基于穩定性分析的采空區治理方案*

張思敏，翟盛銳

(華北科技學院 安全工程學院，北京 101601)

0 引言

隨著我國對金屬礦山的需求越來越大，露天金屬礦山的開采強度也越來越高，但是由于當時的開采技術尚未成熟，各類設備不完善、水平低，以及沒有健全相應的安全保障措施，許多的金屬、非金屬礦留下了大量未處理的采空區[1]。又因為礦山資源潛在的巨大利益，一些小煤窯等非法組織的亂采濫挖，極度擾亂了礦山秩序，不僅給企業、國家帶來不少地質上的隱患，威脅著安全生產，還給當地居民耕地、水資源等生活保障帶來嚴重威脅[2]。采空區形成后，一些地質災害隨之潛伏在礦山，例如坍塌、冒頂片幫、山體崩落等，采空區帶來的隱患威脅著人民生命財產安全[5]。

文中基于三維激光掃描采空區得到的點云數據，運用FLAC3D軟件，對充填方案的過程及結果進行模擬[8]，分析充填方案的可行性、安全性，并以經濟的角度選用合理的充填材料和工藝技術對采空區進行充填，避免危險的發生。

1 采空區概況

某露天鐵礦采空區于上世紀50年代形成，為歷史遺留采空區，由于年代久遠，采空區內部情況不明、附近巖層穩定性不明等問題，采空區問題一直沒有得到解決。地下開采開拓方法采用的是平硐-盲豎井開拓，具體由2條平硐和1條盲豎井組成。采礦方法采用淺孔留礦嗣后充填，礦山地下開采總的開采順序為由下向上分中段開采。礦山在同水平多礦體同時開采時，要先采上盤礦體后采下盤礦體，此露天礦山的充填工藝完整。根據三維激光掃描測量作業共測得7個鉆孔采空區，均測得大范圍采空區，測量所得的鉆孔情況見表1。

表1 鉆孔情況一覽Table 1 List of drilling conditions

此露天鐵礦的礦床類型屬前震旦紀沉積變質型磁鐵石英巖和赤鐵石英巖。尾礦化學成分中SiO含量達65%～75%，SiO2的含量較高，達到了83%，全鐵品位在8%～14%之間，屬于高硅型的尾礦。在此露天鐵礦生產中，出產尾砂量大，尾砂的平均粒度在0.04～0.20 mm。露天鐵礦擁有2個尾礦庫，尾礦量約600萬m3，密度2.65 t/m3，見表2、3。

表2 某露天鐵礦尾礦化學元素分析結果Table 2 Analysis results of chemical elements in tailings of an open-pit iron mine

2 采空區穩定性分析

為準確掌握采空區的三維形態、立體模型、空間分布、走向延伸等特征，首先基于三維激光的掃描技術的實景復制功能，根據圖1所示的采空區鉆孔布置，對采空區進行探測掃描[8]。將掃描的點云生成采空區三維模型如圖2所示，導入FLAC3D中，對其進行穩定性分析。

表3 某露天鐵礦尾礦顆粒級配關系Table 3 The particle gradation relationship of tailings in an open-pit iron mine

圖1 采空區鉆孔布置Fig.1 Drilling layout of goaf

圖2 采空區三維模型Fig.2 3D model of goaf

計算范圍沿X軸-80～100 m；沿Z軸-30～70 m；沿Y軸-40～60 m，作為模型邊界。整個模型共劃分11 160個單元體和12 768個節點，將采空區部分視為空單元進行模擬處理。

在模型的左右邊界、前后邊界及底部邊界采用零位移邊界條件，上邊界為自由邊界，在本次FLAC3D數值計算中的本構模型采用的是彈塑性本構模型，破壞準則利用摩爾-庫倫準則。模擬采用的物理學參數和初始應力平衡參數見表4。

表4 巖石力學參數Table 4 Rock mechanical parameters

為分析露天鐵礦采空區的穩定性，在三維激光掃描建模的基礎上，將模型(圖2)導入FLAC3D軟件中運用FLAC3D的有限差分方法，對礦區內井下采空區的穩定性進行定量分析得到應力圖，如圖3、4所示。模擬分析統計探測鉆孔周圍巖層的穩定性[10]，可以得到表5、6。

圖3 采空區圍巖最大主應力云圖Fig.3 Cloud map of maximum principal stress of surrounding rock in goaf

圖4 采空區圍巖最小主應力云圖Fig.4 Cloud map of minimum principal stress of surrounding rock in goaf

表5 應力場參數Table 5 Stress field parameters

表6 周圍巖層的穩定性Table 6 Stability of surrounding rock strata

根據結果分析得到，采空區已經影響到了周圍巖層，為避免地質災害的發生，從根本上解決采空區存在的隱患，需要對此采空區進行處理，選取全充填方案進行處理。

3 采空區充填

3.1 充填方案選擇

對于采空區而言，常見的處理方式有“崩”“充”“封”“撐”4種，即崩落法、充填法、封閉法和加固法。其中，加固法主要用于采空區土方工程的公路和隧道建設，不常用作封閉采空處理。由于開采成本高，技術難度大，開采階段采用崩落法的也比較少。在具體采空區的處理過程中，由于各礦區采空區的數量、位置和形態特征的不同，必須根據各采空區的特點和條件采取相應的處理方法。在該采空區處理的各種方案中，唯有充填法最符合實際。充填法設計難度較崩落法簡單、經濟，且不會給周圍巖層帶來二次破壞。以長遠的目光來看，封閉法不適用于露天礦采空區治理，露天礦采空區一般位于邊坡附近，日夜有土方車進行作業，極易造成封閉而不進行充填治理的采空區垮落。相較于其他方案，充填法設計簡單、經濟且有效，是目前露天礦采空區治理的最優選擇[12]。

3.2 充填材料選擇

充填骨料：分級尾砂和-3 mm棒磨砂。分級尾砂中的-30 μm細顆粒含量不能大于20%。

膠凝材料：采用32.5#普通硅酸鹽散裝水泥(容重30.38 kN/m3)和干粉煤塵(密度1 900 kg/m3)作為充填漿料用的膠凝材料。

膏體充填物料配合比及輸送濃度見表7。

表7 膏體物料配合比參數Table 7 Mixing ratio parameters of paste materials

3.3 充填系統設計

本次采空區充填包含物料準備、攪拌制備膏體、泵送管道輸送以及鉆孔充填等工藝流程，主要步驟如下：①對尾礦進行再磨再選，達到平均粒級30 μm的標準，以20%濃度排放到尾礦庫存放。充填采用的尾砂是用濃密機處理后密度為2.65 t/m3，容重為1.2 t/m3的尾砂，選廠尾砂通過渣漿泵加壓后，輸送至加壓泵站加壓，再由泵加壓輸送至壓濾車間進行壓濾，尾砂濾餅經皮帶輸送至尾砂庫進行干排。目前此露天鐵礦處理后尾礦量約6.0×106m3。②由電鏟采集的-3 mm棒磨砂，經過二段破碎形成棒磨砂，然后采用火車運送至砂倉，采用抓斗皮帶上料輸送，圓盤定量給料，再由皮帶輸送到攪拌機。③粉煤灰在遷安某熱電站收塵飛灰至儲倉，然后采用專用汽車運輸，并通過風力送入粉煤灰倉，再利用螺旋給料機通過皮帶輸送至攪拌機。④將水泥廠生產的水泥用水泥罐車運送至充填站，然后采用風力輸送入倉，經過水泥活化攪拌機制漿后，使用渣漿泵送入最大生產能力為80 m3/h的攪拌機混合。⑤運用立式砂倉與兩段攪拌工藝制備充填漿料。制備膏體時，連續攪拌作業要求大于13.5 m3/h，同時，要注意時刻給攪拌機里面加入定量的清水，充填用的骨料以及凝結劑等材料經過攪拌機的連續不間斷攪拌，生產出適合充填用的高濃度膏體，這些膏體隨即進入到受料斗開始輸送。

4 結語

(1)在實地進行三維激光測量后，得到遷安市某露天鐵礦附近的歷史遺留采空區的詳細數據。數據表明，使用三維激光掃描儀掃描采空區范圍效果顯著。

(2)運用FLAC3D對遷安市某露天鐵礦地下采空區進行數值計算。成功完成了采空區周圍巖層的位移、破壞單元模擬。通過研究露天鐵礦采區地下采空區上覆圍巖受采空區影響的變形特征情況與分布規律，得出了現露天鐵礦采區地下采空區正處于一個比較穩定但仍存有巨大風險的狀態，圍巖有剪切破壞單元的產生，以及采空區頂板有沉陷趨勢，為了更好地解決采空區的不穩定問題而提出使用充填法解決隱患。

(3)利用唐山遷安市某露天鐵礦堆放的尾砂、自主生產的棒磨砂以及附近遷安電廠的粉煤塵作為充填骨料對采空區進行充填，從而有效地抑制尾礦揚塵，不僅改善了礦山環境，還避免了企業在復墾工作上不必要的經濟損失。