尾礦庫下壓覆礦體開采對尾礦庫及壩體影響分析

蔣京名 郭家能 王 志

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014）

為實現(xiàn)尾礦庫下壓覆礦體的安全開采，需要留設(shè)防水隔離層，以確保尾礦庫水體、建構(gòu)筑物和周邊環(huán)境不受破壞，首先要在尾礦庫底和回采的最高水平之間留下一定厚度的安全隔離層，在回采過程中應(yīng)防止防水隔離層遭到破壞，導(dǎo)致尾礦庫水滲入井下。防水隔離層的厚度取決于礦體及周邊圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、透水性能等因素，其最小厚度應(yīng)等于礦體導(dǎo)水裂隙帶的最大高度加上一定厚度的保護層，并考慮基巖風(fēng)化含水層帶深度［1-4］。

基于此，本研究以某礦區(qū)地質(zhì)報告及尾礦庫現(xiàn)狀條件為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)查和問題分析，研究尾礦庫下壓覆礦體在地下開采過程中產(chǎn)生的巖層移動和變形對尾礦庫及壩體的影響，采用理論分析及Midas GTS NX計算機數(shù)值模擬計算方法，確定了安全保護巖柱范圍和合理的巖層移動角，并為下一步進(jìn)行地下開采提出了相應(yīng)的安全對策措施，為尾礦庫下賦存礦體的開采提供依據(jù)。

1 礦山工程概述

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)出露的地層較為簡單，自老至新有元古界震旦系下震旦統(tǒng)和新生界第四系地層。礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，南部出露白堊系火山巖地層屬于悅洋銀礦構(gòu)造洼地蓋層，傾向南西，傾角20°～35°，屬單斜地層。礦區(qū)發(fā)育北東向斷裂構(gòu)造（F1、F2），其中F1屬區(qū)域斷裂構(gòu)造F1-1的一部分，F(xiàn)2規(guī)模相對較小。除斷裂構(gòu)造外，區(qū)內(nèi)還發(fā)育北西、北東、近南北向節(jié)理裂隙構(gòu)造。

1.2 水文地質(zhì)

礦區(qū)東側(cè)毗鄰某電站庫區(qū)，南側(cè)已建有設(shè)計標(biāo)高為273.00 m尾礦壩。礦區(qū)范圍內(nèi)無地表水出露，僅在礦區(qū)北部尾礦庫排洪溝及外圍西南側(cè)有溪溝出露。礦床為裂隙含水層充水礦床，礦區(qū)內(nèi)大部分礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，花崗巖裂隙含水層為礦床的直接充水含水層，含水層富水程度弱且不均勻，通過F2斷裂構(gòu)造及裂隙等導(dǎo)水充水，接受大氣降水、側(cè)向構(gòu)造裂隙含水層的補給，但補給源較遠(yuǎn)，附近地表水不構(gòu)成礦床的主要充水因素，地下水季節(jié)性動態(tài)變化幅度較大。綜合判斷，礦區(qū)為水文地質(zhì)條件屬中等的礦床。

1.3 工程地質(zhì)

礦區(qū)礦體及其頂?shù)装鍑鷰r主要為中細(xì)?；◢弾r、細(xì)?；◢弾r，少量隱爆角礫巖等。巖石普遍硅化，完整性較好，為堅硬—半堅硬巖組，抗壓強度中等，穩(wěn)固性較好。礦區(qū)節(jié)理裂隙較發(fā)育，但對礦體及其頂板的完整性和穩(wěn)定性影響不大，僅在局部地段易產(chǎn)生工程地質(zhì)問題。部分埋藏較淺的礦體或頂板距碎裂巖體較近的礦體，受構(gòu)造裂隙、地下水、構(gòu)造軟弱夾層等影響，易產(chǎn)生崩落、垮塌或滑移，工程地質(zhì)條件較差。礦區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件屬中等。

2 尾礦庫下開采對尾礦庫及壩體的安全影響

“三帶”是指地下巖體在開挖以后，原先承受的地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖中并使其所受的應(yīng)力發(fā)生重新分布，在一定范圍內(nèi)的圍巖則產(chǎn)生移動和變形等現(xiàn)象。采場開釆后覆巖會受到不同程度的破壞，如垮落、斷裂、離層、彎曲等，并且從宏觀方面自下而上表現(xiàn)出明顯的“分帶”現(xiàn)象。尾礦庫下開采礦體對尾礦庫的影響，最重要的是研究地下開采后“三帶”的破壞高度，尤其是導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，以防止因開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶貫通地表尾礦庫，形成導(dǎo)水通道將尾礦庫尾礦泥漿導(dǎo)入地下開采采場從而導(dǎo)致事故發(fā)生［5-6］。

2.1 水體下安全開采上覆隔離層厚度確定

尾礦庫下開采安全性和防水隔離層厚度呈現(xiàn)正比關(guān)系，防水隔離層厚度越大，開采越安全，但損失的礦石量也越多，防水隔離層厚度的確定必須根據(jù)地質(zhì)條件和礦床開采技術(shù)特征確定［7-8］。防水隔離層留設(shè)的目的是作為采場和上覆水體之間的屏障，除了采場導(dǎo)水裂隙帶高度是確定防水隔離層礦巖柱尺寸的重要參數(shù)以外，防水隔離層礦巖柱的隔水性能也是必須考慮的因素。所以，防水隔離層礦巖柱高度要具備一定的安全系數(shù)，即富余一定的厚度，也就是保護層的厚度。保護層是導(dǎo)水裂隙帶與上覆水體之間起隔水作用的各種巖層和礦層，必須具備適當(dāng)?shù)暮穸群腿跬杆缘男再|(zhì)。保護層的功能在于：一是阻斷上覆水體與導(dǎo)水裂隙帶相互貫通；二是彌補因為勘探程度限制而產(chǎn)生的礦體厚度和含水層底界面標(biāo)高等誤差造成的防水礦巖柱偏小的缺陷，從而提高防水隔離層的可靠度。

由于尾礦庫下的基巖長期處在上覆尾礦泥漿的作用下，可以推斷風(fēng)化帶亦含水，因此當(dāng)留設(shè)防水巖柱時應(yīng)當(dāng)考慮基巖風(fēng)化含水層帶深度。為了防止導(dǎo)水裂縫帶波及尾礦庫水體，防水安全巖柱的垂高（Hs）應(yīng)當(dāng)大于或者等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度（Hli）加上保護層厚度（Hb）并考慮風(fēng)化基巖含水層帶深度（Hf），此時，防水隔離層的總厚度計算公式為

其中導(dǎo)水裂隙帶高度按照表1及表2計算。

細(xì)粒、中細(xì)?；◢弾r屬堅硬巖組，巖體分級為Ⅱ級；英安巖屬半堅硬巖組，巖體分級為Ⅳ級。

保護層厚度按表3計算：根據(jù)礦區(qū)勘探報告提供的尾礦庫下地質(zhì)剖面圖圍巖情況，覆巖巖性為松散層底部無粘土層，保護層厚度為Hb=7A=7×5.86=41.02 m。

防水隔離層的總厚度還需要考慮風(fēng)化基巖含水層帶深度，根據(jù)礦區(qū)鉆孔資料，風(fēng)化基巖含水層帶深度為10～14 m，為保證安全性取大值14 m。綜上所述，防水隔離層的總厚度：

Hs≥Hli+Hb+Hf≥80.26+41.02+14=135.28 m.

2.2 采場結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

相比傳統(tǒng)理論分析，數(shù)值模擬分析具有分析準(zhǔn)確、計算速度快、結(jié)果生動形象的特點，且礦山問題涉及影響因素多，不經(jīng)簡化很難用傳統(tǒng)理論分析解決。針對尾礦庫下開采安全研究，采用Midas GTS NX數(shù)值模擬計算軟件進(jìn)行分析。Midas GTS NX數(shù)值模擬計算軟件具有建模前處理能力強，計算準(zhǔn)確，后期結(jié)果可視性強的特點，已廣泛應(yīng)用于礦山巖石力學(xué)問題的研究中。首先采用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則和相關(guān)巖體分級的方法，得到礦區(qū)巖體巖石力學(xué)參數(shù)如表4所示。

根據(jù)礦區(qū)勘探報告地質(zhì)剖面圖，選擇具有代表性的剖面線3A（此剖面線可見尾礦庫下賦存礦體且剖面線經(jīng)過尾礦庫區(qū)中心位置）進(jìn)行模擬分析。通過數(shù)值模擬分析應(yīng)力分布情況及其塑性區(qū)發(fā)育情況以驗證理論計算得到的135.28 m保護礦柱的厚度是否可行；以及選取開采方法，即采取充填開采的必要性。

根據(jù)上述參數(shù)建立二維平面應(yīng)變模型如圖1，并使用摩爾—庫倫準(zhǔn)則作為巖體的破壞準(zhǔn)則。模型底部采用豎直方向位移約束，兩側(cè)施加相應(yīng)方向的位移約束，頂部為原始地形。模型尺寸為1 200 m×600 m，共包含節(jié)點26 519個，單元26 325個。數(shù)值模擬過程分為2個步驟：①模型初始平衡；②礦體開挖后的穩(wěn)定性及其對尾礦庫的影響分析。本次數(shù)值分析中開采礦體為保留135.28 m巖柱開采礦柱下礦體。對3A剖面礦體的開采分2種情形進(jìn)行分析：①礦體開采后不進(jìn)行充填；②采用充填法對礦體進(jìn)行開采。

礦體開采后不進(jìn)行充填，根據(jù)垂直應(yīng)力分布云圖2，垂直應(yīng)力在礦體端部發(fā)生應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力為27.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.8，同時開挖礦體的頂?shù)装宄霈F(xiàn)垂直應(yīng)力降低區(qū)，這是由于開挖引起頂?shù)装鍛?yīng)力轉(zhuǎn)移到采場兩端造成的。由最大水平應(yīng)力分布云圖3可知，最大水平拉應(yīng)力為4.6 MPa，出現(xiàn)在采場頂部，同時結(jié)合最大位移分布云圖4可知，頂板最大下沉>1.0 m，說明該處已出現(xiàn)拉斷裂破壞導(dǎo)致頂板冒頂。通過圍巖破壞形式分布云圖5可見，開采礦體的上方形成塑性破壞區(qū)，破壞范圍大，礦體頂部破壞區(qū)和礦體端部破壞區(qū)相互連通?？梢酝浦獙?dǎo)水裂隙帶（包含冒落帶和裂隙發(fā)育帶）已發(fā)育到尾礦庫底，形成導(dǎo)入通道，對開采安全造成極大影響，采用不充填空區(qū)的采礦方法無法對礦體進(jìn)行開采。

再采用充填法對3A剖面線礦體開采進(jìn)行安全影響分析。模擬方案中礦體采用充填開采，根據(jù)垂直應(yīng)力分布云圖6，垂直應(yīng)力在礦體端部發(fā)生應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力為26.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.7，同時開挖礦體的頂?shù)装宄霈F(xiàn)垂直應(yīng)力降低區(qū)，這是由于開挖引起頂?shù)装鍛?yīng)力轉(zhuǎn)移到采場兩端造成的。由最大水平應(yīng)力分布云圖7可知，最大水平拉應(yīng)力為1.2 MPa，出現(xiàn)在采場頂部。同時結(jié)合最大位移分布云圖8可知，頂板最大下沉0.34 m。當(dāng)頂板下沉0.34 m，開采水平跨度為400 m時，礦體左右端部往中間頂板下沉量逐漸增大，增加緩和，增長速率為1.44 mm/m，見圖9。

通過圍巖破壞形式分布云圖10可見，開采礦體的上方并未發(fā)生連續(xù)破壞形成連續(xù)塑性破壞區(qū)。塑性破壞主要發(fā)生在礦體左上、右上肩部位置，因礦體開采跨度較大，礦體采用充填開采后仍有一定整體下沉，礦體左上、右上圍巖出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象而出現(xiàn)塑性破壞。塑性破壞距離尾礦底部距離為25～40 m，存在較為安全的安全保護層。考慮到3A剖面相鄰其他剖面礦體逐漸變薄甚至尖滅，3A剖面礦體開采從應(yīng)力、變形、塑性破壞發(fā)育等角度均處于較為安全的狀態(tài)，認(rèn)為保留135.28 m防水巖柱開采尾礦庫下開采是安全可行的。采用充填采礦法后，礦體開采從應(yīng)力、變形、塑性破壞發(fā)育等角度均處于較為安全的狀態(tài)。

2.3 開采對尾礦壩安全影響研究

在地下開采過程中，地表建構(gòu)筑物的損害是地下采場開挖后引起上覆巖層移動，導(dǎo)致地表發(fā)生變形，然后將地表變形傳遞給建構(gòu)筑物基礎(chǔ)，從而使建構(gòu)筑物隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變形，若建構(gòu)筑物的變形值超過其允許變形值，建筑物將受到破壞［9-10］。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，按照建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物保護等級分為五類，其中庫（河）壩屬于II級。

建構(gòu)筑物受保護范圍應(yīng)包含受保護對象及其圍護帶。圍護帶寬必須根據(jù)受保護對象的保護等級確定，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，圍護帶寬度取15 m，受保護對象邊界按照其基礎(chǔ)的外邊緣為界。巖層移動角按下列變形值確定：水平變形ε=+2 mm/m，傾斜變形i=±3mm/m，曲率K=+0.2×10-3/m。通過數(shù)值模擬方式給出合理巖層移動邊界角，如圖11～圖13。

隨著礦體往深部開采，地表發(fā)生錯動的范圍會隨之增大，根據(jù)礦區(qū)開采初步設(shè)計規(guī)劃，最低開采水平為-15 m水平，因此本次數(shù)值模擬通過模擬-15 m礦體開采后地表的變形情況來分析開采移動角選擇的合理性和礦山地下開采對尾礦壩壩體的影響。通過數(shù)值模擬得到研究范圍內(nèi)（巖層移動角65°～80°）水平位移為40 mm左右，垂直位移為30～55 mm，變形均較小。對數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到水平變形ε、傾斜變形i、曲率K，如圖14～圖16。

設(shè)計開采礦體上地表中間高兩邊低，呈拱形，具有較好受力結(jié)構(gòu)。地下礦體開采后，水平變形ε=0.02～0.06mm/m，傾斜變形i=0.35～0.50mm/m，曲率K=0.003～0.013×10-3/m?？梢姡V山深部開采對尾礦庫、地表影響較小，在研究范圍內(nèi)（巖層移動角65°～80°），水平變形ε≤2mm/m，傾斜變形i≤±3mm/m，曲率K≤+0.2×10-3/m，不會出現(xiàn)明顯的地表錯動。但考慮到近地表開采時，地表仍然會受到開采發(fā)生錯動，因此本次研究結(jié)合部分圍巖條件相似礦山巖層移動角實測值，推薦巖層移動角取較大值70°，圍巖條件較好地段，端部礦體可取75°，接近尾礦庫壩體巖層移動角取70°。

3 結(jié) 論

通過上述分析，采用理論及計算機數(shù)值模擬計算，研究尾礦庫下壓覆礦體地下開采過程產(chǎn)生的巖層移動和變形對尾礦庫及尾礦壩體的影響，得出以下結(jié)論：

（1）防水安全巖柱的垂高應(yīng)當(dāng)大于或者等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度加上保護層厚度，并考慮風(fēng)化基巖含水層帶深度，最終計算得出防水安全巖柱的總厚度應(yīng)大于135.28 m。

（2）研究結(jié)合部分圍巖條件相似礦山巖層移動角實測值，推薦巖層移動角取較大值70°，在圍巖條件較好地段，端部礦體可取75°，接近尾礦庫壩體巖層移動角取70°。

（3）采用非充填采礦方法開采尾礦庫下附近礦體是不安全的，導(dǎo)水裂隙帶（包含冒落帶和裂隙發(fā)育帶）已發(fā)育到尾礦庫底，形成導(dǎo)入通道，對開采安全造成極大影響。因此，針對本礦區(qū)尾礦庫下壓覆礦體開采，選擇的采礦方法為充填采礦法。

（4）尾礦庫下壓覆礦體開采應(yīng)采取的安全措施：①保證充填體的強度達(dá)到設(shè)計要求，且采場底部及接頂充填28 d的強度值為2.0 MPa，采場中部充填體28 d的強度值為0.5 MPa；②嚴(yán)格按照設(shè)計充填流程進(jìn)行充填，盡量減少頂板巖石暴露時間，并保證充填接頂質(zhì)量；③采場開采需執(zhí)行“有疑必探、先探后掘、先探后采”的原則，制定詳細(xì)的探水措施及其應(yīng)對策略；④對于尾礦庫泄洪洞、排水水管等水工構(gòu)筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)補強，包括裂縫填充補強、滲漏區(qū)域注漿堵漏、雜物清理，保證各種管、洞凈斷面尺寸；⑤加強對壩體沉降變形和浸潤曲線觀測，增設(shè)壩體排滲系統(tǒng)，降低壩體浸潤線，保證壩體穩(wěn)定性。