某礦采空區膠結充填方案研究

王雨波 王運敏 汪 斌 楊永生

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

目前，大量的露天礦即將進入生產末期，隨著露天采礦轉入地下，在露天采坑下方會形成大量的采空區。對于露天轉地下的礦山而言，一方面，大規模采空區群對露天邊坡的穩定性造成巨大影響，另一方面，露天采坑邊坡的失穩將對地下采礦的安全構成嚴重的威脅。利用尾砂膠結充填采空區以及上部露天采坑，需要確定合理的膠結充填配合比，力求在穩定的基礎上盡量降低經濟成本，不但可以消除礦山安全生產隱患，而且可以節約大量建設尾礦庫的資源，為企業和社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。

1 工程概況

某礦一期開采為地下開采，開采標高為－6～+75 m;二期工程為露天開采，位于一期采空區正上方，回采標高為+60 m水平以上一期開采剩下的礦柱，二期露天邊幫三面環水，東部邊幫滲水嚴重，局部存在滑坡的風險;目前礦山正進行三期工程的開采，開采標高為－6～－165 m，其中－45～－6 m留有39 m的保安礦柱隔離層。礦區緊臨水庫，水庫歷史最高水位為134.18 m，工程地質條件復雜。

露天采坑邊幫巖石主要為中等風化和弱風化層狀白云石英片巖以及層狀白云石英片巖，采坑靠西一側邊幫曾出現過一定程度的垮塌，在探討充填方案之前對露天邊坡現狀的安全系數進行了驗算，結果顯示靠西一側的邊坡安全系數在1.05左右，根據經驗數據認定該邊坡的安全系數不應小于1.15，故該露天邊坡存在滑坡的危險。－6～+60 m采空區頂底板圍巖主要為塊狀角礫巖，巖石力學強度較高，穩定性較好。

按國家規定，需對一期采空區進行治理以及復墾露天采坑。目前礦山的三期采礦作業位于采空區群下方，采空區上方有不穩定的露天邊幫，治理時需要綜合考慮三者之間的相互影響。礦山尾礦庫的尾礦堆積已達到設計庫容，需要建新尾礦庫。

2 全尾砂膠結充填治理方案研究

本次充填方案采用正交試驗的方法進行設計，根據設計方案，建立相關的計算模型，對各方案進行穩定性分析，最終根據分析結果優化得出充填治理方案。

2.1 正交試驗方案設計

正交試驗是處理多因素試驗的一種科學的試驗方法，它利用正交表合理的安排試驗。用這種方法只做較少次數的試驗便可判斷出較優的條件，若再對試驗結果進行簡單的統計分析，還可以更全面、更系統地掌握試驗結果，做出正確判斷。根據全尾砂膠結充填試驗報告數據，把充填材料分為12個等級，具體編號見表1。根據各分層應力分布情況以及充填材料的參數，因素水平劃分如表2。

表1 不同質量濃度下充填材料等級編號劃分

表2 因素水平劃分

2.2 試驗方案穩定性計算

本次計算利用有限元分析軟件，采用Mohr－Coulomb屈服準則的彈塑性本構模型，根據礦區的實際情況建立如下的二維有限元計算分析模型。模型的左右兩邊界為X方向約束，底部邊界為Y向約束。計算模擬了礦山的一期、二期開采以及分層充填過程，在充填的過程中模擬了三期采礦作業，具體計算模型見圖1。

圖1 計算分析模型

2.3 試驗方案及結果

在計算分析模型的基礎上，根據礦方提供的巖石強度參數以及全尾砂膠結試塊的強度指標，結合礦山實際情況進行強度參數折減，對不同的充填方案進行穩定性計算。

具體的試驗方案及其計算結果見表3。

2.4 試驗方案綜合分析

從表3可以看出，各充填方案對三期采空區頂板豎向位移的影響在合理的巖移范圍之內，且各方案的三期采空區頂板豎向位移來看，幾乎沒有差別，可以認為上部充填對下部的采礦不會造成太大影響。其中坑底與+60 m采空區之間的部位存在著較大的應力集中現象，從各個充填方案的分析結果來看，都在圍巖應力承受的范圍之內，且各方案的應力集中程度大致相同，變化不大，故在方案選取上不用過多考慮壓壞、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，根據表3對地表最大豎向位移做極差分析，結果見表4。

表3 試驗方案及結果

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水平的充填情況對結果影響最大，其次應注意到+60 m采空區的充填情況對地表位移的影響，之后是+60～+75 m水平的充填情況造成的影響。從現場實際情況來看，開挖露天底部時切割了多處采空區，采坑底部穩定性情況欠佳，也是露天邊坡存在失穩風險的主要因素之一。

礦方提供的穩定性分析成果顯示，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定性要求。本文在穩定性分析成果的基礎上又根據各充填分層體量大小以及各充填配合比下的充填單價計算出各充填方案的充填總費用。詳見表3。

由上述分析可以看出，方案18是本次充填試驗中的最優方案，該方案在滿足穩定性的基礎上經濟成本最優。具體的充填配比和濃度見表5。

表5 最終充填配比方案

3 結論

(1)利用正交試驗進行充填試驗設計，可以在較少次數的試驗中判斷出較優的條件。根據各充填分層應力分布情況，選取適當的因素水平進行試驗方案設計。建立相關的計算模型，對各試驗方案進行穩定性分析，在各方案穩定性情況的基礎上，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)針對該礦采空區復雜的工程地質條件，在確定好全尾砂膠結充填方式處理的前提下，對充填方案進行了分析比較，得出合理的充填配比，在穩定性和經濟上是可行的，為復雜條件下的采空區以及露天采坑充填方案的選取優化提供了一條有效的思路。

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