謝盛青，杜貴文，張少杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

隨著露天開采的逐步推進，境界內(nèi)礦產(chǎn)資源消耗殆盡，許多露天開采礦山開始轉(zhuǎn)入地下開采，如石人溝鐵礦、北衙金礦、姑山鐵礦、黃麥嶺磷礦等[1～2]。隨著地下采礦活動的增多，井下采空區(qū)空間逐漸變大，隔離礦柱逐漸破壞，露天采坑與地下采場之間形成了復雜的水力通道。上部露天采坑匯集的大氣降水通過水力通道侵入地下生產(chǎn)系統(tǒng)，給井下生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[3];同時礦山已形成的高陡邊坡，經(jīng)歷了多年的露天開采、駐留礦體殘采、地下采礦等多次擾動，使得圍巖力學特性劣化嚴重，伴隨風吹雨淋，極可能誘發(fā)邊坡滑塌，影響地表建構(gòu)筑物、井下巷道及采場的穩(wěn)定性[4]。可見閉坑的露天坑已經(jīng)成了井下生產(chǎn)的防水隱患以及地表的缺陷，治理迫在眉睫。

對于露天轉(zhuǎn)地下開采礦山而言，經(jīng)過數(shù)十年的露天開采，尾礦庫服務年限即將到期，需要考慮重新征地和新建尾礦庫，通過統(tǒng)計,新增占地約占原露天開采征地面積的30%～5%[5]，特別是隨著時間的推移，人們對環(huán)保要求的提高，再建尾礦庫已經(jīng)成了制約露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的主要難題。有些露天轉(zhuǎn)地下礦山為了擴大庫容增加壩體高度，由此帶來安全隱患。

把露天坑治理和尾礦庫建設(shè)結(jié)合起來，既能隔斷水力通道降低地表水倒灌的可能，保證礦山安全開采；同時利用露天坑排尾解決尾礦堆存問題，對建設(shè)綠色礦山、實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，具有重要的理論意義與實用價值。

2 工程概況

某銅礦位于中南地區(qū)，是采選聯(lián)合企業(yè)。礦山始建于1965年，原設(shè)計采用露天地下聯(lián)合開采，2015年露天采坑閉坑，2015～2017年間有駐留礦柱盜采，已形成了140m深的凹陷露天坑，露天坑邊坡上部有國家重點文物保護單位和村莊，距離采坑邊緣最近處僅20m左右。

目前該礦已經(jīng)全部轉(zhuǎn)入地下開采, 地下采礦中段有-125、-185、-245、-305m和-365m等中段采礦。露天坑通過民采坑道、-125m中段以上巷道及未充填采空區(qū)與井下貫通。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達，氣候多雨。外圍地表水極易通過水力通道導入井下，有可能導致井下突水的重大安全事故，對礦山安全生產(chǎn)造成極大的威脅。選廠產(chǎn)生尾砂除用于井下充填，還有約40%尾砂需要外排。2017年該礦尾礦庫閉庫，由于該礦距離市區(qū)較近，居民點密集，已經(jīng)沒有可供選擇的庫址新建尾礦庫。

傳統(tǒng)的治理閉坑的露天采坑的方法是采用在坑內(nèi)設(shè)注漿帷幕和修建水倉的形式進行防水治理[5]，通過削坡減載、錨噴支護、格構(gòu)支護等多種方式綜合治理露天邊坡。這些方式能夠起到一定效果，但隨著時空變化，幕體的維護及未知溶洞的存在，邊坡圍巖風化，這些方式并不能徹底治理露天坑。近幾年新發(fā)展的尾礦干堆工藝是首先在坑底設(shè)置防滲層，然后將制成的尾礦渣餅排放至露天坑內(nèi)[6]，此方法盡管能夠一定程度上降低露天邊坡高度，但在南方多雨地區(qū)，大氣降水與尾礦混合在一起，庫內(nèi)水難以外排，露天坑最終將形成很多積水，給坑底留下更大的安全隱患。

為解決礦山生產(chǎn)實際問題，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查分析，利用全尾砂膠結(jié)充填已形成的露天采坑是解決問題的行之有效的辦法。

3 露天采坑治理與地下開采的相互影響

綜合考慮環(huán)保需求及古文物有關(guān)部門對露天坑填埋的標高要求，采用逐層加高的形式進行采坑充填，最終充填高度標高-45m。為全面分析露天采坑治理和地下深部開采的相互影響，以及對村莊、文物的影響，選擇露天坑邊幫危險區(qū)域典型剖面，建立有限差分數(shù)值模型進行數(shù)值模擬。模型共16 800個單元，模型X軸方向長700m，Y軸方向長約600m，如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型簡圖

根據(jù)材料力學特征，分別采用不同的力學模型：①充填體采用理想彈塑性本構(gòu)模型；②圍巖和礦體均采用復合摩爾庫侖屈服準則。在該礦已有巖石物理力學試驗成果的基礎(chǔ)上，對巖體力學參數(shù)進行適當?shù)恼蹨p，模擬計算采用的巖體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)

采礦工程的力學特點是巖體力學行為與開采歷史和開采過程有關(guān)。為了準確模擬北露天采坑充填與地下開采的相互影響情況，本計算分以下步驟進行。

(1)計算在給定邊界力學與位移條件下模型的初始狀態(tài)。

(2)開采坑底-125、-185m和-245m中段礦體。

(3)在-305m和-365m中段礦體開采以后，分析比較露天采坑充填對深部采場圍巖、礦柱、村莊和文物所產(chǎn)生的影響。

(4)在露天采坑充填以后，分析比較-305m和-365m中段開采對露天采坑邊坡所產(chǎn)生的影響。

3.1 露天采坑治理對地下開采和東幫的影響

主要分析北露天采坑充填對-305m中段和-365m中段采場的影響，以及對露天采坑東幫的影響。圖2為露天采坑充填前后的垂直位移場圖。從-305m中段底柱中部選取一節(jié)點，將其位移輸出進行對比：充填前的垂直位移為17.72mm,充填后的垂直位移為18.36mm，變化不大，表明露天采坑充填對深部開采基本無影響。充填前的水平位移為0.490 6mm, 充填后的水平位移為0.455 2mm，變化不大，也表明露天采坑充填對深部開采基本無影響。從露天采坑東幫內(nèi)部選取一節(jié)點，將其位移輸出進行對比：充填前的垂直位移為10.0mm，充填后的垂直位移為8.5mm，垂直位移減??；充填前的水平位移為1.48mm,充填后的水平位移為0.81mm，水平位移減小。垂直位移和水平位移均減小，表明露天采坑充填對東幫起到了護坡治理作用，對東幫的穩(wěn)定性有利。從村莊、古文物遺址附近取一節(jié)點，將其位移輸出進行對比：充填前的垂直位移為9.976mm，充填后的垂直位移為9.533mm，垂直位移減??；充填前的水平位移為0.332 7mm，充填后的水平位移為0.196 3mm，水平位移減小。垂直位移和水平位移均減小，表明露天采坑充填對保護古文物遺址和村莊有利。

圖2 露天采坑充填前后垂直位移場圖

3.2 地下深部開采對露天采坑的影響

圖3為地下開采前后的垂直位移場圖。從圖3可以看出，地下開采前后，露天采坑的垂直位移分布基本一致。從露天采坑底部選取一節(jié)點，將其位移輸出進行對比：地下開采前的垂直位移為4.39mm，水平位移為1.96mm,地下開采后的垂直位移為3.19mm,水平位移為1.32mm，垂直位移和水平位移均減小，表明地下開采對露天采坑底部無影響。從古文物遺址附近選取一節(jié)點，將其位移輸出進行對比：地下開采前的垂直位移為1.06mm，水平位移為0.20mm，地下開采后的垂直位移為0.98mm，水平位移為0.31mm,垂直位移和水平位移均變化不大，表明地下開采對古文物遺址基本無影響。

圖3 地下開采前后的垂直位移場圖

通過對露天采坑充填前后垂直位移對比研究表明，露天采坑充填對地下深部開采基本無影響并且對東幫起到了護坡治理作用；地下深部開采對露天采坑和古文物遺址基本無影響。說明露天坑充填治理方案是可行的。

4 露天采坑工程技術(shù)措施

采用膠結(jié)充填治理露天采坑，相當于在地上地下空間形成較好的人工假頂。在治理過程以及治理后，充填料漿形成強度，有較好水隔離能力，大氣降雨難以滲入井下，同時匯水外排較為容易。該礦充填研究工作起步較早，特別是上向水平分層法充填具有豐富的經(jīng)驗。為了便于施工及加快脫水，設(shè)計采用逐層加高的形式進行露天坑充填，分層高度3m，最終充填標高-45m。充填順序為首先對坑底進行削凸填凹+高強度膠結(jié)充填形成-84m平臺，然后采用鋼筋網(wǎng)+高強度充填體進行封底，最后再進行上部區(qū)域的充填。

4.1 邊坡治理工程布置

為防止露天坑治理過程露天邊坡滑坡，對露天邊坡進行加固。

(1)對滑坡區(qū)域采取削坡整形，削凸填凹，使其坡度降至35°以下；在滑坡后緣設(shè)置一封邊墻，墻高1.5m；前緣設(shè)2號擋墻支擋，墻高3m，外側(cè)設(shè)置排水溝；坡面采用格構(gòu)錨桿進行護坡，并輔以坡面綠化措施；在滑坡前后緣均設(shè)置排水溝，加強地表水疏排，減少地表水入滲。

(2)對于露采坑其他部位，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查礦山公路內(nèi)側(cè)邊坡整體是穩(wěn)定的，但由于礦山公路是切坡而建，在雨季由于雨水沖刷，小型坍塌經(jīng)常發(fā)生，為消除這一隱患，在礦山公路外側(cè)修建1號擋墻進行支擋和排水溝排水，主要用于支擋公路內(nèi)側(cè)邊坡和疏排地表水。

4.2 采空區(qū)治理工程布置

對采空區(qū)進行治理主要達到兩個目的：其一，采空區(qū)充填后形成充填結(jié)實體，對原空區(qū)上部巖體進行支撐，改善因采空后的圍巖松動及塌落巖體的力學性態(tài)，對防止地表采空區(qū)塌陷的蔓延、確保邊坡的穩(wěn)定性及古礦遺址的安全是必要的；其二，是通過對采空區(qū)充填，將空區(qū)內(nèi)的水體擠出，減少地下水的賦存空間，避免采空區(qū)內(nèi)水體對邊坡巖石的軟化破壞，提高邊坡的穩(wěn)定性，保證地表建筑物的安全。

(1)井下民采空區(qū)的膠結(jié)充填工程。由于該處存在許多民采(盜采)空區(qū)，其基本無資料可查，對于該類空區(qū)主要采用探治方法進行施工，即先在調(diào)查采空區(qū)可能性最大的中心軸線布設(shè)8個鉆孔。在古文物遺址調(diào)查期，將-125m中段清通，發(fā)現(xiàn)僅該中段就有8個民采點，因此，鉆孔深度以標高-135m控制，若探治結(jié)合孔發(fā)現(xiàn)空區(qū)，則注漿充填范圍向四周擴展，否則只對探治結(jié)合孔進行注漿處理。

(2)古文物遺址核心區(qū)充填工程。根據(jù)前期在古文物遺址核心區(qū)內(nèi)物探異常推測的采空區(qū)，同樣先采取探治結(jié)合孔進行驗證，若發(fā)現(xiàn)空區(qū)，則注漿充填范圍向四周擴展，否則只對探治結(jié)合孔進行注漿處理。

對村莊附近，經(jīng)鉆探后確定的采空區(qū)和地表下沉開裂區(qū)的裂隙，采取膠結(jié)充填工程，其中對于裂縫近地表0.5m深度范圍采取粘土充填并夯實。

對于變形區(qū)未采取注漿的其他裂縫，均采用粘土回填并夯實的防滲處理措施。

4.3 露天坑治理技術(shù)方案

由于露天采坑面積較大，整層充填難度很大，為了便于施工及加快脫水，設(shè)計采用分層充填法，分層高度3m。為隔斷露天采坑與井下的水力通道，需在露天采坑坑底形成隔離層。充填順序為首先對坑底進行削凸填凹+鋼筋網(wǎng)+高強度充填體形成封底工程，再進行上部區(qū)域的充填，如圖4所示。圖4中膠結(jié)一指高強度充填體，膠結(jié)二為低強度充填體。

圖4 露天坑充填剖面示意圖

(1)封底工程。在進行露天坑治理前應清理邊坡浮石，采用廢石平場并形成筑底平臺。底部平臺處理好后，在坑底布置鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)敷設(shè)參數(shù)：底筋用φ12mm鋼筋，采用網(wǎng)度400mm×400mm進行編織，網(wǎng)點用多股24號鐵絲綁扎牢固，鋼筋網(wǎng)延深到邊坡，順坡敷設(shè)1～2m。鋼筋網(wǎng)敷設(shè)完畢，采用高強度充填料漿進行露天坑封底，封底厚度6～8m，為保證充填質(zhì)量，要求封底工程在天氣晴好時一次形成。

(2)上部區(qū)域充填?？拥追獾坠こ掏瓿珊?，對北露天采坑其余區(qū)域進行充填。在充填上部區(qū)域時，采用低強度充填料漿進行充填。在充填最上部分層時，分兩步驟充填，第一步采用低強度的充填料漿進行充填，第二步驟采用高強度的充填料漿進行澆面，澆面厚度0.6m。

(3)露天坑充填完畢，在露天坑中部形成人工湖，大氣降雨均匯集到人工湖內(nèi)，并對充填后的新露天坑坑底進行復墾并形成景觀。

4.4 露天坑排水

在進行露天坑治理前，礦山現(xiàn)有設(shè)備能夠滿足最大排水需求。露天坑治理過程中，增加了300m3/d的

充填回水，通過排水能力計算，露天采坑排水均可利用現(xiàn)有設(shè)施。

在露天坑正常充填過程中，每分層的最低處形成臨時水窩，采用現(xiàn)有2臺200D型水泵，水窩匯水通過浮船泵排出露天坑。

出現(xiàn)極端降雨天氣時，停止充填，排水設(shè)備全力排水?，F(xiàn)有排水設(shè)備能力完全可以滿足極端降雨最大匯水排水的需要。

5 結(jié)語

對露天礦的治理堅持綜合利用與有效治理相結(jié)合，提出采用分層膠結(jié)充填法對廢棄露天坑進行治理，膠結(jié)充填體與露天坑形成整體，具有較好的防滲能力，達到了隔斷水力通道、降低地表水灌入井下的可能，保證了礦山安全開采；同時露天坑的逐步填滿，有效降低了露天邊坡高度，降低了邊坡滑坡的風險；由于利用露天坑排尾，解決尾礦堆存問題。

露天采坑的二次利用，對保護周圍居民、古文物遺址等安全具有極大的意義，其經(jīng)濟價值及社會效益顯著。

[1] 張欽禮，陳秋松，胡 威，等.露天轉(zhuǎn)地下采礦隔離層研究[J].科技導報,2013,31(11):33-17.

[2] 李元輝，南世卿，趙興東，等.露天轉(zhuǎn)地下境界礦柱穩(wěn)定性研究[J].巖石力學工程學報，2005,24(2):278-283.

[3] 張廣篇.淺談露天轉(zhuǎn)地下開采防洪問題[J].有色礦冶，2010,26(4)：8-10.

[4] 廉 杰,鄭興東，武 飛，等.露天坑的治理與綜合利用技術(shù)研究[J].金屬礦山，2013,(6):134-137.

[5] 陳義靜,甘德清，孫文錦.程家溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下后露天坑排尾可行性研究[J].河北理工大學學報(自然科學版)，2008，30(3):10-20.

[6] 張艷博，李占金，甘德清．程家溝鐵礦露天坑排尾后地下采場參數(shù)的研究[J]．金屬礦山，2008，(5)：15-19．