某露天礦坑回填周邊滲流場狀態及影響研究*

陳 軻 陳文超 王少陽

（1.安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.包鋼集團礦山研究院（有限責任公司））

露天礦山往往會形成體積較大的凹陷露天礦坑，有重大的安全隱患［1］。特別是露天轉地下開采的礦山，面臨大量危險高陡邊坡、地下深部采礦導致地表巖移圈擴大等問題，同時地下開采產生的尾礦也增加了尾礦庫的負擔［2］。合理解決露天采坑遺留的安全問題，是露天轉地下后礦山安全生產的重要保障［3］。如果能夠在不對地下采礦活動構成威脅的前提下，將選礦尾砂固結排放到露天采坑內，不僅能省去尾礦庫建設，減少耕地占用，而且還能治理露天采坑，改善礦山生態環境［4］。

根據姑山露天礦的總體規劃，其采坑改建尾礦坑在整體上可滿足姑山礦各采場的選礦排尾需要。姑山露天采場底部礦巖接觸帶為高嶺土化輝長閃長巖，由于爆破松動和水浸泡產生泥化等原因，易發生滑動和坍塌，將對井下開采產生不利影響。采場后期采用了強化開采，臨近坑底并段臺階增多，特別是采場西幫，對邊幫邊坡的穩定不利［5-6］。為保證姑山露天采坑尾砂排放不影響地下開采的安全和正常工作，減少露天坑底蓄水滲透對將來露轉井工程的影響和確保采場邊幫邊坡穩定，需要對坑底及周邊進行滲流影響性研究。

本文針對姑山鐵礦露天坑回填方案，利用COMSOL軟件研究露天礦坑回填不同深度時的滲流狀態，并進一步探究滲流效應對露天邊坡及地下開采的應力演化規律和位移分布情況影響［7］。

1 工程概況

1.1 工程地質

姑山露天礦坑范圍內的巖層主要包含三部分：表土層、閃長巖組和鐵礦石。其中表土層分布于礦床四周，其規律是由姑山向外逐漸變厚，主要受基巖地形控制，基巖地形似穹隆，一般外展300～400 m 即逐漸平緩，為此第四系層厚亦隨之而穩定，一般厚40～60 m，個別基巖低凹處達75.07 m。閃長巖組由燕山晚期的侵入巖組成，圍巖蝕變較強烈，主要為高嶺土化輝長閃長巖與碳酸鹽化輝長閃長巖，近礦體部分高嶺土化嚴重，巖體強度低，呈軟弱、較堅硬狀；遠離礦體主要為碳酸鹽化，巖體強度高，呈堅硬、較堅硬狀。鐵礦石分布于輝長閃長巖侵入接觸帶附近，鐵礦體多呈堅硬—較堅硬致密的塊狀構造，強度高。

1.2 水文條件

表土層全層為富水性隨深度而遞增，不均質潛水混合含水巖層，各層共一潛水位，一般位于地面以下1～2 m，標高為7 m左右，而底部強富水之卵石層則具相對承壓性。侵入巖體弱含水巖組為閃長巖，似鐘狀普遍分布于整個采場，遠離礦體蝕變逐漸減弱，巖體新鮮而完整，裂隙不發育，可視為隔水層，為HCO3-CaMg型水。

含礦層弱含水帶分布于接觸帶附近，為礦區的鐵礦及近礦的蝕變巖體，含水巖性為鐵礦體及高嶺土化輝長閃長巖等。礦體一般致密堅硬，裂隙不發育，高嶺土化輝長閃長巖因強高嶺土化而松軟，但受水膨脹使含水裂隙大為減少，另有裂隙被高嶺土化松散巖粉所堵塞而降低了裂隙率，為此該帶富水性弱，水質類型為HCO3·SO4-CaMg型。

2 三維地質模型建立

2.1 露天礦坑地表模型

以礦山地形圖為原始資料，利用3DMine 進行轉換渲染制成姑山鐵礦露天礦坑三維DTM 模型（圖1（a））；根據地表模型，建立礦區地表與礦體的三維模型（圖1（b））。

2.2 初始計算模型

根據建立的露天采坑模型及露天礦坑和地下礦體的相對位置關系，利用3DMine 的塊體模型對上述模型進行處理，導入COMSOL 軟件中建立三維露天礦坑及采場模型（1∶1 模型），劃分網格，計算模型的范圍1 300 m×1 200 m×250 m（長×寬×高）。最終建立的模型包含72 979個域單元、17 449個邊界元和5 523 個邊單元組成，模型及其網格劃分如圖2 所示。

根據現場地質條件調查與礦區圍巖體力學特性試驗，初步獲得了各類巖體力學參數，同時受巖體中節理裂隙等因素影響，將各類巖體的參數進行了適當的折減。計算模型中采用的巖體力學參數詳見表1。

在COMSOL 中對地層施加初始地應力，模型四周邊界采用輥支撐邊界條件以及透水層邊界條件，模型底部邊界采用固定約束邊界條件以及水頭邊界條件，模型上部以及礦坑表面采用自由邊界條件以及水頭邊界條件。由于考慮淺部計算，因此只考慮巖層自重作用。

將上述邊界條件及模擬參數導入COMSOL 的固體力學模塊和達西定律模塊進行耦合計算。初始模型計算結果如圖3所示。由圖3可以看出，露天礦坑整體應力分布由上而下逐漸增大，底部應力達到最大。

2.3 數值模擬方案

為了記錄露天礦坑在尾礦回填及地下礦體開釆過程中礦坑及釆場圍巖位移場和應力場的變化，在頂底板設置位移和應力跟蹤監測點，定量分析由地下采動造成的礦體圍巖的響應特征。同時為更好地反映采場巖體內部響應特征，在模型中部設置垂直于Y軸剖面作為數值對比研究典型斷面。

綜合考慮數值計算模型與實際情況的吻合度和計算模型的復雜化程度，對工程地質條件作了適當處理。利用COMSOL 軟件中進行簡化得到二維有限元計算模型，采用三角形單元，共計8 312 個節點、16 248個單元，采用非均勻網格尺寸，對露天礦坑邊坡以及礦體和地下空區采用局部加密，網格尺寸達2 m，整體平均尺寸12 m，如圖4所示。

不同的回填厚度情況下采坑周邊圍巖的滲流場狀態發生不同的變化，進而影響地下礦體的開采和露天礦坑邊坡的穩定性［8］。為了方便計算和模擬，故此將回填厚度設置為20、40、60、80、100、120、140、160、175 m（回填結束），考慮不同回填厚度時，采坑周圍的滲流場狀態和滲流對露天邊坡以及地下開采的影響。

3 露天礦坑不同回填厚度數值模擬結果分析

3.1 滲流場狀態

3.1.1 采場基坑壓力分析

露天礦坑在回填過程中，對基坑的壓力主要分布在礦坑底部和兩幫下側。由于地下礦體位于礦坑西幫之下，加之礦坑左側邊坡傾角大于右側，整個礦坑及采場壓力分布表現出非對稱性。采場基坑最大壓力變化曲線如圖5所示。

由圖5 可以看出，隨著回填厚度的增加，基坑壓力分布也呈現一定規律的發展；基坑壓力隨著回填厚度的增加而增大，但并非單純的線性關系，隨著回填厚度的增加，雖然基坑壓力在增加，最終上升趨勢逐漸放緩。

3.1.2 采場圍巖滲流分析

對不同回填厚度情況下，采坑周邊圍巖的達西滲流速率進行分析，露天礦坑在回填過程中，滲流變化主要發生在礦坑底部和礦體中，整個礦坑及采場圍巖滲流速度分布表現為非對稱性。最大滲流速率曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，達西滲流速度隨著回填厚度的增加呈上升趨勢，且上升趨勢愈發明顯，在回填厚度100 m 前，達西滲流速度增長較緩慢，超過100 m 后，達西滲流速度迅速增長，表明回填厚度越大，對采場圍巖滲流速度的影響愈加顯著。

3.2 露天坑邊坡穩定性

3.2.1 邊坡等效應力分布

等效應力即塑性材料校核時的屈服應力，可以用于判斷巖體的屈服情況。部分回填厚度情況下礦坑圍巖等效應力分布如圖7所示。

圖7（a）表明，等效應力集中區域主要分布在原礦坑的西幫，由于西幫整體邊坡角較大，且地下采場布置在此幫下面，露天與地下應力疊加，相互影響，坡角應力集中可達到4 MPa。回填深度在20～100 m時，等效應力集中程度不斷降低，滑坡風險不斷降低；回填到120 m 以上后，整體應力均勻分布，逐漸恢復至為未開采狀態。

3.2.2 邊坡剪應變分布

部分回填厚度情況下邊坡的剪應變分布如圖8所示。

由圖8（a）可知，未對露天礦坑進行回填時，坑底西幫坡腳有剪應變集中，同時第四系表土層的兩幫坡腳亦有較大的剪應變集中，因此，深部邊坡的西幫坡腳和淺部第四系臺階的坡腳均為易變形區。在回填深度20～120 m 階段，邊坡坡腳剪應變程度降低，且具有向充填體轉移的趨勢，回填至140～175 m 時，第四系土層邊坡臺階的變形得到有效的抑制，邊坡區域穩定。

3.2.3 邊坡位移分布

圖9 為部分回填深度后露天礦邊坡的X方向的位移分布。

由圖9 可以看出，東西幫具有相反的位移，邊坡有向坑內移動的趨勢。由圖9（a）可知，邊坡在X方向位移最大可以達0.02 m，主要位于第四系表土層。在回填深度20～80 m 階段，隨著回填厚度的增加，整體位移變化不大，回填厚度達到80 m 時，由于采場位于礦坑西幫之下，加之礦坑左側邊坡傾角大于右側，邊坡幾何呈現非對稱性，靠近西幫的回填區域變形較大；回填深度100～175 m 階段，西幫的表土層變形隨著回填深度增加，逐漸轉移至充填體中，西幫第四系表土層變形大于東幫。

3.3 地下開采空區影響

3.3.1 空區等效應力分布

部分不同回填厚度下空區等效應力分布如圖10所示。

圖10（a）表明，等效應力集中在空區的頂板右側和底板的左側，最大可達到4 MPa，頂板左側和底板的右側亦存在等效應力集中區，但應力集中程度低，最大可達1 MPa左右，分布的面積較大。隨著回填厚度的增加，頂板左側和底板右側的等效應力集中區的面積逐漸減小，但應力水平增加，由1 MPa 增加至2 MPa。因此，隨著回填厚度的增加，空區的頂底板4個邊角亦發生壓剪屈服破壞，尤其是左側頂板和右側底板，應力集中程度逐漸變大。

3.3.2 空區剪應變分布

部分不同回填厚度情況下空區剪應變分布如圖11所示。

圖11（a）表明，剪切變形主要應力集中在空區的頂板右側和底板的左側，頂板左側和底板右側的剪應變集中程度低。隨著回填厚度的增加，頂板右側和底板左側的剪切變形集中區面積不斷增加。因此，需要采取相應的支護措施，防止變形失穩。

4 結論

（1）露天礦坑在回填過程中，對基坑的壓力主要分布在礦坑底部和兩幫下側；采場壓力分布表現出非對稱性；滲流變化主要發生在礦坑底部和礦體中，達西滲流速度隨著回填厚度的增加呈上升趨勢，且上升趨勢愈發明顯。

（2）回填之前，邊坡頂部臺階有較大的拉應力分布，主要位于臺階上部，隨著回填的增加，邊坡表面的拉應力分布得到有效改善，拉應力趨于零，回填至175 m 時，最頂部的臺階表面仍有較大的拉應力，因此應適當對第四系表土層臺階進行加固和監測。

（3）空區拉應力主要應力集中在空區的頂底板中部，隨著回填深度的增加，拉應力集中區面積有增加趨勢。隨著回填深度的增加，頂板右側和底板左側的剪切變形集中區面積不斷增加，需要采取相應的支護措施，防止變形失穩。