露天轉地下崩落法采礦覆蓋層滲流量影響因素分析

吳永強 孫艷秋

(河北鋼鐵集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

露天轉地下采用崩落法采礦的礦山，需要在露天坑底回填合理級配結構的覆蓋層，以起到較好的滯水作用及滿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，對井下防排水及安全工作有重要意義。司家營鐵礦Ⅲ采場為露天轉地下開采礦山，在選擇了合理結構的回填料之后，首先對礦區降雨進行分析與計算，然后采用離散單元法建立數值分析模型對覆蓋層的結構參數進行模擬分析，深入研究覆蓋層滲流量與各影響因素之間的關系，以期能有效地控制Ⅲ采場覆蓋層的滲流量，保證井下采礦安全。

覆蓋層的滲流是井下系統排水設計必須考慮的一部分，前期通過對司家營鐵礦Ⅲ采場露天坑覆蓋層的滲流影響因素進行分析與研究，并利用研究結論指導露天坑覆蓋層的施工，實現了露天轉地下開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泥石流災害的發生，保證了井下采礦安全。根據研究成果，司家營鐵礦制定了露天采坑的回填設計規劃，并結合露天采場剝巖同步進行。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+42 m水平臨近山包地段進行剝離取料，設計回填標高為－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+30 m水平強風化巖石地段取料，設計回填標高為+15～－10 m，廢石非均勻度小于0.369。實踐表明，按以上參數施工形成的覆蓋層滲流量小，滿足井下安全生產要求。

1 礦區暴雨強度計算

在搜集了司家營礦區近25年來記錄的各時段的最大降雨量后，根據記錄數據，經非線性回歸得到礦區暴雨強度計算式為

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

圖1為暴雨強度非線性回歸曲面。

圖1 司家營礦區暴雨強度非線性回歸曲面

2 露天坑匯水面積

根據Ⅲ采場露天采坑的高程，可以圈定采坑的匯水區范圍，將此匯水區范圍導入AutoCAD中可以確定露天坑南北長度約2 010 m，寬度約81 m，匯水區面積約為162 039 m2。

3 露天坑最大滲流量計算

根據式(1)，對時間和匯水面積積分，就可以獲得匯水面積內單位時間內的降雨量式。

考慮到24 h的降雨量以及司家營鐵礦Ⅲ采場露天坑的匯水面積，通過積分后得到Ⅲ采場露天坑24 h內最大降雨量的計算式為

式中，Qmax為24 h最大降雨量，m3。

Ⅲ采場露天坑滲流量取決于覆蓋層的滲透性。根據現場試坑滲水試驗得到覆蓋層入滲系數［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，m/d;h為覆蓋層厚度，m。

4 露天坑覆蓋層滲流量數值分析

4.1 覆蓋層滲流性模擬實驗

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個水平，運用正交試驗法得出9種組合［2］，見表1。

表1 正交試驗組合

4.2 數值模型與固流耦合分析

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

圖2 滲透模擬計算模型

為了模擬固流耦合效應，在模擬計算前必須進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 覆蓋層的滲流量計算分析

由滲流模型固流耦合域中的流量與壓力間的關系，首先計算出1～9號試驗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，然后經換算得出域單位表觀體積滲流量的大小，其計算式為

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為時間步長。

滲透模擬計算模型底部尺寸為60 m。取Kf=1.0 ×106kPa，Δt=1.0 ×10－2s。將1～9號試驗組合滲流平均壓力差值代人式(4)，1～9號試驗組合滲流量計算結果如下: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 。

根據已經得出的計算數據，利用數據分析軟件DSP對滲流量Q及所確定的4個相關的因素d、n、h、p分別采用線性逐步回歸法和二次逐步回歸法進行回歸分析，回歸結果如下:

(1)線性回歸，

(2)二次逐步回歸，

5 結論

(1)礦區降雨強度、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，應盡可能增加覆蓋層的厚度。

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

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

［3］ 魏隨利，王國強，郝萬軍，等.離散單元法及其在EDEM上的實踐［M］.西安:西北工業大學出版社，2010.