露天坑固化回填與地下開采相互影響模擬研究

安 晶, 宮長亮, 陳小偉, 孫 健, 謝盛青, 張 磊, 熊贊民,張建立, 張少杰, 任鵬召

(1.中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038; 2.北京科技大學 北京 100083;3.鞍鋼集團礦業有限公司大孤山分公司, 遼寧 鞍山 114046)

1 前言

我國許多露天礦山隨著淺部資源逐漸枯竭,已經或正在轉入地下開采,對于露天轉地下開采的礦山通常會面臨地下深部開采危及露天邊坡穩定性、尾礦庫庫容不足,尾礦無法排放等問題[1-3]。近些年來,一些設計、研究單位和露天金屬礦山陸續開展了露天坑固廢回填工藝技術的探索研究,該技術既能解決尾砂堆存問題,又能減少存量邊坡,同時也能為地下開采創造相對有利的環境條件。因此,開展露天坑回填與地下開采協同技術研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

盧宏建等[4]以石人溝鐵礦露天采坑為工程背景,提出了利用尾砂膠結充填治理露天采坑的方案,給出了各等級充填料漿灰砂比、濃度和分層高度等結構參數,該方案既能消除露天坑安全隱患問題,又能避免尾礦庫建設難題,也為露天采坑的恢復治理奠定了基礎。謝盛青等[5]以某銅礦露天采坑為工程背景,提出了利用全尾砂膠結充填已形成的露天采坑的技術方案,并分析了露天坑治理與地下開采的相互影響,提出了露天坑治理的工程技術措施。彭勃等[6]以西石門鐵礦為工程背景,提出了尾砂固結排放技術,通過固結劑將尾礦進行固結處理后排放到該礦的塌陷坑內,既解決了西石門鐵礦尾礦庫庫容不足的問題,同時還解決了該礦地表塌陷坑的回填和土地復墾等問題。王玉文等[7]以吉林吉恩鎳業股份有限公司大嶺礦為工程背景,對露天坑做尾礦庫和地下礦巖穩定性進行了巖體力學研究,同時采取露天坑防滲加固措施和膠結充填采礦,并對露天地下過渡段的采礦工程進行了注漿加固,采用濃密工藝將尾礦濃縮后排入露天坑,使大嶺礦露天坑在做尾礦庫的同時下部礦體能夠安全回采。黃小忠等[8]以馬鞍山鋼鐵集團礦業公司姑山鐵礦為工程背景,為了解決露天礦坑防水、隨開采深度增加造成的邊坡失穩以及因坑底破壞而存在尾礦潰出風險的問題,采用COMSOL軟件建立了三維有限元模型,揭示了6種加固設計方案下礦坑回填過程中坑底加固結構及圍巖位移場的演化規律,確定了合理的礦坑加固處理高度與全尾礦充填材料強度,坑底加固方案能夠保證坑底的穩定、防滲及地下采礦的安全性要求。劉斌等[9]以魯南礦業王峪礦段深凹露天礦為工程背景,提出了露天坑底部排放尾砂的工藝,采用ABAQUS有限元軟件,模擬了露天坑采結束-坑底干排尾砂-露天轉地下第一階段采礦全過程,分析了露天邊坡位移變化趨勢以及露天轉地下采區的應力分布情況,得出結論:露天坑底排尾砂后地下開采區域應力場沒有明顯的增加,同時圍巖體的塑性區域沒有貫通。劉博等[10]以長江中游某礦山為工程背景,對露天坑回填與地下開采的關聯因素進行辨識,對露天坑回填與地下開采的力學關聯進行了分析,并通過對露天坑回填工況的模擬推演,研究了露天坑回填對地下采空區和巷道的影響。本文在參考借鑒上述研究的基礎上,采用數值模擬方法,對某鐵礦露天坑固化回填與地下開采的相互影響進行了分析,本研究對露天坑回填與地下開采協同技術的發展和建設綠色環保型礦山具有重要意義。

2 工程概況

某鐵礦露天開采已有百年歷史,已形成東西長1 700 m、南北寬1 520 m、垂直深約500 m橢圓形露天坑,露天坑底標高為-414 m,整個礦坑呈倒金字塔形。露天開采結束后將轉入地下開采。為阻斷露天坑與地下的水力通道,避免構成淹井風險,同時保持高陡邊坡穩定,保護周邊排巖場和尾礦庫等設施,計劃采用尾砂膠結固化回填露天坑,使之逐步恢復到露采前的原始地貌,為生態修復治理創造條件。

露天坑固化回填過程中,為隔斷露天采坑同地下開采的水力通道,保證地下生產安全,采用鋼筋網+高強度充填體進行整體封底,其中-414～-394 m采用28 d強度不低于4 MPa的尾砂膠結充填料漿進行回填,為直接底板;-394～-354 m采用28 d強度不低于1.5 MPa的尾砂膠結充填料漿進行回填,為間接底板;-354～-300 m采用28 d強度不低于1.0 MPa的尾砂膠結充填料漿進行回填,為過渡層。-300～-100 m采用28 d強度不低于0.5 MPa,濃度為70%的充填料漿進行回填;-100～-98 m采用28 d強度不低于2 MPa,濃度為70%的充填料漿進行回填;-98～+70 m采用28 d強度不低于0.5 MPa,濃度為70%的充填料漿進行回填。回填到+70 m后進行場地清表及平整碾壓,然后進行客土覆蓋,后續對土壤改良后,進行生態修復。

地下回采前于露天坑底部設置20 m護頂礦柱,于露天坑邊坡四周留設30 m境界礦柱,具體如圖1所示。地下開采主要是對-324～-674 m的礦體進行回采,以-494 m水平為界分為上部采區和下部采區,上部采區礦體分為-380 m、-430 m、-490 m三個無軌開采中段,下部采區礦體分為-550 m、-610 m、-670 m三個無軌開采中段。上部和下部兩個采區同時生產,各采區均按從下往上開采順序進行開采。首采中段為-490 m中段和-670 m中段。地下開采將礦體劃分為盤區,盤區沿走向布置,長度120 m,中段高度60 m。盤區間留設間柱,對于需要留設溜井的盤區間柱寬34 m,不需要留設溜井的盤區礦柱寬26 m。開采示意圖如圖1所示。

圖1 露天坑固化回填、礦柱留設和地下開采中段劃分示意圖

3 數值模擬

3.1 計算模型

根據礦山的工程地質條件、露天坑固化回填方案和地下開采方案,建立了FLAC3D三維有限差分數值模型。模型X軸垂直礦柱走向,長度為3 800 m;模型Y軸沿礦柱走向,長度為3 800 m;模型高為900 m,具體如圖2所示。為了更好地展示數值計算結果,在模型中布置垂直Y軸的剖面A-A′(Y=1 900 m)和水平剖面B-B′(Z=-460 m),具體如圖3所示。剖面A-A′為經過露天坑最深處且與地下開采留設的盤區間柱垂直的剖面。

圖2 三維數值模型

圖3 分析剖面位置圖

3.2 地應力特征及邊界條件

根據礦山水壓致裂地應力測量研究的數據顯示:礦區應力場以水平應力為主導,最大水平主應力與垂直應力的平均比值為2.42,最小水平主應力與垂直應力的平均比值為1.49。平均最大主應力方向為N62.6°E。礦區測點的三個主應力隨深度變化的線性回歸方程為

SH=0.051 22H+5.158 21

(1)

Sh=0.031 04H+3.342 73

(2)

SV=0.028 19H

(3)

式中:SH——最大水平主應力,MPa;

Sh——最小水平主應力,MPa;

SV——垂直應力,MPa

H——垂直深度,m。

考慮構造應力的影響,沿模型X軸和Y軸的水平應力根據式(1)和式(2)施加。模型側面限制水平移動,模型底部限制垂直移動。

3.3 力學參數

根據現場工程地質調查和相關研究提供的巖石力學試驗結果,考慮到巖體的尺度效應,模擬計算采用的巖體力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

根據材料力學特征,圍巖、礦體和回填體均采用復合摩爾-庫侖屈服準則,即

(4)

式中:fs——材料發生破壞的臨界值,MPa;

σ1、σ3——最大和最小主應力,MPa;

C——內聚力,MPa;

φ——摩擦角,MPa;

當fs>0時,材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下,巖體的抗拉強度很低,因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σt(抗拉強度,MPa))判斷巖體是否產生拉破壞。

4 計算結果分析

4.1 露天坑固化回填對地下開采的影響分析

為了揭示露天坑固化回填對地下開采的影響,根據礦山的生產規劃、露天坑固化回填方案和地下開采方案,確定了本節數值計算的模擬過程:(1)模擬露天坑的形成過程。(2)模擬露天坑固化回填至-44 m。(3)模擬地下-490 m和-670 m中段的開采。(4)模擬露天坑固化回填至0 m。(5)模擬露天坑固化回填至+70 m。從護頂礦柱、-490 m中段盤區礦柱及-670 m中段盤區礦柱中分別選取一個單元設置為監測點,通過監測點的應力變化,進一步量化分析露天坑固化回填對地下開采的影響。

-490 m和-670 m中段開采后的最大主應力場(剖面A-A′)如圖4所示。露天坑固化回填至0 m時的最大主應力場(剖面A-A′)如圖5所示。露天坑固化回填至+70 m時的最大主應力場(剖面A-A′)如圖6所示。通過對比可以看出,隨著露天坑固化回填高度的不斷增加,地下開采區域的最大主應力場基本沒有明顯變化。

圖4 -490 m和-670 m中段開采后的最大主應力場

圖5 露天坑固化回填至0 m時的最大主應力場

圖6 露天坑固化回填至+70 m時的最大主應力場

露天坑固化回填至不同標高時監測點的應力變化對比見表2。從表中可以看出:-490 m和-670 m中段開采后,三個監測點的最大主應力分別為5.61 MPa、15.22 MPa、13.21 MPa;露天坑固化回填至0 m時,三個監測點的最大主應力分別為7.62 MPa、15.35 MPa、13.91 MPa;露天坑固化回填至+70 m時,三個監測點的最大主應力分別為8.75 MPa、16.09 MPa、14.27 MPa。對于護頂礦柱中的監測點1來講:在露天坑固化回填的加載作用下,最大主應力值從5.61 MPa增加至8.75 MPa,有一定程度的增加。對于-490 m中段盤區礦柱中的監測點2來講:隨著露天坑固化回填高度的增加,最大主應力值從15.22 MPa增加至16.09 MPa,增加程度并不明顯,說明露天坑固化回填不會對-490 m中段的盤區礦柱的承載作用產生明顯影響。對于-670 m中段盤區礦柱中的監測點3來講:隨著露天坑固化回填高度的增加,最大主應力值從13.21 MPa增加至14.27 MPa,增加程度并不明顯,說明露天坑固化回填不會對-670 m中段的盤區礦柱的承載作用產生明顯影響。綜上所述,露天坑固化回填基本上不會對地下開采產生影響。

表2 露天坑固化回填至不同標高時監測點的應力變化對比

-490 m和-670 m中段開采后的塑性區分布(剖面A-A′)如圖7所示。露天坑固化回填至0 m時的塑性區分布(剖面A-A′)如圖8所示。露天坑固化回填至+70 m時的塑性區分布(剖面A-A′)如圖9所示。通過對比可以看出,與-490 m和-670 m中段開采后的塑性區分布相比,露天坑固化回填至0 m、以及露天坑固化回填至+70 m的塑性區分布基本沒有明顯變化,說明露天坑固化回填基本上不會對地下開采產生影響。

圖7 -490 m和-670 m中段開采后的塑性區分布

圖8 露天坑固化回填至0 m時的塑性區分布

圖9 露天坑固化回填至+70 m塑性區分布

4.2 地下開采對露天坑固化回填的影響分析

為了揭示地下開采對露天坑固化回填的影響,根據礦山的生產規劃、露天坑固化回填方案和地下開采方案,確定了本節數值計算的模擬過程:(1)模擬露天坑的形成過程。(2)模擬露天坑固化回填至0 m。(3)模擬地下-490 m和-670 m中段的開采。在露天坑固化回填體中、露天坑邊坡中分別選取一個單元設置為監測點,通過監測點的應力變化,進一步量化分析地下開采對露天坑固化回填的影響。

-490 m和-670 m中段開采前的最大主應力場(剖面A-A′)如圖10所示。-490 m和-670 m中段開采后的最大主應力場(剖面A-A′)如圖11所示。通過對比可以看出,-490 m和-670 m中段開采前后,露天坑的最大主應力場基本沒有明顯變化。

圖10 -490 m和-670 m中段開采前的最大主應力場

圖11 -490 m和-670 m中段開采后的最大主應力場

地下開采不同階段時監測點的應力對比分析見表3。從表中可以看出:對于露天坑固化回填體中監測點4來講,-490 m和-670 m中段開采前露天坑固化回填體中監測點4的最大主應力為2.6 MPa;-490 m和-670 m中段開采后露天坑固化回填體中監測點4的最大主應力仍為2.6 MPa,說明-490 m和-670 m中段開采對露天坑固化回填基本無影響。對于露天坑邊坡中監測點5來講,-490 m和-670 m中段開采前露天坑邊坡中監測點5的最大主應力為1.8 MPa;-490 m和-670 m中段開采后露天坑邊坡中監測點5的最大主應力為1.7 MPa,減小值僅為0.1 MPa,說明-490 m和-670 m中段開采對露天坑邊坡基本無影響。

表3 地下開采不同階段時監測點的應力變化對比

-490 m和-670 m中段開采前的塑性區分布(剖面A-A′)如圖12所示。-490 m和-670 m中段開采后的塑性區分布(剖面A-A′)如圖13所示。通過對比可以看出,-490 m和-670 m中段開采前后,露天坑的塑性區分布基本沒有明顯變化,說明-490 m和-670 m中段開采對露天坑固化回填基本無影響。

圖12 -490 m和-670 m中段開采前的塑性區分布

圖13 -490 m和-670 m中段開采后的塑性區分布

5 結論

本文根據礦山的工程地質條件、露天坑固化回填方案和地下開采方案,構建了FLAC3D三維數值模型,對某大型深凹露天坑固化回填與地下開采的相互影響進行了分析研究,得到以下結論:

(1)隨著露天坑固化回填體高度的不斷增加,護頂礦柱中的應力有一定程度的增加,為露天坑固化回填的加載作用引起;-494 m中段盤區礦柱和-674 m中段盤區礦柱的應力增加程度并不明顯,表明露天坑固化回填基本上不會對地下開采產生影響。

(2)-494 m和-674 m中段開采前后,露天坑回填體和露天邊坡中的單元應力基本沒有變化,表明-494 m和-674 m中段開采基本上不會對露天坑固化回填產生影響。

(3)綜上所述,露天坑固化回填和地下開采之間基本上不存在相互影響。為了礦山地下開采的安全,建議在實際開采過程中加強護頂礦柱和盤區礦柱的應力、變形等監測。