露天轉(zhuǎn)地下崩落法采礦覆蓋層滲流量影響因素分析

吳永強(qiáng) 孫艷秋

(河北鋼鐵集團(tuán)灤縣常峪鐵礦有限公司)

露天轉(zhuǎn)地下采用崩落法采礦的礦山，需要在露天坑底回填合理級(jí)配結(jié)構(gòu)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(guò)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(duì)井下防排水及安全工作有重要意義。司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)為露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山，在選擇了合理結(jié)構(gòu)的回填料之后，首先對(duì)礦區(qū)降雨進(jìn)行分析與計(jì)算，然后采用離散單元法建立數(shù)值分析模型對(duì)覆蓋層的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(guān)系，以期能有效地控制Ⅲ采場(chǎng)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(shè)計(jì)必須考慮的一部分，前期通過(guò)對(duì)司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)露天坑覆蓋層的滲流影響因素進(jìn)行分析與研究，并利用研究結(jié)論指導(dǎo)露天坑覆蓋層的施工，實(shí)現(xiàn)了露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)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(shí)泥石流災(zāi)害的發(fā)生，保證了井下采礦安全。根據(jù)研究成果，司家營(yíng)鐵礦制定了露天采坑的回填設(shè)計(jì)規(guī)劃，并結(jié)合露天采場(chǎng)剝巖同步進(jìn)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(chǎng)+42 m水平臨近山包地段進(jìn)行剝離取料，設(shè)計(jì)回填標(biāo)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(chǎng)+30 m水平強(qiáng)風(fēng)化巖石地段取料，設(shè)計(jì)回填標(biāo)高為+15～－10 m，廢石非均勻度小于0.369。實(shí)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(chǎn)要求。

1 礦區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算

在搜集了司家營(yíng)礦區(qū)近25年來(lái)記錄的各時(shí)段的最大降雨量后，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)非線性回歸得到礦區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算式為

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

圖1為暴雨強(qiáng)度非線性回歸曲面。

圖1 司家營(yíng)礦區(qū)暴雨強(qiáng)度非線性回歸曲面

2 露天坑匯水面積

根據(jù)Ⅲ采場(chǎng)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(dǎo)入AutoCAD中可以確定露天坑南北長(zhǎng)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(jì)算

根據(jù)式(1)，對(duì)時(shí)間和匯水面積積分，就可以獲得匯水面積內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的降雨量式。

考慮到24 h的降雨量以及司家營(yíng)鐵礦Ⅲ采場(chǎng)露天坑的匯水面積，通過(guò)積分后得到Ⅲ采場(chǎng)露天坑24 h內(nèi)最大降雨量的計(jì)算式為

式中，Qmax為24 h最大降雨量，m3。

Ⅲ采場(chǎng)露天坑滲流量取決于覆蓋層的滲透性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑滲水試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

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(gè)水平，運(yùn)用正交試驗(yàn)法得出9種組合［2］，見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)組合

4.2 數(shù)值模型與固流耦合分析

為了預(yù)測(cè)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(jìn)行模擬及預(yù)測(cè)，分別對(duì)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(jìn)行滲流量模擬［3］。圖2為進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算模型。

圖2 滲透模擬計(jì)算模型

為了模擬固流耦合效應(yīng)，在模擬計(jì)算前必須進(jìn)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(jì)算分析

由滲流模型固流耦合域中的流量與壓力間的關(guān)系，首先計(jì)算出1～9號(hào)試驗(yàn)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(jīng)換算得出域單位表觀體積滲流量的大小，其計(jì)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(shí)間步長(zhǎng)。

滲透模擬計(jì)算模型底部尺寸為60 m。取Kf=1.0 ×106kPa，Δt=1.0 ×10－2s。將1～9號(hào)試驗(yàn)組合滲流平均壓力差值代人式(4)，1～9號(hào)試驗(yàn)組合滲流量計(jì)算結(jié)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(jīng)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件DSP對(duì)滲流量Q及所確定的4個(gè)相關(guān)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(jìn)行回歸分析，回歸結(jié)果如下:

(1)線性回歸，

(2)二次逐步回歸，

5 結(jié)論

(1)礦區(qū)降雨強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)盡可能增加覆蓋層的厚度。

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

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

［3］ 魏隨利，王國(guó)強(qiáng)，郝萬(wàn)軍，等.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.