露天坑排尾邊坡與地下巷道穩定性分析

朱志根

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410019）

隨著我國礦山環保要求的不斷提高，礦山企業在尾礦排放方面面臨著越來越大的壓力。礦山尾礦庫對環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性，且新尾礦庫征地越來越困難。另外，采礦活動遺留的大量廢棄露天坑具有較高的生態敏感性，存在滑坡、崩塌等地質災害隱患，需要花費大量的人力物力進行治理。露天坑干排尾砂的研究為上述問題的協調解決帶來了契機，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，既節約了土地、保護了生態環境，又消除了露天坑的安全隱患，為實現礦山的綠色開采和協調可持續發展提供了重要的理論和技術支撐。

目前，國內外學者針對露天坑治理和尾礦庫穩定性問題做了大量研究［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，僅有少量學者針對礦山的實際情況開展了露天坑改尾礦庫的可行性研究工作，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，總體來說，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際情況為工程背景，運用極限平衡分析法和數值模擬分析法，開展了露天坑排尾砂后邊坡和地下巷道的穩定性分析，提出了相應的處理措施，為類似礦山露天坑和尾礦排放的綜合治理研究和實踐提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程地質

礦區位于貴州中部，地層主要分布有前震旦系板溪群，震旦系下統南沱組及上統陡山沱組、燈影組，寒武系下統牛蹄塘組、明心寺組，主要巖性包括粉砂巖、粉砂質板巖、花崗斑巖、白云巖、硅質巖、頁巖、粉砂質粘土，其中粉砂巖、白云巖、硅質巖為主要圍巖，礦巖物理力學參數如表1所示。礦區構造簡單，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，露天坑長度約317 m，寬約156 m，標高范圍為1 180～1 266 m，如圖1所示，高差約86 m，容積約為121萬m3。露天開采已閉坑，東側邊坡為順層邊坡，邊坡角度約56°，穩定性較差。露天坑下方為地下開采工程，主要為各中段巷道，采場距離露天坑較遠，距離露天坑底最近的為1171運輸中段巷道，高差約9 m，為重點分析對象。

根據礦山實際情況，干排料主要由尾砂、廢石、石膏混合而成，通過一定的脫水濃密處理，達到干排的濃度。干排共分為5個階段，排尾標高分別為1 198 m、1 215 m、1 232 m、1 249 m和1 266 m。

2 邊坡穩定性分析

2.1 邊坡模型

根據露天坑邊坡實際情況和模擬方案，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分析法對不同排放高度工況下的邊坡穩定性進行分析。

2.2 分析結果

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

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，說明干排的混合料堆積在邊坡坡腳處，達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 地下巷道穩定性分析

3.1 數值模型

依據礦山地質、工程等基礎資料，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，底部標高1 000 m，頂部為地表面。采用Midas-Flac3d聯合建模方法，建立相應的三維數值模型，如圖5所示。模型尺寸為400 m×500 m×350 m，共分為71 801個單元、32 393個節點。

3.2 數值結果分析

在三維數值模型的基礎上，運用有限差分數值分析方法Flac3d軟件，對不同干排高度的露天坑地下巷道穩定性進行分析，選取典型剖面，重點分析巷道圍巖應力應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，且增大速率呈現出減小的趨勢，最大位移值僅為5 mm，說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）最大主應力。圖8給出了不同干排階段的典型剖面最大主應力分布云圖。由圖8可知，不同干排階段的最大主應力分布規律較為相近，整體最大主應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。初始階段采坑兩側邊坡最大主應力為0～2 MPa，采坑下方巷道圍巖最大主應力范圍為2～6 MPa，局部稍大，達到8 MPa，最大主應力最大值出現在模型右下角，為14.61 MPa。隨著干排標高的增大，采坑兩側邊坡及下方巷道圍巖最大主應力與初始階段相比未發生較大的改變，整體最大主應力分布較為簡單，最大主應力值較小，采礦下方巷道圍巖受采礦排尾的影響較小。

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

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

4 露天坑防滲措施

鑒于露天坑下方仍有采場正在采礦，露天坑在干排尾砂前需做好防滲措施，以防止尾礦滲透進入采場，造成礦石的貧化。根據礦山實際情況，建議開展以下幾項防滲措施。

（1）露天坑底防滲措施。首先，對露天采坑底部和邊坡面進行清理、平整。在采坑底部澆注鋼筋混凝土后再鋪設一層破壞強度、抗拉強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度、抗拉強度和延伸度高的土工膜。

（2）邊坡的防滲措施。先將邊坡危巖和風化層清理掉，使邊坡面盡可能平整，巖石盡量沒有尖角出露，然后在巖石物理力學性質差、地質構造發育、巖石破碎嚴重的地方采用塊石混凝土砌筑進行加固，并在邊坡面上鋪放一層柔性防滲材料，以增強防滲效果。

5 結論

運用Midas-Flac3d耦合建模方法，建立了礦區采坑和地下巷道三維數值模型，采用極限平衡分析法和有限差分數值分析法，對礦區露天坑干排尾砂混合料后邊坡和地下巷道穩定性進行了分析，主要得到如下幾條結論：

（1）隨著干排高度的增加，邊坡安全系數逐漸增加。干排混合料起到加固坡腳和邊坡擋土墻的效果。

（2）隨著干排高度的增加，露天坑下方巷道圍巖位移和應力變化均較小，說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，未進入塑性變形階段，整體穩定性較好，巷道局部小范圍出現塑性區，但活性程度較低，對巷道影響較小。

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