廢石回填塌陷區(qū)對(duì)排土場和露天采場穩(wěn)定性的影響

余正方，胡遠(yuǎn)，侯克鵬，張瑋，黃和平，郭林寧

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司， 云南 新平縣 653405；2.昆明理工大學(xué)， 云南 昆明 650093；3.云南亞融礦業(yè)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(qū)，采空區(qū)的存在導(dǎo)致其周圍的巖體應(yīng)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(kuò)展到地表，使地表發(fā)生大面積的變形和崩塌，嚴(yán)重威脅到礦區(qū)地表周圍環(huán)境及建（構(gòu)）筑物的安全[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)逐漸提高，許多礦山在滿足生產(chǎn)的同時(shí)，加大了環(huán)境保護(hù)，尤其是加大了對(duì)已破壞地表的修復(fù)。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)塌陷區(qū)回填進(jìn)行了研究，吳榮高等[3]采用相似模擬試驗(yàn)，模擬地表塌陷坑內(nèi)堆存添加固化劑的尾礦過程中的受力變化規(guī)律。孫偉[4]利用災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚摻⒘算~坑礦地表塌陷災(zāi)害鏈?zhǔn)綔p災(zāi)模型，得到了塌陷區(qū)處置體的強(qiáng)度特性、滲透-崩解特性，以及回填后處置體的協(xié)調(diào)變形特性。張友志等[5]利用PFC軟件對(duì)處理塌陷區(qū)的多種回填工藝進(jìn)行模擬，得出效果最好的方案為全部膠結(jié)回填。呂志文等[6]對(duì)東際金（銀）礦塌陷坑提出了地面整平、覆土、復(fù)綠等綜合治理方案，治理塌陷區(qū)。徐士申[7]在大紅山鐵礦建立地表變形監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析監(jiān)測結(jié)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(yīng)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(qū)，其中充填空區(qū)的圍巖散體與原有礦體相比，密實(shí)度與強(qiáng)度都要小很多。空區(qū)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(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致拉伸斷裂的產(chǎn)生擴(kuò)展形成塌陷坑[7-8]。根據(jù)生產(chǎn)要求，礦山每年有大量掘進(jìn)廢石回填地表塌陷區(qū)，回填散體的運(yùn)動(dòng)過程是一個(gè)極其復(fù)雜的時(shí)間與空間問題，散體在不同的時(shí)間段內(nèi)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，所在位置也不同，由于塌陷區(qū)與礦山露天采場、排土場位置相接近，回填散體可能會(huì)直接影響排土場、露天采場的穩(wěn)定性?；诖耍斜匾脭?shù)值模擬的方法來探究廢石回填散體的變化規(guī)律，分析塌陷區(qū)廢石回填恢復(fù)治理對(duì)排土場、露天采場的影響與控制作用，并對(duì)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性作出評(píng)判。

1 工程巖體力學(xué)參數(shù)

迄今為止，鐵礦一直在地下開采和生產(chǎn)。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(qū)的面積不斷擴(kuò)大，巖層活動(dòng)頻繁，地壓危害區(qū)域不斷擴(kuò)大，形成了大量裂縫和塌陷坑，目前裂縫范圍達(dá)0.36 km2，某些區(qū)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(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及巖體質(zhì)量分級(jí)等工作，確定了宏觀巖體力學(xué)參數(shù)（見表1），供數(shù)值模擬分析過程中采用。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

利用 FLAC3D軟件建立了大紅山鐵礦研究區(qū)域的三維幾何模型，模擬工作面推進(jìn)過程中頂板或上覆巖層變形與破壞的演化過程。模型共計(jì)3 285 100個(gè)單元和3 357 780個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jìn)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(xué)參數(shù)

圖2 整體模型

圖3 模型典型剖面

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

圖4 位移監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果

圖5 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)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(qū)域位于采空區(qū)上部，波及范圍達(dá)900 m標(biāo)高附近，地表露天采場及排土場區(qū)域沒有出現(xiàn)沉降位移。

由圖4可知，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上豎向的位移變化始終為正值，說明隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，地下散體沉降塌陷沒有波及到地表，采礦結(jié)束后，隨著地下充填體的逐步密實(shí)，地表能保持穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)對(duì)露天邊坡及排土場的穩(wěn)定性造成影響。

由圖5可知，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)代表的區(qū)域應(yīng)力值始終為負(fù)值，說明該區(qū)域沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞情況，結(jié)論與圖4位移監(jiān)測結(jié)果保持一致。

3 塌陷區(qū)廢石回填對(duì)硝水箐-南部廢石場的影響

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

圖6 剖面線位置

本次計(jì)算分別考慮不同工況條件下的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出：

（1）在自重條件下，塌陷區(qū)未回填、塌陷區(qū)回填后和塌陷區(qū)回填排土場邊坡安全系數(shù)均大于1.20；在自重+地震工況條件下，塌陷區(qū)未回填、塌陷區(qū)回填后和塌陷區(qū)回填排土場邊坡安全系數(shù)均大于1.15，整體邊坡穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范要求。

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

4 結(jié)論

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

（2）通過模型內(nèi)部位移及應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的變化情況可知，監(jiān)測點(diǎn)上豎向的位移變化始終為正值，地表區(qū)域無沉降發(fā)生；應(yīng)力值始終為負(fù)值，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。結(jié)果表明，隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，地下散體沉降塌陷沒有波及到地表。采礦結(jié)束后，隨著地下充填體的逐步密實(shí)，地表能保持穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)對(duì)露天邊坡及排土場的穩(wěn)定性造成影響。

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