廢石回填塌陷區對排土場和露天采場穩定性的影響

余正方，胡遠，侯克鵬，張瑋，黃和平，郭林寧

(1.玉溪大紅山礦業有限公司， 云南 新平縣 653405；2.昆明理工大學， 云南 昆明 650093；3.云南亞融礦業科技有限公司， 云南 昆明 650000)

0 引言

在地下開采過程中，形成了大量的采空區，采空區的存在導致其周圍的巖體應力重新分布，圍巖失衡垮塌。在重力的作用下，這種垮塌失衡不斷擴展到地表，使地表發生大面積的變形和崩塌，嚴重威脅到礦區地表周圍環境及建（構）筑物的安全[1-2]。隨著經濟的發展，國家對環境保護的認識逐漸提高，許多礦山在滿足生產的同時，加大了環境保護，尤其是加大了對已破壞地表的修復。國內許多學者對塌陷區回填進行了研究，吳榮高等[3]采用相似模擬試驗，模擬地表塌陷坑內堆存添加固化劑的尾礦過程中的受力變化規律。孫偉[4]利用災害鏈式理論建立了銅坑礦地表塌陷災害鏈式減災模型，得到了塌陷區處置體的強度特性、滲透-崩解特性，以及回填后處置體的協調變形特性。張友志等[5]利用PFC軟件對處理塌陷區的多種回填工藝進行模擬，得出效果最好的方案為全部膠結回填。呂志文等[6]對東際金（銀）礦塌陷坑提出了地面整平、覆土、復綠等綜合治理方案，治理塌陷區。徐士申[7]在大紅山鐵礦建立地表變形監測系統，通過分析監測結果，提出地表塌陷坑回填的治理措施。

大紅山深部礦石采用無底柱分段崩落法采礦，使得原始礦體的原巖應力改變，大量的礦石崩落，形成塌陷漏斗，漏斗中的巖石迅速充填采空區，其中充填空區的圍巖散體與原有礦體相比，密實度與強度都要小很多。空區上部巖石楔形體在自身重力的作用下，靠近地表的原巖體內產生拉應力，最終導致拉伸斷裂的產生擴展形成塌陷坑[7-8]。根據生產要求，礦山每年有大量掘進廢石回填地表塌陷區，回填散體的運動過程是一個極其復雜的時間與空間問題，散體在不同的時間段內，運動狀態不同，所在位置也不同，由于塌陷區與礦山露天采場、排土場位置相接近，回填散體可能會直接影響排土場、露天采場的穩定性。基于此，有必要利用數值模擬的方法來探究廢石回填散體的變化規律，分析塌陷區廢石回填恢復治理對排土場、露天采場的影響與控制作用，并對系統整體穩定性作出評判。

1 工程巖體力學參數

迄今為止，鐵礦一直在地下開采和生產。Ⅱ1礦體主體高程為400 m～705 m，采用高分段大間距無底柱分段崩落法開采，通過多年的開采，采空區的面積不斷擴大，巖層活動頻繁，地壓危害區域不斷擴大，形成了大量裂縫和塌陷坑，目前裂縫范圍達0.36 km2，某些區域的最大下沉高度約為9 m[9]，塌陷坑平面如圖1所示。

圖1 地表塌陷范圍

通過現場巖體結構面調查、巖石力學實驗及巖體質量分級等工作，確定了宏觀巖體力學參數（見表1），供數值模擬分析過程中采用。

2 FLAC3D數值模擬

利用 FLAC3D軟件建立了大紅山鐵礦研究區域的三維幾何模型，模擬工作面推進過程中頂板或上覆巖層變形與破壞的演化過程。模型共計3 285 100個單元和3 357 780個節點，如圖2、圖3所示。本次模擬過程采用無底柱分段崩落法，分別進行一期工程400 m以上礦體的開挖、二期工程370 m分段、340 m分段的開挖和340 m以下全部礦體的開挖。

表1 礦巖巖體力學參數

圖2 整體模型

圖3 模型典型剖面

在模型中的塌陷回填區域兩端設置了監測點，10號監測點布置于回填體中部近地表，7號、9號監測點布置于靠露天采場一側，11號、12號監測點布置于硝水箐排土場一側，提取典型剖面（A37線）的z方向位移云圖，觀測監測點豎向的位移變化（見圖4）以及應力的變化（見圖5），分析不同監測點在地下開采活動時的劇烈程度與影響范圍。

圖4 位移監測點結果

圖5 應力監測結果

典型剖面位移分析表明，礦體全部采完后，垮落松散體及回填體沉降區域位于采空區上部，波及范圍達900 m標高附近，地表露天采場及排土場區域沒有出現沉降位移。

由圖4可知，每個監測點上豎向的位移變化始終為正值，說明隨著采礦活動的進行，地下散體沉降塌陷沒有波及到地表，采礦結束后，隨著地下充填體的逐步密實，地表能保持穩定狀態，不會對露天邊坡及排土場的穩定性造成影響。

由圖5可知，每個監測點代表的區域應力值始終為負值，說明該區域沒有出現拉應力破壞情況，結論與圖4位移監測結果保持一致。

3 塌陷區廢石回填對硝水箐-南部廢石場的影響

為了研究塌陷區回填排土場對硝水箐-南部廢石場邊坡穩定性的影響，做了2個剖面（Ⅰ、Ⅱ），如圖6所示，采用極限平衡法對其穩定性進行分析。

圖6 剖面線位置

本次計算分別考慮不同工況條件下的安全系數，計算結果見表2。

表2 安全系數計算結果

由表2可以看出：

（1）在自重條件下，塌陷區未回填、塌陷區回填后和塌陷區回填排土場邊坡安全系數均大于1.20；在自重+地震工況條件下，塌陷區未回填、塌陷區回填后和塌陷區回填排土場邊坡安全系數均大于1.15，整體邊坡穩定性滿足相關規范要求。

（2）Ⅰ、Ⅱ剖面在不同工況條件下，塌陷區未回填的安全系數均大于塌陷區回填后的安全系數，說明塌陷區回填排土場對硝水箐-南部廢石場穩定性有一定的影響。

4 結論

（1）礦體全部采完后，垮落松散體及回填體沉降區域位于采空區上部，波及范圍達900 m標高附近，地表露天采場及排土場區域沒有出現沉降位移。

（2）通過模型內部位移及應力監測點的變化情況可知，監測點上豎向的位移變化始終為正值，地表區域無沉降發生；應力值始終為負值，沒有出現拉應力破壞。結果表明，隨著采礦活動的進行，地下散體沉降塌陷沒有波及到地表。采礦結束后，隨著地下充填體的逐步密實，地表能保持穩定狀態，不會對露天邊坡及排土場的穩定性造成影響。

（3）分析塌陷區回填排土場對硝水箐-南部廢石 場邊坡穩定性的影響可知，在自重+地震工況條件下，塌陷區回填后，整體邊坡安全系數均大于1.15，整體邊坡穩定性滿足相關規范要求。