某礦采空區(qū)膠結(jié)充填方案研究

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。

1 工程概況

某礦一期開采為地下開采，開采標(biāo)高為－6～+75 m;二期工程為露天開采，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)行三期工程的開采，開采標(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)。

2 全尾砂膠結(jié)充填治理方案研究

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。

2.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

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

2.2 試驗(yàn)方案穩(wěn)定性計(jì)算

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

2.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

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。

2.4 試驗(yàn)方案綜合分析

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

3 結(jié)論

(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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