王雨波 王運(yùn)敏 汪 斌 楊永生
(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
目前,大量的露天礦即將進(jìn)入生產(chǎn)末期,隨著露天采礦轉(zhuǎn)入地下,在露天采坑下方會(huì)形成大量的采空區(qū)。對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下的礦山而言,一方面,大規(guī)模采空區(qū)群對(duì)露天邊坡的穩(wěn)定性造成巨大影響,另一方面,露天采坑邊坡的失穩(wěn)將對(duì)地下采礦的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。利用尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)以及上部露天采坑,需要確定合理的膠結(jié)充填配合比,力求在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡量降低經(jīng)濟(jì)成本,不但可以消除礦山安全生產(chǎn)隱患,而且可以節(jié)約大量建設(shè)尾礦庫(kù)的資源,為企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
某礦一期開(kāi)采為地下開(kāi)采,開(kāi)采標(biāo)高為-6~+75 m;二期工程為露天開(kāi)采,位于一期采空區(qū)正上方,回采標(biāo)高為+60 m水平以上一期開(kāi)采剩下的礦柱,二期露天邊幫三面環(huán)水,東部邊幫滲水嚴(yán)重,局部存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn);目前礦山正進(jìn)行三期工程的開(kāi)采,開(kāi)采標(biāo)高為-6~-165 m,其中-45~-6 m留有39 m的保安礦柱隔離層。礦區(qū)緊臨水庫(kù),水庫(kù)歷史最高水位為134.18 m,工程地質(zhì)條件復(fù)雜。
露天采坑邊幫巖石主要為中等風(fēng)化和弱風(fēng)化層狀白云石英片巖以及層狀白云石英片巖,采坑靠西一側(cè)邊幫曾出現(xiàn)過(guò)一定程度的垮塌,在探討充填方案之前對(duì)露天邊坡現(xiàn)狀的安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算,結(jié)果顯示靠西一側(cè)的邊坡安全系數(shù)在1.05左右,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)定該邊坡的安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15,故該露天邊坡存在滑坡的危險(xiǎn)。-6~+60 m采空區(qū)頂?shù)装鍑鷰r主要為塊狀角礫巖,巖石力學(xué)強(qiáng)度較高,穩(wěn)定性較好。
按國(guó)家規(guī)定,需對(duì)一期采空區(qū)進(jìn)行治理以及復(fù)墾露天采坑。目前礦山的三期采礦作業(yè)位于采空區(qū)群下方,采空區(qū)上方有不穩(wěn)定的露天邊幫,治理時(shí)需要綜合考慮三者之間的相互影響。礦山尾礦庫(kù)的尾礦堆積已達(dá)到設(shè)計(jì)庫(kù)容,需要建新尾礦庫(kù)。
本次充填方案采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)設(shè)計(jì)方案,建立相關(guān)的計(jì)算模型,對(duì)各方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析,最終根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化得出充填治理方案。
正交試驗(yàn)是處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)的試驗(yàn)方法,它利用正交表合理的安排試驗(yàn)。用這種方法只做較少次數(shù)的試驗(yàn)便可判斷出較優(yōu)的條件,若再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析,還可以更全面、更系統(tǒng)地掌握試驗(yàn)結(jié)果,做出正確判斷。根據(jù)全尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù),把充填材料分為12個(gè)等級(jí),具體編號(hào)見(jiàn)表1。根據(jù)各分層應(yīng)力分布情況以及充填材料的參數(shù),因素水平劃分如表2。
表1 不同質(zhì)量濃度下充填材料等級(jí)編號(hào)劃分
表2 因素水平劃分
本次計(jì)算利用有限元分析軟件,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型,根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況建立如下的二維有限元計(jì)算分析模型。模型的左右兩邊界為X方向約束,底部邊界為Y向約束。計(jì)算模擬了礦山的一期、二期開(kāi)采以及分層充填過(guò)程,在充填的過(guò)程中模擬了三期采礦作業(yè),具體計(jì)算模型見(jiàn)圖1。
圖1 計(jì)算分析模型
在計(jì)算分析模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)礦方提供的巖石強(qiáng)度參數(shù)以及全尾砂膠結(jié)試塊的強(qiáng)度指標(biāo),結(jié)合礦山實(shí)際情況進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)折減,對(duì)不同的充填方案進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。
具體的試驗(yàn)方案及其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
從表3可以看出,各充填方案對(duì)三期采空區(qū)頂板豎向位移的影響在合理的巖移范圍之內(nèi),且各方案的三期采空區(qū)頂板豎向位移來(lái)看,幾乎沒(méi)有差別,可以認(rèn)為上部充填對(duì)下部的采礦不會(huì)造成太大影響。其中坑底與+60 m采空區(qū)之間的部位存在著較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從各個(gè)充填方案的分析結(jié)果來(lái)看,都在圍巖應(yīng)力承受的范圍之內(nèi),且各方案的應(yīng)力集中程度大致相同,變化不大,故在方案選取上不用過(guò)多考慮壓壞、剪壞等情況;各充填方案存在較大差異是在地表豎向位移上面,根據(jù)表3對(duì)地表最大豎向位移做極差分析,結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果
表4 地表豎向最大位移極差 mm
從表4可以看出,影響地表位移的因素中,+95~+120 m水平的充填情況對(duì)結(jié)果影響最大,其次應(yīng)注意到+60 m采空區(qū)的充填情況對(duì)地表位移的影響,之后是+60~+75 m水平的充填情況造成的影響。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看,開(kāi)挖露天底部時(shí)切割了多處采空區(qū),采坑底部穩(wěn)定性情況欠佳,也是露天邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的主要因素之一。
礦方提供的穩(wěn)定性分析成果顯示,露天采坑邊幫豎向位移不得大于15 mm。因此部分方案不能滿足穩(wěn)定性要求。本文在穩(wěn)定性分析成果的基礎(chǔ)上又根據(jù)各充填分層體量大小以及各充填配合比下的充填單價(jià)計(jì)算出各充填方案的充填總費(fèi)用。詳見(jiàn)表3。
由上述分析可以看出,方案18是本次充填試驗(yàn)中的最優(yōu)方案,該方案在滿足穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)。具體的充填配比和濃度見(jiàn)表5。
表5 最終充填配比方案
(1)利用正交試驗(yàn)進(jìn)行充填試驗(yàn)設(shè)計(jì),可以在較少次數(shù)的試驗(yàn)中判斷出較優(yōu)的條件。根據(jù)各充填分層應(yīng)力分布情況,選取適當(dāng)?shù)囊蛩厮竭M(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。建立相關(guān)的計(jì)算模型,對(duì)各試驗(yàn)方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析,在各方案穩(wěn)定性情況的基礎(chǔ)上,考慮各方案的充填成本,綜合比較之后得出最終的充填配比方案。
(2)針對(duì)該礦采空區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,在確定好全尾砂膠結(jié)充填方式處理的前提下,對(duì)充填方案進(jìn)行了分析比較,得出合理的充填配比,在穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)上是可行的,為復(fù)雜條件下的采空區(qū)以及露天采坑充填方案的選取優(yōu)化提供了一條有效的思路。
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