朱志根

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410019）

隨著我國(guó)礦山環(huán)保要求的不斷提高，礦山企業(yè)在尾礦排放方面面臨著越來(lái)越大的壓力。礦山尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境具有較大的污染性［1-3］，尾礦壩的增高又增加了潰壩的危險(xiǎn)性，且新尾礦庫(kù)征地越來(lái)越困難。另外，采礦活動(dòng)遺留的大量廢棄露天坑具有較高的生態(tài)敏感性，存在滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害隱患，需要花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行治理。露天坑干排尾砂的研究為上述問(wèn)題的協(xié)調(diào)解決帶來(lái)了契機(jī)，成為廢棄土地資源再利用和邊坡治理相融合的一種新思路，既節(jié)約了土地、保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又消除了露天坑的安全隱患，為實(shí)現(xiàn)礦山的綠色開(kāi)采和協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的理論和技術(shù)支撐。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)露天坑治理和尾礦庫(kù)穩(wěn)定性問(wèn)題做了大量研究［4］，也取得了豐碩的研究成果，但在露天坑邊坡和尾礦排放綜合治理方面，僅有少量學(xué)者針對(duì)礦山的實(shí)際情況開(kāi)展了露天坑改尾礦庫(kù)的可行性研究工作，取得了一定的研究成果［5-8］，但研究成果大多局限在某一礦山，推廣性不強(qiáng)，總體來(lái)說(shuō)，該方面的研究尚有很大不足。

本研究以貴州某礦山露天坑和地下工程實(shí)際情況為工程背景，運(yùn)用極限平衡分析法和數(shù)值模擬分析法，開(kāi)展了露天坑排尾砂后邊坡和地下巷道的穩(wěn)定性分析，提出了相應(yīng)的處理措施，為類似礦山露天坑和尾礦排放的綜合治理研究和實(shí)踐提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

礦區(qū)位于貴州中部，地層主要分布有前震旦系板溪群，震旦系下統(tǒng)南沱組及上統(tǒng)陡山沱組、燈影組，寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組、明心寺組，主要巖性包括粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、花崗斑巖、白云巖、硅質(zhì)巖、頁(yè)巖、粉砂質(zhì)粘土，其中粉砂巖、白云巖、硅質(zhì)巖為主要圍巖，礦巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層傾角一般為50°～60°。

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1.2 模擬方案

礦山露天坑為早期露采所形成，露天坑長(zhǎng)度約317 m，寬約156 m，標(biāo)高范圍為1 180～1 266 m，如圖1所示，高差約86 m，容積約為121萬(wàn)m3。露天開(kāi)采已閉坑，東側(cè)邊坡為順層邊坡，邊坡角度約56°，穩(wěn)定性較差。露天坑下方為地下開(kāi)采工程，主要為各中段巷道，采場(chǎng)距離露天坑較遠(yuǎn)，距離露天坑底最近的為1171運(yùn)輸中段巷道，高差約9 m，為重點(diǎn)分析對(duì)象。

根據(jù)礦山實(shí)際情況，干排料主要由尾砂、廢石、石膏混合而成，通過(guò)一定的脫水濃密處理，達(dá)到干排的濃度。干排共分為5個(gè)階段，排尾標(biāo)高分別為1 198 m、1 215 m、1 232 m、1 249 m和1 266 m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡模型

根據(jù)露天坑邊坡實(shí)際情況和模擬方案，選取典型剖面（圖1中A-A'剖面）如圖2所示，運(yùn)用巖土工程分析軟件Geo-Slope，采用極限平衡分析中M-P分析法對(duì)不同排放高度工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2 分析結(jié)果

圖3和圖4分別給出了不同干排階段邊坡安全系數(shù)變化曲線和分析結(jié)果圖。由圖3可知，隨著干排高度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，且呈現(xiàn)出增加幅度逐漸增大的趨勢(shì)，用開(kāi)口向上的二項(xiàng)式曲線函數(shù)能夠較好地模擬其變化趨勢(shì)。

由圖4可知，隨著干排高度的增加，邊坡潛在滑移面逐漸向臨空邊界靠近，潛在滑坡體體積逐漸減小，說(shuō)明干排的混合料堆積在邊坡坡腳處，達(dá)到了加固坡腳和擋土墻的效果，隨著干排高度的增加，效果愈加明顯。

3 地下巷道穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型

依據(jù)礦山地質(zhì)、工程等基礎(chǔ)資料，選取分析范圍，以露天采坑境界為中心，南北方向向外延伸至500 m，東西延伸至400 m，底部標(biāo)高1 000 m，頂部為地表面。采用Midas-Flac3d聯(lián)合建模方法，建立相應(yīng)的三維數(shù)值模型，如圖5所示。模型尺寸為400 m×500 m×350 m，共分為71 801個(gè)單元、32 393個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

在三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法Flac3d軟件，對(duì)不同干排高度的露天坑地下巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，選取典型剖面，重點(diǎn)分析巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變演化情況和破壞情況。

（1）位移分析。圖6給出了不同干排階段下方巷道頂板豎向位移曲線。由圖6可知，隨著充填高度的增加，巷道頂板豎向位移逐漸增大，且增大速率呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，最大位移值僅為5 mm，說(shuō)明巷道受干排的影響較小。

圖7給出了不同干排階段的典型剖面豎向位移分布云圖。由圖7可知，不同干排階段的Z方向位移分布規(guī)律變化不大，充填體表面中心位移值最大，從中心向采坑四周圍巖逐漸減小。初始階段采坑邊坡及下方巖體位移普遍較小，處于-0.1～0.2 mm之間，局部最大值為0.498 mm，巷道圍巖位移范圍為-0.1～0.1 mm；干排1階段，在充填體的壓力作用下，采坑充填體位移最大，值為2.7 mm，位移由采坑底部向四周逐漸減小，采坑兩側(cè)邊坡位移范圍為0～0.2 mm，采坑下方巷道圍巖位移很小，為0～0.25 mm；干排2階段采坑底部最大位移為13 mm，采坑兩側(cè)邊坡及下方巷道圍巖位移值范圍為0～2 mm；干排3階段充填體最大位移值為22 mm，采坑下方巷道圍巖位移為0～2.5 mm；干排4階段充填體最大位移值為31 mm，采坑下方巷道圍巖位移為0～5 mm；干排5階段充填體最大位移值為41.6 mm，采坑下方巷道圍巖位移為0～5 mm。

（2）最大主應(yīng)力。圖8給出了不同干排階段的典型剖面最大主應(yīng)力分布云圖。由圖8可知，不同干排階段的最大主應(yīng)力分布規(guī)律較為相近，整體最大主應(yīng)力等值線由重力控制，呈水平狀，中部由坑底向模型右下角逐漸增大。初始階段采坑兩側(cè)邊坡最大主應(yīng)力為0～2 MPa，采坑下方巷道圍巖最大主應(yīng)力范圍為2～6 MPa，局部稍大，達(dá)到8 MPa，最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在模型右下角，為14.61 MPa。隨著干排標(biāo)高的增大，采坑兩側(cè)邊坡及下方巷道圍巖最大主應(yīng)力與初始階段相比未發(fā)生較大的改變，整體最大主應(yīng)力分布較為簡(jiǎn)單，最大主應(yīng)力值較小，采礦下方巷道圍巖受采礦排尾的影響較小。

（3）最小主應(yīng)力。圖9給出了不同干排階段的典型剖面最小主應(yīng)力分布云圖。由圖9可知，隨著充填高度的增加，最小主應(yīng)力分布變化不大，其分布變化趨勢(shì)與最大主應(yīng)力較為相近。不同干排階段的采坑下方巷道圍巖最小主應(yīng)力范圍變化不大，未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，采坑右側(cè)邊坡出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)，隨著充填高度的增加，拉應(yīng)力最大值由初始的1.6 MPa增大至1.9 MPa，整體最小主應(yīng)力分布較為簡(jiǎn)單，最小主應(yīng)力值不大。

（4）塑性區(qū)。圖10給出了不同干排階段的塑性區(qū)分布云圖，由圖可知，隨著充填高度的增加，整體模型未出現(xiàn)活性塑性區(qū)單元，采坑兩側(cè)圍巖及下方巷道圍巖均處于彈性范圍，未進(jìn)入塑性變形階段，未發(fā)生破壞，穩(wěn)定性較好。

4 露天坑防滲措施

鑒于露天坑下方仍有采場(chǎng)正在采礦，露天坑在干排尾砂前需做好防滲措施，以防止尾礦滲透進(jìn)入采場(chǎng)，造成礦石的貧化。根據(jù)礦山實(shí)際情況，建議開(kāi)展以下幾項(xiàng)防滲措施。

（1）露天坑底防滲措施。首先，對(duì)露天采坑底部和邊坡面進(jìn)行清理、平整。在采坑底部澆注鋼筋混凝土后再鋪設(shè)一層破壞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸度高的土工膜，或者在采坑底部鋪放一層一定厚度的黏土，鋪平并輾壓平坦，再在黏土層上鋪放破壞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸度高的土工膜。

（2）邊坡的防滲措施。先將邊坡危巖和風(fēng)化層清理掉，使邊坡面盡可能平整，巖石盡量沒(méi)有尖角出露，然后在巖石物理力學(xué)性質(zhì)差、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖石破碎嚴(yán)重的地方采用塊石混凝土砌筑進(jìn)行加固，并在邊坡面上鋪放一層柔性防滲材料，以增強(qiáng)防滲效果。

5 結(jié)論

運(yùn)用Midas-Flac3d耦合建模方法，建立了礦區(qū)采坑和地下巷道三維數(shù)值模型，采用極限平衡分析法和有限差分?jǐn)?shù)值分析法，對(duì)礦區(qū)露天坑干排尾砂混合料后邊坡和地下巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，主要得到如下幾條結(jié)論：

（1）隨著干排高度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸增加。干排混合料起到加固坡腳和邊坡?lián)跬翂Φ男Ч?/p>

（2）隨著干排高度的增加，露天坑下方巷道圍巖位移和應(yīng)力變化均較小，說(shuō)明巷道受露天坑干排尾砂的影響較小。

（3）巷道圍巖整體上處于彈性狀態(tài)，未進(jìn)入塑性變形階段，整體穩(wěn)定性較好，巷道局部小范圍出現(xiàn)塑性區(qū)，但活性程度較低，對(duì)巷道影響較小。

（4）根據(jù)礦山實(shí)際情況，做好露天礦和邊坡面的防滲措施，為下方安全生產(chǎn)提供保障。