露天坑膠結充填對掛幫礦開采穩定性影響分析

劉形林 陳秋松 王道林

摘要：為解決冬瓜山銅礦富余尾礦出路及新橋硫鐵礦露天坑治理問題，考慮利用冬瓜山銅礦富余尾礦對新橋硫鐵礦露天坑進行膠結充填。露天坑東部尚有部分高品質掛幫礦，在露天坑膠結充填的同時必須協調解決掛幫礦安全回采難題。基于Flac3D軟件，構筑了露天坑掛幫礦開采與膠結充填耦合作用數值模型，進而分析了不同膠結充填高度和隔離礦柱留設厚度下，掛幫礦開采過程采場和露天邊坡穩定性。結果表明：露天坑膠結充填高度分別為0 m、96 m和192 m時，對應的側向隔離礦柱最小厚度分別為8 m、6 m和6 m;露天坑膠結充填后，露天平臺承受上覆充填體應力增大，充填體覆蓋條件下頂部礦柱最大拉應力值有所增長，但不影響頂部隔離礦柱留設厚度（8 m）。露天坑膠結充填有效改善了掛幫礦采場周圍的應力場環境，減少了側向隔離礦柱的留設厚度。在保證開采區域穩定性的同時，增大了掛幫礦回采的安全性。

關鍵詞：尾礦綜合利用;露天坑治理;掛幫礦;膠結充填;穩定性

中圖分類號：TD854

文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0037-07

doi：10.11792/hj20220207

引 言

銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦（下稱“冬瓜山銅礦”）和銅陵化工集團新橋礦業有限公司（下稱“新橋硫鐵礦”）是安徽省銅陵市兩大主力礦山企業，其長期穩定生產直接影響公司乃至銅陵市可持續發展水平[1]。冬瓜山銅礦尾礦庫庫容接近飽和，面臨著新建尾礦庫投資大、管理運行復雜、選址審批困難等問題，如何安全有效處置充填之外的90萬t/a尾礦成為礦山可持續發展的重大瓶頸。另一方面，新橋硫鐵礦正全面推進露天轉地下開采工程建設，遺留的巨大露天坑將成為下部資源開發的重大安全隱患[2]。因此，研究擬通過區域礦山協同，利用冬瓜山銅礦尾礦對新橋硫鐵礦露天坑進行膠結充填，一方面可以解決冬瓜山銅礦尾礦的處置問題，另一方面保證了新橋硫鐵礦的安全生產和環境治理。

目前，新橋硫鐵礦主要開采11勘探線以西礦體。其中，礦床西翼采用地下開采，生產能力110萬t/a;東翼采用露天開采，生產能力90萬t/a，且即將轉入地下開采。而11勘探線以東尚有500余萬t高品位礦石資源，靠近701鐵路專線、順鳳公路及新西河，是典型的“三下”難采礦體。其中，3勘探線—11勘探線-156 m以上的銅、硫、鐵礦體為掛幫礦開采的重點區域，該區域銅硫礦石品位高，具有較大的潛在回收價值[3]。掛幫礦開采區域與露天邊坡之間必須留設一定厚度的隔離礦柱，以避免引起邊坡或采場的變形及破壞，造成邊坡滑塌、采場塌陷等安全事故[4]。露天坑膠結充填改變了邊坡的應力分布，有必要評價其對掛幫礦回采的綜合影響，確定露天邊坡處于不同充填環境下的隔離礦柱留設厚度。

因此，本研究基于Flac3D大型有限元非線性分析軟件（Fast Lagrangian Analysis of Coutinua）[5]，建立了露天坑膠結充填與掛幫礦開采耦合作用數值模型，分析不同膠結充填高度和隔離礦柱留設厚度條件下，掛幫礦采場和露天邊坡穩定性，以評價露天坑膠結充填對掛幫礦開采的影響，確定不同充填高度邊坡對應的掛幫礦隔離礦柱厚度。

1 數值模型構筑

1.1 掛幫礦回采條件分析

根據掛幫礦回采工藝，分析露天坑膠結充填過程中，掛幫礦的回采條件，以此作為構建露天坑膠結充填與掛幫礦開采耦合作用數值模型的基礎數據。

1）以11勘探線露天坑剖面為本次露天坑模型設計依據，共7個臺階，上盤邊坡角45°、下盤邊坡角38°，至-156 m，地表標高36 m，露天坑深度192 m。

2）新橋硫鐵礦東部掛幫礦體賦存于露天境界外，大部分礦體出露或靠近露天邊坡，掛幫礦開采最危險情況出現在端部靠近露天邊坡位置，因此，有必要在露天邊坡和邊坡平臺下方分別留設側向和頂部隔離礦柱[6]（見圖1），以保證該區域掛幫礦開采的安全。

3）掛幫礦采場沿礦體走向布置，采用上向水平進路充填采礦法開采，采場規格為4 m×4 m，采場最大空頂高度4 m。

4）根據掛幫礦賦存條件和中段生產能力，各分層垂直礦體方向同時回采礦塊數量為3個，采用隔一采一方式，故本次模型主要分析3個采場開挖時周圍巖體的穩定性。

5）為了分析露天坑膠結充填對掛幫礦開采的影響，以露天坑未充填時掛幫礦開采力學模型作為參照組，針對相同部位掛幫礦在不同充填高度工況下開挖和相同充填高度工況下不同部位掛幫礦開采2種情況建立力學模型。

根據以上條件及礦山提供的礦巖數據，模擬所需礦（巖）體及充填體力學參數見表1。

1.2 假設與邊界條件設定

模擬對象為露天坑膠結充填及掛幫礦開采耦合作用下的露天坑邊坡、預留礦柱、采場及膠結充填體，為便于建模和分析計算，需進行如下假設：

1）礦（巖）體假設為理想彈塑性體[7]。

2）礦體和圍巖為局部均質各向同性的材料，塑性變形不改變材料各向同性。

3）考慮到巖石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均與時間無關。

4）不考慮應變硬化（或軟化）。

5）模型側面限制水平位移，底面限制垂直位移[8]。

6）假設場地內無構造活動的影響，原巖地應力為大地靜力場型，各巖層之間為整合接觸，巖層內部為連續介質，模型中不考慮地下水活動的影響，也不考慮巖層和礦體中的結構面、裂隙和軟弱層的存在與影響[9]。

7）計算選定的載荷不隨單元方向變化而改變，始終保持其最初的方向，表面載荷作用在變形單元表面法向，且可被用來模擬“跟隨”力，大小就是上覆巖層或充填體層的重量[10]。

1.3 模擬方案選擇

數值模擬從2個方面對掛幫礦開采穩定性進行分析：一方面為掛幫礦端部隔離礦柱留設厚度;另一方面為掛幫礦采場周圍應力場分布規律。掛幫礦端部隔離礦柱主要分為沿邊坡留設的側向隔離礦柱和平臺下方留設的頂部隔離礦柱，具體位置見圖1。數值模擬方案如下：

1）側向隔離礦柱厚度研究。

以露天邊坡底部（-156 m）掛幫礦為開采對象，分析充填高度分別為0 m（未充填）、96 m（1/2最大充填高度）和192 m（理論最大充填高度）時，側向隔離礦柱理論安全留設厚度。結合工程經驗，數值模擬側向隔離礦柱留設厚度分別預設為4 m、6 m和8 m。

2）頂部隔離礦柱厚度研究。以露天邊坡-144 m平臺下方掛幫礦作為開采對象，側向隔離礦柱厚度設置為8 m，研究充填高度分別為0 m、192 m時，頂部隔離礦柱理論安全留設厚度。結合工程經驗，數值模擬頂部隔離礦柱留設厚度分別預設為6 m、8 m和10 m。

3）采場周圍應力場分布規律。在上述研究的基礎上，分析采場周圍應力場分布規律，以進一步評價露天坑膠結充填對掛幫礦開采穩定性的影響。根據數值模擬方案，選取典型剖面建立數值計算模型，運用Flac3D軟件進行數值模擬，本構模型設置為摩爾-庫侖模型。本次數值模擬采用15組試驗方案（見表2）。

1.4 數值模型構建

根據上述條件及假設建立模型（以方案4為例），模型結構圖及模型三維立體圖見圖2。

2 膠結充填條件下隔離礦柱留設厚度分析

分別匯總方案1～15的最大壓/拉應力值、豎向（上鼓/下沉）位移值及出現位置等數據，結果見表3。同時基于表3數據及模擬云圖對側向隔離礦柱厚度及頂部隔離礦柱厚度進行分析。

2.1 不同膠結充填高度下側向隔離礦柱厚度

1）露天坑充填高度0 m（未充填）。

露天坑充填高度為0 m，即不充填時，側向隔離礦柱厚度分析對應的模擬方案分別為方案1、方案2和方案3。當側向隔離礦柱厚度為4 m時（見圖3），邊坡和采空區周圍巖體最大壓應力均小于巖體抗壓強度，在采空區頂板右側和底板左側位置出現應力集中區域，呈對角線分布，這種特征可能是由于上覆巖體自重應力場不均勻分布造成的。應力集中區域最大拉應力為1.48 MPa，小于礦體抗拉強度1.57 MPa，但邊坡在靠近采空區位置出現大范圍塑性區，基本貫通采空區，局部邊坡與靠近邊坡的采空區頂板可能發生失穩破壞。

由表3可知：隨著側向隔離礦柱厚度的增加，采空區向邊坡內側移動，上覆巖層自重應力場增強，最大壓應力值逐漸增大，但均低于巖石極限抗壓強度;應力集中區域的位置未發生明顯變化，最大拉應力和塑性區范圍逐漸減小。當側向隔離礦柱厚度為6 m時，塑性區距離采空區僅0.5 m左右，采空區頂板仍存在失穩風險，厚度繼續增加至8 m時，僅在靠近邊坡位置存在小范圍塑性區，對邊坡整體穩定性影響較小。因此，對無充填體覆蓋邊坡附近掛幫礦開采，側向隔離礦柱最小理論厚度為8 m。

2）露天坑充填高度96 m。

露天坑充填高度為96 m時，側向隔離礦柱厚度分析對應的模擬方案分別為方案4、方案5和方案6。當側向隔離礦柱厚度為4 m時，邊坡和采空區周圍巖體最大壓應力均小于巖體抗壓強度，在采空區頂底板出現應力集中區域，沿頂底板均勻分布，這種特征可能是由于充填體的存在使采空區上覆巖（土）體自重應力場均勻分布造成的。應力集中區域最大拉應力為1.51 MPa，小于礦體抗拉強度，但邊坡在靠近采空區位置出現小范圍塑性區，距離采空區較近，靠近邊坡的采空區頂板可能發生失穩破壞。邊坡雖局部存在塑性區，但由于側向充填體的存在，不會發生失穩破壞。

由表3可知：隨著側向隔離礦柱厚度的增加，采空區向邊坡內側移動，最大壓應力值逐漸增大，但均低于巖石極限抗壓強度;應力集中區域的位置未發生明顯變化，最大拉應力逐漸減小;塑性區范圍逐漸增大，且位置上移，可能是由于邊坡應力場隨采空區位置發生變化引起的。當側向隔離礦柱厚度為6 m時，塑性區距離采空區大于4 m，采空區頂板穩定性較好。因此，當露天坑膠結充填高度為96 m時，側向隔離礦柱最小理論厚度約為6 m。

3）露天坑充填高度192 m。

露天坑充填高度為192 m時，側向隔離礦柱厚度分析對應的模擬方案分別為方案7、方案8和方案9。當隔離礦柱厚度為4 m時，邊坡和采空區周圍巖體最大壓應力均小于巖體抗壓強度，在采空區頂底板出現應力集中區域，沿頂底板均勻分布。應力集中區域最大拉應力為1.54 MPa，接近礦體抗拉強度，且邊坡在靠近采空區位置出現大范圍塑性區，基本貫通采空區，邊坡及采空區頂板易發生失穩破壞。

由表3可知：隨著側向隔離礦柱厚度的增加，采空區向邊坡內側移動，最大壓應力值逐漸增大，但均低于巖石極限抗壓強度;應力集中區域的位置未發生明顯變化，最大拉應力逐漸減小;塑性區范圍逐漸減小，且位置上移。當側向隔離礦柱厚度為6 m時，塑性區范圍較小，且距離采空區較遠，采空區頂板穩定性較好。因此，當露天坑膠結充填高度為96 m時，側向隔離礦柱最小理論厚度約為6 m。

綜上分析，露天坑膠結充填高度為0 m、96 m和192 m時，對應的側向隔離礦柱最小理論厚度分別為8 m、6 m和6 m，即隨著充填高度的增加，側向隔離礦柱留設厚度逐漸減小。因此，露天坑膠結充填有利于掛幫礦安全回采，可減少側向隔離礦柱留設厚度，提高掛幫礦資源回收率。考慮到東部掛幫礦區域地質條件復雜，露天邊坡巖石風化嚴重，為了保證掛幫礦開采過程的安全，本次設計側向隔離礦柱留設厚度為6～8 m，生產過程中可根據現場情況進行適當調整。

2.2 不同膠結充填高度下頂部隔離礦柱厚度

1）無充填體覆蓋條件下（充填高度0 m）。

由表3可知：在無充填體覆蓋條件下，頂部隔離礦柱（臺階下采場頂部礦柱）厚度分析對應的模擬方案分別為方案10、方案11和方案12。當頂部隔離礦柱厚度為6 m時，邊坡和采空區周圍巖體最大壓應力均小于巖體抗壓強度，在靠近邊坡的采空區頂板右側位置出現明顯的應力集中區域，靠近邊坡內側采空區頂板應力集中區域減小，可能是由于上覆巖體自重應力場不均勻分布造成的。應力集中區域最大拉應力為1.74 MPa，大于礦體抗拉強度（1.57 MPa），頂板存在發生局部失穩破壞的可能。邊坡附近無明顯應力集中區，穩定性較好。

隨著頂部隔離礦柱厚度的增加，采空區向邊坡內側移動，上覆巖層自重應力場增強，最大壓應力值逐漸增大，但均低于巖石極限抗壓強度;應力集中區域的位置未發生明顯變化，最大拉應力逐漸減小。當頂部隔離礦柱厚度為8 m和10 m時，最大拉應力分別為1.47 MPa和1.07 MPa，小于礦體極限抗拉強度，采空區頂板穩定性較好，可以滿足安全開采要求。因此，在無充填體覆蓋條件下，露天邊坡臺階下采場頂部隔離礦柱最小理論厚度約為8 m。

2）充填體覆蓋條件下（充填192 m）。

在充填體覆蓋條件下，頂部隔離礦柱厚度分析對應的模擬方案分別為方案13、方案14和方案15。當頂部隔離礦柱厚度為6 m時，邊坡和采空區周圍巖體最大壓應力均小于巖體抗壓強度，在采空區頂板位置出現明顯的應力集中區域，最大拉應力為1.77 MPa，大于礦體抗拉強度，頂板易發生局部失穩破壞。邊坡附近無明顯應力集中區，穩定性較好。

由表3可知：隨著頂部隔離礦柱厚度的增加，采空區向邊坡內側移動，上覆巖層自重應力場增強，最大壓應力值逐漸增大，但均低于巖石極限抗壓強度;應力集中區域的位置未發生明顯變化，最大拉應力逐漸減小。當頂部隔離礦柱厚度為8 m和10 m（見圖4）時，最大拉應力分別為1.56 MPa和1.23 MPa，相比無充填體覆蓋條件下頂部隔離礦柱拉應力值有所增加，但依然小于礦體極限抗拉強度，不會影響安全開采要求。因此，在充填體覆蓋條件下，頂部隔離礦柱最小理論厚度約為8 m。

綜上所述，充填體覆蓋條件下頂部隔離礦柱最大拉應力值有所增長，可能是由于膠結充填使露天平臺承受上覆充填體應力較大，并通過頂部隔離礦柱及采空區周圍巖體傳遞至薄弱區域（采空區頂板位置），但不會影響頂部隔離礦柱理論留設厚度（8 m）。因此，露天坑膠結充填總體上不會影響露天坑臺階下掛幫礦安全回采。考慮到東部掛幫礦區域地質條件復雜，露天邊坡巖石風化嚴重，為了保證掛幫礦開采過程的安全，頂部隔離礦柱留設厚度為8～10 m，生產過程中可根據現場情況進行適當調整。

3 膠結充填條件下開采巖體應力場分布規律

露天坑膠結充填對掛幫礦開采穩定性的影響，主要集中在靠近露天邊坡的礦體開采區域。根據對掛幫礦端部隔離礦柱留設厚度的分析結果，露天坑膠結充填會對不同位置的隔離礦柱留設厚度造成不同程度的影響。在此基礎上，分析不同充填工況條件下采空區與露天邊坡周圍巖體的應力場分布規律，以進一步評價露天坑膠結充填對掛幫礦開采穩定性的影響。因此分別繪制最大壓應力隨充填高度變化的趨勢圖（見圖5）及最大拉應力隨充填高度變化的趨勢圖（見圖6）。

由圖5和圖6可知：當側向隔離礦柱厚度一定的條件下，隨著露天坑膠結充填高度增加，最大壓應力逐漸增大，而最大拉應力逐漸降低，且出現位置發生不同程度的變化。最大壓應力由采空區頂板左側和底板右側對角線分布逐漸轉移為兩幫對稱分布，最大拉應力由采空區頂板右側和底板左側對角線分布變為采空區頂底板對稱分布。出現這種規律的原因可能是，在無膠結充填條件下，采空區位于露天邊坡下方，其上覆巖體自重應力場沿水平方向分布不均勻，隨著膠結充填高度的增加，在邊坡上方充填體和原巖形成耦合自重應力場，通過邊坡及圍巖傳遞至采空區，在頂底板和兩幫位置形成范圍和強度更大的應力集中區域。僅從應力集中區域及應力值判斷，露天坑膠結充填對掛幫礦開采在一定范圍內具有不利影響，且隨充填高度增加而變大。

掛幫礦開采的安全與否，除了判斷采空區穩定性之外，還要根據邊坡的穩定性進行評估。從塑性區分布來看（以側向隔離礦柱厚度4 m為例，見圖7），邊坡底部掛幫礦開采會在局部形成塑性區，其規模隨著充填高度增加先增大而后減小（4 m礦柱除外），逐漸遠離采空區，由邊坡底部向中部發展。由于外側膠結充填體的存在可以起到約束和保護作用，邊坡雖局部存在塑性區但不會引起失穩破壞。因此，從塑性區分布規律來看，露天坑膠結充填有利于掛幫礦開采的穩定性。

露天坑膠結充填條件下掛幫礦開采的穩定性分析結果表明：露天坑膠結充填可以改善掛幫礦采場周圍的應力場環境，減少側向隔離礦柱的留設厚度;膠結充填雖然會略微提高臺階下掛幫礦采場頂板最大拉應力值，但總體上不影響掛幫礦開采穩定性。因此，露天坑膠結充填總體上不影響掛幫礦開采穩定性。而且膠結充填后，可以大幅度增加掛幫礦開采工業場地，有利于總圖布置和礦山復墾植綠。

4 結 論

冬瓜山銅礦尾礦作為新橋硫鐵礦露天坑的回填治理材料，一方面解決了冬瓜山銅礦處理富余尾礦的處置難題，另一方面對新橋硫鐵礦遺留露天坑科學治理提供回填骨料，但其對露天坑掛幫礦回采的穩定性影響尚不明確。本文基于有限差分理論和Flac3D軟件，構建了露天坑掛幫礦開采與膠結充填耦合作用數值模型，確定了不同充填工況條件下掛幫礦端部側向和頂部隔離礦柱的留設厚度，結果表明：

1）露天坑膠結充填高度為0 m、96 m和192 m時，對應的側向隔離礦柱最小理論厚度分別為8 m、6 m和6 m。露天坑膠結充填可以改善掛幫礦采場周圍的應力場環境，減少側向隔離礦柱的留設厚度。因此，考慮留設側向隔離礦柱厚度為6～8 m。

2）隨著露天坑膠結充填高度的增加，雖然會略微提高臺階下掛幫礦頂部隔離礦柱最大拉應力值，但不影響頂部隔離礦柱厚度，考慮留設頂部隔離礦柱厚度為8～10 m。

3）露天坑膠結充填后，可以大幅增加掛幫礦開采工業場地，有利于總圖布置和礦山復墾植綠，從而在保證露天坑順利充填的同時，能夠有效提高掛幫礦回采的安全性。

[參 考 文 獻]

[1] 馬宏.安徽銅陵新橋銅硫鐵礦床地質及礦石礦物特征[J].世界有色金屬，2019（9）：97-98.

[2] 李小慶，顧玉成.新橋礦露天延深開采下盤邊坡穩定性分析[J].露天采礦技術，2017，32（4）：18-21.

[3] 徐亮，謝巧勤，陳天虎，等.銅陵礦集區層狀硫化物礦床成因——來自膠狀黃鐵礦—菱鐵礦型礦石礦物學制約[J].地質論評，2017，63（6）：1 523-1 534.

[4] 武會強，任鳳玉.深凹露天礦轉地下過渡期掛幫礦安全高效開采方法研究[J].中國礦業，2020，29（10）：122-127.

[5] 黃小忠.基于FLAC3D的某預留頂柱安全回采工藝優化分析[J].現代礦業，2020，36（4）：85-89.

[6] 段永祥.石碌鐵礦露天掛幫礦開采技術及工程實踐[J].黃金，2020，41（12）：44-48.

[7] 劉業科.水巖作用下深部巖體的損傷演化與流變特性研究[D].長沙：中南大學，2012.

[8] 馬崇武，慕青松.金川二礦區垂直礦柱的屈服破壞過程[J].巖土工程學報，2013，35（增刊2）：459-463.

[9] 張耀平，曹平，趙延林.軟巖黏彈塑性流變特性及非線性蠕變模型[J].中國礦業大學學報，2009，38（1）：34-40.

[10] 樊明玉，周羅中.機械化盤區分層采場結構參數的數值模擬分析[J].采礦技術，2002（3）：27-29，32.

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