尾礦庫下壓覆礦體開采對尾礦庫及壩體影響分析

蔣京名 郭家能 王 志

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014）

為實現尾礦庫下壓覆礦體的安全開采，需要留設防水隔離層，以確保尾礦庫水體、建構筑物和周邊環境不受破壞，首先要在尾礦庫底和回采的最高水平之間留下一定厚度的安全隔離層，在回采過程中應防止防水隔離層遭到破壞，導致尾礦庫水滲入井下。防水隔離層的厚度取決于礦體及周邊圍巖的巖性、結構、透水性能等因素，其最小厚度應等于礦體導水裂隙帶的最大高度加上一定厚度的保護層，并考慮基巖風化含水層帶深度［1-4］。

基于此，本研究以某礦區地質報告及尾礦庫現狀條件為工程背景，通過現場調查和問題分析，研究尾礦庫下壓覆礦體在地下開采過程中產生的巖層移動和變形對尾礦庫及壩體的影響，采用理論分析及Midas GTS NX計算機數值模擬計算方法，確定了安全保護巖柱范圍和合理的巖層移動角，并為下一步進行地下開采提出了相應的安全對策措施，為尾礦庫下賦存礦體的開采提供依據。

1 礦山工程概述

1.1 地層

礦區內出露的地層較為簡單，自老至新有元古界震旦系下震旦統和新生界第四系地層。礦區內褶皺構造不發育，南部出露白堊系火山巖地層屬于悅洋銀礦構造洼地蓋層，傾向南西，傾角20°～35°，屬單斜地層。礦區發育北東向斷裂構造（F1、F2），其中F1屬區域斷裂構造F1-1的一部分，F2規模相對較小。除斷裂構造外，區內還發育北西、北東、近南北向節理裂隙構造。

1.2 水文地質

礦區東側毗鄰某電站庫區，南側已建有設計標高為273.00 m尾礦壩。礦區范圍內無地表水出露，僅在礦區北部尾礦庫排洪溝及外圍西南側有溪溝出露。礦床為裂隙含水層充水礦床，礦區內大部分礦體位于當地侵蝕基準面以下，花崗巖裂隙含水層為礦床的直接充水含水層，含水層富水程度弱且不均勻，通過F2斷裂構造及裂隙等導水充水，接受大氣降水、側向構造裂隙含水層的補給，但補給源較遠，附近地表水不構成礦床的主要充水因素，地下水季節性動態變化幅度較大。綜合判斷，礦區為水文地質條件屬中等的礦床。

1.3 工程地質

礦區礦體及其頂底板圍巖主要為中細?；◢弾r、細?；◢弾r，少量隱爆角礫巖等。巖石普遍硅化，完整性較好，為堅硬—半堅硬巖組，抗壓強度中等，穩固性較好。礦區節理裂隙較發育，但對礦體及其頂板的完整性和穩定性影響不大，僅在局部地段易產生工程地質問題。部分埋藏較淺的礦體或頂板距碎裂巖體較近的礦體，受構造裂隙、地下水、構造軟弱夾層等影響，易產生崩落、垮塌或滑移，工程地質條件較差。礦區內工程地質條件屬中等。

2 尾礦庫下開采對尾礦庫及壩體的安全影響

“三帶”是指地下巖體在開挖以后，原先承受的地應力轉移到圍巖中并使其所受的應力發生重新分布，在一定范圍內的圍巖則產生移動和變形等現象。采場開釆后覆巖會受到不同程度的破壞，如垮落、斷裂、離層、彎曲等，并且從宏觀方面自下而上表現出明顯的“分帶”現象。尾礦庫下開采礦體對尾礦庫的影響，最重要的是研究地下開采后“三帶”的破壞高度，尤其是導水裂隙帶的發育高度，以防止因開采產生的導水裂隙帶貫通地表尾礦庫，形成導水通道將尾礦庫尾礦泥漿導入地下開采采場從而導致事故發生［5-6］。

2.1 水體下安全開采上覆隔離層厚度確定

尾礦庫下開采安全性和防水隔離層厚度呈現正比關系，防水隔離層厚度越大，開采越安全，但損失的礦石量也越多，防水隔離層厚度的確定必須根據地質條件和礦床開采技術特征確定［7-8］。防水隔離層留設的目的是作為采場和上覆水體之間的屏障，除了采場導水裂隙帶高度是確定防水隔離層礦巖柱尺寸的重要參數以外，防水隔離層礦巖柱的隔水性能也是必須考慮的因素。所以，防水隔離層礦巖柱高度要具備一定的安全系數，即富余一定的厚度，也就是保護層的厚度。保護層是導水裂隙帶與上覆水體之間起隔水作用的各種巖層和礦層，必須具備適當的厚度和弱透水性的性質。保護層的功能在于：一是阻斷上覆水體與導水裂隙帶相互貫通；二是彌補因為勘探程度限制而產生的礦體厚度和含水層底界面標高等誤差造成的防水礦巖柱偏小的缺陷，從而提高防水隔離層的可靠度。

由于尾礦庫下的基巖長期處在上覆尾礦泥漿的作用下，可以推斷風化帶亦含水，因此當留設防水巖柱時應當考慮基巖風化含水層帶深度。為了防止導水裂縫帶波及尾礦庫水體，防水安全巖柱的垂高（Hs）應當大于或者等于導水裂縫帶的最大高度（Hli）加上保護層厚度（Hb）并考慮風化基巖含水層帶深度（Hf），此時，防水隔離層的總厚度計算公式為

其中導水裂隙帶高度按照表1及表2計算。

細粒、中細粒花崗巖屬堅硬巖組，巖體分級為Ⅱ級；英安巖屬半堅硬巖組，巖體分級為Ⅳ級。

保護層厚度按表3計算：根據礦區勘探報告提供的尾礦庫下地質剖面圖圍巖情況，覆巖巖性為松散層底部無粘土層，保護層厚度為Hb=7A=7×5.86=41.02 m。

防水隔離層的總厚度還需要考慮風化基巖含水層帶深度，根據礦區鉆孔資料，風化基巖含水層帶深度為10～14 m，為保證安全性取大值14 m。綜上所述，防水隔離層的總厚度：

Hs≥Hli+Hb+Hf≥80.26+41.02+14=135.28 m.

2.2 采場結構數值模擬分析

相比傳統理論分析，數值模擬分析具有分析準確、計算速度快、結果生動形象的特點，且礦山問題涉及影響因素多，不經簡化很難用傳統理論分析解決。針對尾礦庫下開采安全研究，采用Midas GTS NX數值模擬計算軟件進行分析。Midas GTS NX數值模擬計算軟件具有建模前處理能力強，計算準確，后期結果可視性強的特點，已廣泛應用于礦山巖石力學問題的研究中。首先采用Hoek-Brown破壞準則和相關巖體分級的方法，得到礦區巖體巖石力學參數如表4所示。

根據礦區勘探報告地質剖面圖，選擇具有代表性的剖面線3A（此剖面線可見尾礦庫下賦存礦體且剖面線經過尾礦庫區中心位置）進行模擬分析。通過數值模擬分析應力分布情況及其塑性區發育情況以驗證理論計算得到的135.28 m保護礦柱的厚度是否可行；以及選取開采方法，即采取充填開采的必要性。

根據上述參數建立二維平面應變模型如圖1，并使用摩爾—庫倫準則作為巖體的破壞準則。模型底部采用豎直方向位移約束，兩側施加相應方向的位移約束，頂部為原始地形。模型尺寸為1 200 m×600 m，共包含節點26 519個，單元26 325個。數值模擬過程分為2個步驟：①模型初始平衡；②礦體開挖后的穩定性及其對尾礦庫的影響分析。本次數值分析中開采礦體為保留135.28 m巖柱開采礦柱下礦體。對3A剖面礦體的開采分2種情形進行分析：①礦體開采后不進行充填；②采用充填法對礦體進行開采。

礦體開采后不進行充填，根據垂直應力分布云圖2，垂直應力在礦體端部發生應力集中，最大垂直應力為27.4 MPa，應力集中系數為4.8，同時開挖礦體的頂底板出現垂直應力降低區，這是由于開挖引起頂底板應力轉移到采場兩端造成的。由最大水平應力分布云圖3可知，最大水平拉應力為4.6 MPa，出現在采場頂部，同時結合最大位移分布云圖4可知，頂板最大下沉>1.0 m，說明該處已出現拉斷裂破壞導致頂板冒頂。通過圍巖破壞形式分布云圖5可見，開采礦體的上方形成塑性破壞區，破壞范圍大，礦體頂部破壞區和礦體端部破壞區相互連通?？梢酝浦獙严稁Вò奥鋷Ш土严栋l育帶）已發育到尾礦庫底，形成導入通道，對開采安全造成極大影響，采用不充填空區的采礦方法無法對礦體進行開采。

再采用充填法對3A剖面線礦體開采進行安全影響分析。模擬方案中礦體采用充填開采，根據垂直應力分布云圖6，垂直應力在礦體端部發生應力集中，最大垂直應力為26.8 MPa，應力集中系數為4.7，同時開挖礦體的頂底板出現垂直應力降低區，這是由于開挖引起頂底板應力轉移到采場兩端造成的。由最大水平應力分布云圖7可知，最大水平拉應力為1.2 MPa，出現在采場頂部。同時結合最大位移分布云圖8可知，頂板最大下沉0.34 m。當頂板下沉0.34 m，開采水平跨度為400 m時，礦體左右端部往中間頂板下沉量逐漸增大，增加緩和，增長速率為1.44 mm/m，見圖9。

通過圍巖破壞形式分布云圖10可見，開采礦體的上方并未發生連續破壞形成連續塑性破壞區。塑性破壞主要發生在礦體左上、右上肩部位置，因礦體開采跨度較大，礦體采用充填開采后仍有一定整體下沉，礦體左上、右上圍巖出現剪應力集中現象而出現塑性破壞。塑性破壞距離尾礦底部距離為25～40 m，存在較為安全的安全保護層。考慮到3A剖面相鄰其他剖面礦體逐漸變薄甚至尖滅，3A剖面礦體開采從應力、變形、塑性破壞發育等角度均處于較為安全的狀態，認為保留135.28 m防水巖柱開采尾礦庫下開采是安全可行的。采用充填采礦法后，礦體開采從應力、變形、塑性破壞發育等角度均處于較為安全的狀態。

2.3 開采對尾礦壩安全影響研究

在地下開采過程中，地表建構筑物的損害是地下采場開挖后引起上覆巖層移動，導致地表發生變形，然后將地表變形傳遞給建構筑物基礎，從而使建構筑物隨之產生相應的變形，若建構筑物的變形值超過其允許變形值，建筑物將受到破壞［9-10］。根據相關規程規范，按照建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區范圍內的建構筑物保護等級分為五類，其中庫（河）壩屬于II級。

建構筑物受保護范圍應包含受保護對象及其圍護帶。圍護帶寬必須根據受保護對象的保護等級確定，根據相關規定，圍護帶寬度取15 m，受保護對象邊界按照其基礎的外邊緣為界。巖層移動角按下列變形值確定：水平變形ε=+2 mm/m，傾斜變形i=±3mm/m，曲率K=+0.2×10-3/m。通過數值模擬方式給出合理巖層移動邊界角，如圖11～圖13。

隨著礦體往深部開采，地表發生錯動的范圍會隨之增大，根據礦區開采初步設計規劃，最低開采水平為-15 m水平，因此本次數值模擬通過模擬-15 m礦體開采后地表的變形情況來分析開采移動角選擇的合理性和礦山地下開采對尾礦壩壩體的影響。通過數值模擬得到研究范圍內（巖層移動角65°～80°）水平位移為40 mm左右，垂直位移為30～55 mm，變形均較小。對數值模擬的數據進行處理后，得到水平變形ε、傾斜變形i、曲率K，如圖14～圖16。

設計開采礦體上地表中間高兩邊低，呈拱形，具有較好受力結構。地下礦體開采后，水平變形ε=0.02～0.06mm/m，傾斜變形i=0.35～0.50mm/m，曲率K=0.003～0.013×10-3/m。可見，礦山深部開采對尾礦庫、地表影響較小，在研究范圍內（巖層移動角65°～80°），水平變形ε≤2mm/m，傾斜變形i≤±3mm/m，曲率K≤+0.2×10-3/m，不會出現明顯的地表錯動。但考慮到近地表開采時，地表仍然會受到開采發生錯動，因此本次研究結合部分圍巖條件相似礦山巖層移動角實測值，推薦巖層移動角取較大值70°，圍巖條件較好地段，端部礦體可取75°，接近尾礦庫壩體巖層移動角取70°。

3 結 論

通過上述分析，采用理論及計算機數值模擬計算，研究尾礦庫下壓覆礦體地下開采過程產生的巖層移動和變形對尾礦庫及尾礦壩體的影響，得出以下結論：

（1）防水安全巖柱的垂高應當大于或者等于導水裂縫帶的最大高度加上保護層厚度，并考慮風化基巖含水層帶深度，最終計算得出防水安全巖柱的總厚度應大于135.28 m。

（2）研究結合部分圍巖條件相似礦山巖層移動角實測值，推薦巖層移動角取較大值70°，在圍巖條件較好地段，端部礦體可取75°，接近尾礦庫壩體巖層移動角取70°。

（3）采用非充填采礦方法開采尾礦庫下附近礦體是不安全的，導水裂隙帶（包含冒落帶和裂隙發育帶）已發育到尾礦庫底，形成導入通道，對開采安全造成極大影響。因此，針對本礦區尾礦庫下壓覆礦體開采，選擇的采礦方法為充填采礦法。

（4）尾礦庫下壓覆礦體開采應采取的安全措施：①保證充填體的強度達到設計要求，且采場底部及接頂充填28 d的強度值為2.0 MPa，采場中部充填體28 d的強度值為0.5 MPa；②嚴格按照設計充填流程進行充填，盡量減少頂板巖石暴露時間，并保證充填接頂質量；③采場開采需執行“有疑必探、先探后掘、先探后采”的原則，制定詳細的探水措施及其應對策略；④對于尾礦庫泄洪洞、排水水管等水工構筑物進行結構補強，包括裂縫填充補強、滲漏區域注漿堵漏、雜物清理，保證各種管、洞凈斷面尺寸；⑤加強對壩體沉降變形和浸潤曲線觀測，增設壩體排滲系統，降低壩體浸潤線，保證壩體穩定性。