3.00 MPa，小于底板的極限抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明充填情況下底板的穩(wěn)定性較好。

圖4 露天邊坡應(yīng)力分布

圖5 -70 m水平采空區(qū)底板應(yīng)力分布

綜上所述，-50 m采空區(qū)充填處理對(duì)于維護(hù)該礦露天邊坡和采空區(qū)的穩(wěn)定是非常必要的，兩種充填方案在應(yīng)力分布上無(wú)明顯差距。

4 充填方案的比較

由于土和石灰尾砂兩種充填方案對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性維護(hù)效果的區(qū)別不大，為了確定最優(yōu)充填方案，對(duì)兩種充填方案的施工工藝、經(jīng)濟(jì)成本等進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

(1)石灰土。在施工階段需對(duì)石灰土壓實(shí)，因此除攪拌等設(shè)備外，還需要配備充填料壓實(shí)設(shè)備；石灰土材料來(lái)源廣泛，對(duì)石灰和水泥的需求量也較少，材料成本相對(duì)較低；充填工藝相對(duì)復(fù)雜，施工質(zhì)量要求相對(duì)較高，尤其是對(duì)石灰土的壓實(shí)，如果不達(dá)標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重影響后期強(qiáng)度。

(2)尾砂。要求施工機(jī)械設(shè)備相對(duì)較少，可減少機(jī)械購(gòu)置成本；充填材料主要為礦山尾砂和廢石，不僅可緩解礦山尾礦庫(kù)壓力，也可實(shí)現(xiàn)礦山廢石尾砂的綜合利用，減少尾礦對(duì)環(huán)境的污染和破壞；充填工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

綜合經(jīng)濟(jì)效益以及實(shí)際施工能力，最終選擇尾砂作為該礦采空區(qū)的充填材料。在充填施工中，一定要做好充填體與采空區(qū)圍巖的膠結(jié)工作，以達(dá)到預(yù)期的充填效果。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)靈寶鐵礦未充填與充填情況下采空區(qū)的數(shù)值模擬分析，表明在-50m水平采空區(qū)充填情況下，露天邊坡與-70m水平采空區(qū)底板穩(wěn)定性情況得到明顯改善，所以對(duì)靈寶鐵礦-50m水平采空區(qū)進(jìn)行充填處理是非常必要的。

(2)對(duì)比石灰土和尾砂兩種充填料的施工工藝、經(jīng)濟(jì)成本，綜合考慮礦山實(shí)際，采用尾砂充填的方案。

(3)由于-50m水平采空區(qū)與露天采坑連通，水對(duì)充填體及采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度有待進(jìn)一步深入研究；同時(shí)，在采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)期間也應(yīng)加強(qiáng)附近其他采空區(qū)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，確保采空區(qū)穩(wěn)定和充填工作的安全進(jìn)行。

[1] 邱 龑,尤春安,王 睿,等.望兒山采空區(qū)變形機(jī)理研究[J].金屬礦山,2012,41(2):12-15,29.

[2] 張立新,王家澄.石灰土凍脹特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):336-339.

[3] 王正輝,張豐田,莫亞斌.尾砂充填料漿的配合比試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,26(1):11-13.

[4] 云 峰,袁宏成.巖體力學(xué)參數(shù)的估算[J].西部探礦工程,2003,15(11):39-40.

[5] 楊桂通.彈性力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998.

2014-10-26)

芮 斌(1991—)，男，430081 湖北省武漢市。