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家重點實驗室，安徽馬鞍山243000; 3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000;4.中國黃金集團(tuán)資源有限公司，北京100011)

隨著鐵礦石不斷開采，國內(nèi)越來越多露天礦轉(zhuǎn)為地下開采，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題，又解決了尾砂處置問題，是未來國內(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，通過實驗室試驗和工業(yè)試驗，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采，在開采過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，勢必整個礦區(qū)的巖體應(yīng)力會重新分布。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，下部也同時進(jìn)行著三期工程的開采，礦體的開采，同樣會造成礦區(qū)巖體的應(yīng)力重分布。故在這個過程中，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采是否安全可靠，本次研究主要是用數(shù)值模擬的方法對礦區(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 計算模型剖面Fig.2 Sectional view of computingmodel

2.3 確定計算模型的和數(shù)值模擬參數(shù)

本次模型計算采用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，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。基本說來，ψ=(0.8～0.9)φ時，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與之對比，石人溝鐵礦數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

2.4 載荷與邊界條件

由于石人溝鐵礦的開采分為3個階段，第1個階段是進(jìn)行一期的露天開采，目前已經(jīng)開采完畢，二期為露天地下聯(lián)合開采，也已經(jīng)開采完成，目前正進(jìn)行三期的開采，故在本次模擬時要針對礦山的每次開采活動進(jìn)行相應(yīng)的模擬，以便能得到較為真實的應(yīng)力位移場。故在載荷模擬方面分布進(jìn)行了一期的露天開挖卸荷和二期的地下開挖卸荷，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)點取y方向約束、x方向自由;對模型四周邊界節(jié)點取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模塊對露天邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計算出邊坡安全系數(shù)為1.546，計算結(jié)果見圖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軸正方向為正，負(fù)方向為負(fù)。模擬結(jié)果見圖4～圖9。

圖4 第一階段尾砂膠結(jié)堆排后的三期開采豎向位移(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)堆排至露天坑對三期井下開采的影響，從計算的結(jié)果來看，對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，二期－60 m中段的采空區(qū)充填部分有2～3 mm的位移，說明－60 m中段采空區(qū)充填體與圍巖形成的整體強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下部圍巖的要求的。同時在三期開采標(biāo)高的巖體位移都在1 mm左右，從一定程度上可以說明對三期開采的影響不大，但是由于三期工程開采完之后會暫時形成一定規(guī)模的采空區(qū)，故在形成采空區(qū)與充填這個采空區(qū)之間這個時間段內(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采之間的相互影響關(guān)系，本次計算模擬對－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)行開挖，由于三期開采采用階段空場嗣后充填法，要求礦方在三期開采過程中，一定要及時充填回采完畢的礦房，這樣有助于保持整個圍巖體的穩(wěn)定性。從計算結(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采過程中形成的采空區(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。可見，從位移角度來說，如果對二期采空區(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下部采礦的影響較小，不會影響到三期采礦的安全生產(chǎn)。同時，我們可以看出在三期工程形成了采空區(qū)的時候，上部充填體與圍巖形成的整體的位移在3 mm左右，故三期工程的開采對上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑膠結(jié)堆排體沒有太大的影響。

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)定實施，另一方面也保證了三期礦體開采的安全。上述分析結(jié)果都是建立在充填體達(dá)到充填強度的基礎(chǔ)之上的，故礦方在充填時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

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處堆放的問題;按照目前的情況，新建一個尾礦庫，均攤到每立方米尾砂的費用大致為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15 830.25萬元的尾礦庫建設(shè)費用。

4.2 環(huán)境方面

通過尾砂膠結(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)尾礦庫的成本，而且?guī)砹艘欢ǖ沫h(huán)境效益。尾礦干式堆存在我國屬于新生事物。尤其是在大型山谷型尾礦干堆場方面無成功的經(jīng)驗可循。干式堆存既有安全度高、環(huán)保、節(jié)水的優(yōu)勢。也有運行費用高、堆放隨意性大、易造成粉塵污染等缺陷［1］。

通過尾砂膠結(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與外界發(fā)生太多的交換，可有效避免上述問題，大大降低了對環(huán)境的影響;而且在露天坑尾砂膠結(jié)堆排結(jié)束后，對堆排體上部覆土，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)水資源和減少對環(huán)境的影響，在環(huán)保、安全等方面均存在明顯的優(yōu)勢，可以預(yù)見，干堆工藝將獲得越來越廣泛的應(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，通過巖石力學(xué)計算和數(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)堆排必然會成為我國乃至全世界露天轉(zhuǎn)地下礦山未來的發(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，其對井下的三期開采的影響很小，同時井下的三期開采也不會給上部的露天轉(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，礦山在開采過程中一定要按規(guī)定留設(shè)足夠的保安礦柱。

(2)建議礦山加強落實對空區(qū)的充填，切實做好充填質(zhì)量管理，多次多點并及時充填，盡量充分接頂，控制充填體強度應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求，同時盡快充填三期開采所形成的采空區(qū)。

(3)礦山應(yīng)對三期的采礦方法繼續(xù)進(jìn)行試驗，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少頂板暴露面積，控制一次爆破裝藥量，減少爆破震動對上部露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)礦山露天坑堆排體以及圍巖的擾動。

(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程監(jiān)測，對地表及井下沉降及水平位移進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，必要時可撤出井下作業(yè)人員。

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