吳永強 孫艷秋

(河北鋼鐵集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

露天轉地下采用崩落法采礦的礦山，需要在露天坑底回填合理級配結構的覆蓋層，以起到較好的滯水作用及滿足防沖擊地壓等要求。由于露天坑極易積水，且積水很容易透過覆蓋層滲入井下，因此，研究露天坑覆蓋層滲流量的影響因素，可有效控制覆蓋層的滲流量，對井下防排水及安全工作有重要意義。司家營鐵礦Ⅲ采場為露天轉地下開采礦山，在選擇了合理結構的回填料之后，首先對礦區(qū)降雨進行分析與計算，然后采用離散單元法建立數(shù)值分析模型對覆蓋層的結構參數(shù)進行模擬分析，深入研究覆蓋層滲流量與各影響因素之間的關系，以期能有效地控制Ⅲ采場覆蓋層的滲流量，保證井下采礦安全。

覆蓋層的滲流是井下系統(tǒng)排水設計必須考慮的一部分，前期通過對司家營鐵礦Ⅲ采場露天坑覆蓋層的滲流影響因素進行分析與研究，并利用研究結論指導露天坑覆蓋層的施工，實現(xiàn)了露天轉地下開采覆蓋層的有效形成，最大限度地減小了覆蓋層的滲流量，有效地控制了井下放礦時泥石流災害的發(fā)生，保證了井下采礦安全。根據(jù)研究成果，司家營鐵礦制定了露天采坑的回填設計規(guī)劃，并結合露天采場剝巖同步進行。礦坑回填采取二層分步回填以形成地采上部覆蓋巖層，下層廢石粒徑為100～150 mm，從Ⅲ采礦場+42 m水平臨近山包地段進行剝離取料，設計回填標高為－10～－48 m，廢石非均勻度小于0.436;上層廢石粒徑為10～80 mm，從Ⅲ采礦場+30 m水平強風化巖石地段取料，設計回填標高為+15～－10 m，廢石非均勻度小于0.369。實踐表明，按以上參數(shù)施工形成的覆蓋層滲流量小，滿足井下安全生產要求。

1 礦區(qū)暴雨強度計算

在搜集了司家營礦區(qū)近25年來記錄的各時段的最大降雨量后，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，經非線性回歸得到礦區(qū)暴雨強度計算式為

式中，q為暴雨強度，10－4L/(s·m2);T為重現(xiàn)期，a;t為降雨歷時，min。

圖1為暴雨強度非線性回歸曲面。

圖1 司家營礦區(qū)暴雨強度非線性回歸曲面

2 露天坑匯水面積

根據(jù)Ⅲ采場露天采坑的高程，可以圈定采坑的匯水區(qū)范圍，將此匯水區(qū)范圍導入AutoCAD中可以確定露天坑南北長度約2 010 m，寬度約81 m，匯水區(qū)面積約為162 039 m2。

3 露天坑最大滲流量計算

根據(jù)式(1)，對時間和匯水面積積分，就可以獲得匯水面積內單位時間內的降雨量式。

考慮到24 h的降雨量以及司家營鐵礦Ⅲ采場露天坑的匯水面積，通過積分后得到Ⅲ采場露天坑24 h內最大降雨量的計算式為

式中，Qmax為24 h最大降雨量，m3。

Ⅲ采場露天坑滲流量取決于覆蓋層的滲透性。根據(jù)現(xiàn)場試坑滲水試驗得到覆蓋層入滲系數(shù)［1］，從而可以確定露天坑滲流量為

式中，k為覆蓋層入滲系數(shù)，m/d;h為覆蓋層厚度，m。

4 露天坑覆蓋層滲流量數(shù)值分析

4.1 覆蓋層滲流性模擬實驗

選取覆蓋平均顆粒直徑d、土石層的孔隙率n、覆蓋層的厚度h、水頭壓力p的3個水平，運用正交試驗法得出9種組合［2］，見表1。

表1 正交試驗組合

4.2 數(shù)值模型與固流耦合分析

為了預測露天坑覆蓋層滲流量，采用離散單元法建立數(shù)值分析模擬進行模擬及預測，分別對覆蓋層15、20、25 m 3 種厚度及 0.15、0.25、0.35 m 3 種平均粒徑進行滲流量模擬［3］。圖2為進行數(shù)值模擬的計算模型。

圖2 滲透模擬計算模型

為了模擬固流耦合效應，在模擬計算前必須進行固流耦合域的確定。圖3為滲流模型固流耦合域。

圖3 滲流模型固流耦合域

4.3 覆蓋層的滲流量計算分析

由滲流模型固流耦合域中的流量與壓力間的關系，首先計算出1～9號試驗組合滲流平均壓力差值為 468.59，211.36、161.71、249.49、493.92、159.39、182.56、595.3、135.98 MPa，然后經換算得出域單位表觀體積滲流量的大小，其計算式為

式中，Vd為域的表觀體積;ΔPp為模型底部滲透壓力差;Kf為體積模量;Δt為時間步長。

滲透模擬計算模型底部尺寸為60 m。取Kf=1.0 ×106kPa，Δt=1.0 ×10－2s。將1～9號試驗組合滲流平均壓力差值代人式(4)，1～9號試驗組合滲流量計算結果如下:Q1=0.281，Q2=0.127，Q3=0.097，Q4=0.150，Q5=0.296，Q6=0.095 6，Q7=0.110，Q8=0.357，Q9=0.081 6 。

根據(jù)已經得出的計算數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件DSP對滲流量Q及所確定的4個相關的因素d、n、h、p分別采用線性逐步回歸法和二次逐步回歸法進行回歸分析，回歸結果如下:

(1)線性回歸，

(2)二次逐步回歸，

5 結論

(1)礦區(qū)降雨強度、露天坑匯水面積與露天坑覆蓋層的滲流量成正比。

(2)覆蓋層孔隙率與露天坑覆蓋層的滲流量成正比，應盡量壓密土石混合體，降低孔隙率，控制滲流量。

(3)組成覆蓋層的顆粒粒徑與露天坑覆蓋層的滲流量成正比，應降低顆粒平均粒徑，減少滲流量。

(4)覆蓋層厚度越大，露天坑覆蓋層的滲流量滲流量越小，應盡可能增加覆蓋層的厚度。

［1］ 徐 揚，高 謙，李 欣，等.土石混合體滲透性現(xiàn)場試坑試驗研究［J］.巖土力學，2009(3):855-858.

［2］ 楊曉炳，高 謙，王連慶.散體顆粒流動數(shù)值方法在放礦工程中的應用［J］.金屬礦山，2010(5):1-4.

［3］ 魏隨利，王國強，郝萬軍，等.離散單元法及其在EDEM上的實踐［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，2010.