廢棄露天坑充填治理技術(shù)研究

謝盛青，杜貴文，張少杰

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

隨著露天開(kāi)采的逐步推進(jìn)，境界內(nèi)礦產(chǎn)資源消耗殆盡，許多露天開(kāi)采礦山開(kāi)始轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，如石人溝鐵礦、北衙金礦、姑山鐵礦、黃麥嶺磷礦等[1～2]。隨著地下采礦活動(dòng)的增多，井下采空區(qū)空間逐漸變大，隔離礦柱逐漸破壞，露天采坑與地下采場(chǎng)之間形成了復(fù)雜的水力通道。上部露天采坑匯集的大氣降水通過(guò)水力通道侵入地下生產(chǎn)系統(tǒng)，給井下生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患[3];同時(shí)礦山已形成的高陡邊坡，經(jīng)歷了多年的露天開(kāi)采、駐留礦體殘采、地下采礦等多次擾動(dòng)，使得圍巖力學(xué)特性劣化嚴(yán)重，伴隨風(fēng)吹雨淋，極可能誘發(fā)邊坡滑塌，影響地表建構(gòu)筑物、井下巷道及采場(chǎng)的穩(wěn)定性[4]?？梢?jiàn)閉坑的露天坑已經(jīng)成了井下生產(chǎn)的防水隱患以及地表的缺陷，治理迫在眉睫。

對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山而言，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的露天開(kāi)采，尾礦庫(kù)服務(wù)年限即將到期，需要考慮重新征地和新建尾礦庫(kù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì),新增占地約占原露天開(kāi)采征地面積的30%～5%[5]，特別是隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)環(huán)保要求的提高，再建尾礦庫(kù)已經(jīng)成了制約露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山的主要難題。有些露天轉(zhuǎn)地下礦山為了擴(kuò)大庫(kù)容增加壩體高度，由此帶來(lái)安全隱患。

把露天坑治理和尾礦庫(kù)建設(shè)結(jié)合起來(lái)，既能隔斷水力通道降低地表水倒灌的可能，保證礦山安全開(kāi)采；同時(shí)利用露天坑排尾解決尾礦堆存問(wèn)題，對(duì)建設(shè)綠色礦山、實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

2 工程概況

某銅礦位于中南地區(qū)，是采選聯(lián)合企業(yè)。礦山始建于1965年，原設(shè)計(jì)采用露天地下聯(lián)合開(kāi)采，2015年露天采坑閉坑，2015～2017年間有駐留礦柱盜采，已形成了140m深的凹陷露天坑，露天坑邊坡上部有國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位和村莊，距離采坑邊緣最近處僅20m左右。

目前該礦已經(jīng)全部轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采, 地下采礦中段有-125、-185、-245、-305m和-365m等中段采礦。露天坑通過(guò)民采坑道、-125m中段以上巷道及未充填采空區(qū)與井下貫通。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，氣候多雨。外圍地表水極易通過(guò)水力通道導(dǎo)入井下，有可能導(dǎo)致井下突水的重大安全事故，對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成極大的威脅。選廠產(chǎn)生尾砂除用于井下充填，還有約40%尾砂需要外排。2017年該礦尾礦庫(kù)閉庫(kù)，由于該礦距離市區(qū)較近，居民點(diǎn)密集，已經(jīng)沒(méi)有可供選擇的庫(kù)址新建尾礦庫(kù)。

傳統(tǒng)的治理閉坑的露天采坑的方法是采用在坑內(nèi)設(shè)注漿帷幕和修建水倉(cāng)的形式進(jìn)行防水治理[5]，通過(guò)削坡減載、錨噴支護(hù)、格構(gòu)支護(hù)等多種方式綜合治理露天邊坡。這些方式能夠起到一定效果，但隨著時(shí)空變化，幕體的維護(hù)及未知溶洞的存在，邊坡圍巖風(fēng)化，這些方式并不能徹底治理露天坑。近幾年新發(fā)展的尾礦干堆工藝是首先在坑底設(shè)置防滲層，然后將制成的尾礦渣餅排放至露天坑內(nèi)[6]，此方法盡管能夠一定程度上降低露天邊坡高度，但在南方多雨地區(qū)，大氣降水與尾礦混合在一起，庫(kù)內(nèi)水難以外排，露天坑最終將形成很多積水，給坑底留下更大的安全隱患。

為解決礦山生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，利用全尾砂膠結(jié)充填已形成的露天采坑是解決問(wèn)題的行之有效的辦法。

3 露天采坑治理與地下開(kāi)采的相互影響

綜合考慮環(huán)保需求及古文物有關(guān)部門(mén)對(duì)露天坑填埋的標(biāo)高要求，采用逐層加高的形式進(jìn)行采坑充填，最終充填高度標(biāo)高-45m。為全面分析露天采坑治理和地下深部開(kāi)采的相互影響，以及對(duì)村莊、文物的影響，選擇露天坑邊幫危險(xiǎn)區(qū)域典型剖面，建立有限差分?jǐn)?shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型共16 800個(gè)單元，模型X軸方向長(zhǎng)700m，Y軸方向長(zhǎng)約600m，如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)材料力學(xué)特征，分別采用不同的力學(xué)模型：①充填體采用理想彈塑性本構(gòu)模型；②圍巖和礦體均采用復(fù)合摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。在該礦已有巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，模擬計(jì)算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)是巖體力學(xué)行為與開(kāi)采歷史和開(kāi)采過(guò)程有關(guān)。為了準(zhǔn)確模擬北露天采坑充填與地下開(kāi)采的相互影響情況，本計(jì)算分以下步驟進(jìn)行。

(1)計(jì)算在給定邊界力學(xué)與位移條件下模型的初始狀態(tài)。

(2)開(kāi)采坑底-125、-185m和-245m中段礦體。

(3)在-305m和-365m中段礦體開(kāi)采以后，分析比較露天采坑充填對(duì)深部采場(chǎng)圍巖、礦柱、村莊和文物所產(chǎn)生的影響。

(4)在露天采坑充填以后，分析比較-305m和-365m中段開(kāi)采對(duì)露天采坑邊坡所產(chǎn)生的影響。

3.1 露天采坑治理對(duì)地下開(kāi)采和東幫的影響

主要分析北露天采坑充填對(duì)-305m中段和-365m中段采場(chǎng)的影響，以及對(duì)露天采坑?xùn)|幫的影響。圖2為露天采坑充填前后的垂直位移場(chǎng)圖。從-305m中段底柱中部選取一節(jié)點(diǎn)，將其位移輸出進(jìn)行對(duì)比：充填前的垂直位移為17.72mm,充填后的垂直位移為18.36mm，變化不大，表明露天采坑充填對(duì)深部開(kāi)采基本無(wú)影響。充填前的水平位移為0.490 6mm, 充填后的水平位移為0.455 2mm，變化不大，也表明露天采坑充填對(duì)深部開(kāi)采基本無(wú)影響。從露天采坑?xùn)|幫內(nèi)部選取一節(jié)點(diǎn)，將其位移輸出進(jìn)行對(duì)比：充填前的垂直位移為10.0mm，充填后的垂直位移為8.5mm，垂直位移減小；充填前的水平位移為1.48mm,充填后的水平位移為0.81mm，水平位移減小。垂直位移和水平位移均減小，表明露天采坑充填對(duì)東幫起到了護(hù)坡治理作用，對(duì)東幫的穩(wěn)定性有利。從村莊、古文物遺址附近取一節(jié)點(diǎn)，將其位移輸出進(jìn)行對(duì)比：充填前的垂直位移為9.976mm，充填后的垂直位移為9.533mm，垂直位移減??；充填前的水平位移為0.332 7mm，充填后的水平位移為0.196 3mm，水平位移減小。垂直位移和水平位移均減小，表明露天采坑充填對(duì)保護(hù)古文物遺址和村莊有利。

圖2 露天采坑充填前后垂直位移場(chǎng)圖

3.2 地下深部開(kāi)采對(duì)露天采坑的影響

圖3為地下開(kāi)采前后的垂直位移場(chǎng)圖。從圖3可以看出，地下開(kāi)采前后，露天采坑的垂直位移分布基本一致。從露天采坑底部選取一節(jié)點(diǎn)，將其位移輸出進(jìn)行對(duì)比：地下開(kāi)采前的垂直位移為4.39mm，水平位移為1.96mm,地下開(kāi)采后的垂直位移為3.19mm,水平位移為1.32mm，垂直位移和水平位移均減小，表明地下開(kāi)采對(duì)露天采坑底部無(wú)影響。從古文物遺址附近選取一節(jié)點(diǎn)，將其位移輸出進(jìn)行對(duì)比：地下開(kāi)采前的垂直位移為1.06mm，水平位移為0.20mm，地下開(kāi)采后的垂直位移為0.98mm，水平位移為0.31mm,垂直位移和水平位移均變化不大，表明地下開(kāi)采對(duì)古文物遺址基本無(wú)影響。

圖3 地下開(kāi)采前后的垂直位移場(chǎng)圖

通過(guò)對(duì)露天采坑充填前后垂直位移對(duì)比研究表明，露天采坑充填對(duì)地下深部開(kāi)采基本無(wú)影響并且對(duì)東幫起到了護(hù)坡治理作用；地下深部開(kāi)采對(duì)露天采坑和古文物遺址基本無(wú)影響。說(shuō)明露天坑充填治理方案是可行的。

4 露天采坑工程技術(shù)措施

采用膠結(jié)充填治理露天采坑，相當(dāng)于在地上地下空間形成較好的人工假頂。在治理過(guò)程以及治理后，充填料漿形成強(qiáng)度，有較好水隔離能力，大氣降雨難以滲入井下，同時(shí)匯水外排較為容易。該礦充填研究工作起步較早，特別是上向水平分層法充填具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。為了便于施工及加快脫水，設(shè)計(jì)采用逐層加高的形式進(jìn)行露天坑充填，分層高度3m，最終充填標(biāo)高-45m。充填順序?yàn)槭紫葘?duì)坑底進(jìn)行削凸填凹+高強(qiáng)度膠結(jié)充填形成-84m平臺(tái)，然后采用鋼筋網(wǎng)+高強(qiáng)度充填體進(jìn)行封底，最后再進(jìn)行上部區(qū)域的充填。

4.1 邊坡治理工程布置

為防止露天坑治理過(guò)程露天邊坡滑坡，對(duì)露天邊坡進(jìn)行加固。

(1)對(duì)滑坡區(qū)域采取削坡整形，削凸填凹，使其坡度降至35°以下；在滑坡后緣設(shè)置一封邊墻，墻高1.5m；前緣設(shè)2號(hào)擋墻支擋，墻高3m，外側(cè)設(shè)置排水溝；坡面采用格構(gòu)錨桿進(jìn)行護(hù)坡，并輔以坡面綠化措施；在滑坡前后緣均設(shè)置排水溝，加強(qiáng)地表水疏排，減少地表水入滲。

(2)對(duì)于露采坑其他部位，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查礦山公路內(nèi)側(cè)邊坡整體是穩(wěn)定的，但由于礦山公路是切坡而建，在雨季由于雨水沖刷，小型坍塌經(jīng)常發(fā)生，為消除這一隱患，在礦山公路外側(cè)修建1號(hào)擋墻進(jìn)行支擋和排水溝排水，主要用于支擋公路內(nèi)側(cè)邊坡和疏排地表水。

4.2 采空區(qū)治理工程布置

對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理主要達(dá)到兩個(gè)目的：其一，采空區(qū)充填后形成充填結(jié)實(shí)體，對(duì)原空區(qū)上部巖體進(jìn)行支撐，改善因采空后的圍巖松動(dòng)及塌落巖體的力學(xué)性態(tài)，對(duì)防止地表采空區(qū)塌陷的蔓延、確保邊坡的穩(wěn)定性及古礦遺址的安全是必要的；其二，是通過(guò)對(duì)采空區(qū)充填，將空區(qū)內(nèi)的水體擠出，減少地下水的賦存空間，避免采空區(qū)內(nèi)水體對(duì)邊坡巖石的軟化破壞，提高邊坡的穩(wěn)定性，保證地表建筑物的安全。

(1)井下民采空區(qū)的膠結(jié)充填工程。由于該處存在許多民采(盜采)空區(qū)，其基本無(wú)資料可查，對(duì)于該類(lèi)空區(qū)主要采用探治方法進(jìn)行施工，即先在調(diào)查采空區(qū)可能性最大的中心軸線布設(shè)8個(gè)鉆孔。在古文物遺址調(diào)查期，將-125m中段清通，發(fā)現(xiàn)僅該中段就有8個(gè)民采點(diǎn)，因此，鉆孔深度以標(biāo)高-135m控制，若探治結(jié)合孔發(fā)現(xiàn)空區(qū)，則注漿充填范圍向四周擴(kuò)展，否則只對(duì)探治結(jié)合孔進(jìn)行注漿處理。

(2)古文物遺址核心區(qū)充填工程。根據(jù)前期在古文物遺址核心區(qū)內(nèi)物探異常推測(cè)的采空區(qū)，同樣先采取探治結(jié)合孔進(jìn)行驗(yàn)證，若發(fā)現(xiàn)空區(qū)，則注漿充填范圍向四周擴(kuò)展，否則只對(duì)探治結(jié)合孔進(jìn)行注漿處理。

對(duì)村莊附近，經(jīng)鉆探后確定的采空區(qū)和地表下沉開(kāi)裂區(qū)的裂隙，采取膠結(jié)充填工程，其中對(duì)于裂縫近地表0.5m深度范圍采取粘土充填并夯實(shí)。

對(duì)于變形區(qū)未采取注漿的其他裂縫，均采用粘土回填并夯實(shí)的防滲處理措施。

4.3 露天坑治理技術(shù)方案

由于露天采坑面積較大，整層充填難度很大，為了便于施工及加快脫水，設(shè)計(jì)采用分層充填法，分層高度3m。為隔斷露天采坑與井下的水力通道，需在露天采坑坑底形成隔離層。充填順序?yàn)槭紫葘?duì)坑底進(jìn)行削凸填凹+鋼筋網(wǎng)+高強(qiáng)度充填體形成封底工程，再進(jìn)行上部區(qū)域的充填，如圖4所示。圖4中膠結(jié)一指高強(qiáng)度充填體，膠結(jié)二為低強(qiáng)度充填體。

圖4 露天坑充填剖面示意圖

(1)封底工程。在進(jìn)行露天坑治理前應(yīng)清理邊坡浮石，采用廢石平場(chǎng)并形成筑底平臺(tái)。底部平臺(tái)處理好后，在坑底布置鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)敷設(shè)參數(shù)：底筋用φ12mm鋼筋，采用網(wǎng)度400mm×400mm進(jìn)行編織，網(wǎng)點(diǎn)用多股24號(hào)鐵絲綁扎牢固，鋼筋網(wǎng)延深到邊坡，順坡敷設(shè)1～2m。鋼筋網(wǎng)敷設(shè)完畢，采用高強(qiáng)度充填料漿進(jìn)行露天坑封底，封底厚度6～8m，為保證充填質(zhì)量，要求封底工程在天氣晴好時(shí)一次形成。

(2)上部區(qū)域充填?？拥追獾坠こ掏瓿珊?，對(duì)北露天采坑其余區(qū)域進(jìn)行充填。在充填上部區(qū)域時(shí)，采用低強(qiáng)度充填料漿進(jìn)行充填。在充填最上部分層時(shí)，分兩步驟充填，第一步采用低強(qiáng)度的充填料漿進(jìn)行充填，第二步驟采用高強(qiáng)度的充填料漿進(jìn)行澆面，澆面厚度0.6m。

(3)露天坑充填完畢，在露天坑中部形成人工湖，大氣降雨均匯集到人工湖內(nèi)，并對(duì)充填后的新露天坑坑底進(jìn)行復(fù)墾并形成景觀。

4.4 露天坑排水

在進(jìn)行露天坑治理前，礦山現(xiàn)有設(shè)備能夠滿足最大排水需求。露天坑治理過(guò)程中，增加了300m3/d的

充填回水，通過(guò)排水能力計(jì)算，露天采坑排水均可利用現(xiàn)有設(shè)施。

在露天坑正常充填過(guò)程中，每分層的最低處形成臨時(shí)水窩，采用現(xiàn)有2臺(tái)200D型水泵，水窩匯水通過(guò)浮船泵排出露天坑。

出現(xiàn)極端降雨天氣時(shí)，停止充填，排水設(shè)備全力排水?，F(xiàn)有排水設(shè)備能力完全可以滿足極端降雨最大匯水排水的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)露天礦的治理堅(jiān)持綜合利用與有效治理相結(jié)合，提出采用分層膠結(jié)充填法對(duì)廢棄露天坑進(jìn)行治理，膠結(jié)充填體與露天坑形成整體，具有較好的防滲能力，達(dá)到了隔斷水力通道、降低地表水灌入井下的可能，保證了礦山安全開(kāi)采；同時(shí)露天坑的逐步填滿，有效降低了露天邊坡高度，降低了邊坡滑坡的風(fēng)險(xiǎn)；由于利用露天坑排尾，解決尾礦堆存問(wèn)題。

露天采坑的二次利用，對(duì)保護(hù)周?chē)用?、古文物遺址等安全具有極大的意義，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)效益顯著。

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