阿希金礦露天坑回填與井下協(xié)同開(kāi)采安全穩(wěn)定性分析

范 慶

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

西部黃金伊犁分公司阿希金礦是一家現(xiàn)代化黃金生產(chǎn)企業(yè)，1993年礦山開(kāi)始基建工作，1995年6月建成并投入生產(chǎn)。礦山前期采用露天開(kāi)采，形成了北露天和南露天2個(gè)采礦場(chǎng)。2004年轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采，形成了一個(gè)容積約為450萬(wàn)m3的露天坑，露天坑底標(biāo)高為1 450 m，封閉圈標(biāo)高為1 510 m。為了治理北露天采礦場(chǎng)，礦山在2016年下半年采用膠結(jié)尾礦對(duì)該露天采場(chǎng)進(jìn)行回填治理，現(xiàn)已治理回填至1 505 m標(biāo)高。

1 礦山地質(zhì)及前期開(kāi)采情況調(diào)查分析

1.1 礦山地質(zhì)調(diào)查分析

礦山地處阿希金水文地質(zhì)單元分水嶺地帶的山脊上部，大部分礦體埋藏在當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面上部，礦井多采用自然排水。地下水多為弱含水巖組或不含水巖組。礦床水文地質(zhì)條件為裂隙水充水的簡(jiǎn)單型礦床。工程地質(zhì)性質(zhì)及其穩(wěn)固性不均一，根據(jù)具體地段巖體結(jié)構(gòu)特征及巖性而定，有易產(chǎn)生掉塊等不易于處理的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。F2斷層上、下盤巖體質(zhì)量好，為塊狀或整體塊狀結(jié)構(gòu)的中—酸性火山巖巖組。地下水量很小，沒(méi)有大的靜水壓力。阿希金礦屬于巖石完整性中等—良好，圍巖及頂?shù)装宸€(wěn)固性一般至優(yōu)，斷層破碎帶穩(wěn)固性差異較大，屬于以塊狀巖類為主的工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單偏中等類型的礦床［1］。

1.2 露天坑概況

阿希金礦場(chǎng)按照設(shè)計(jì)確定1 450 m 標(biāo)高以上為露天開(kāi)采，1 450 m標(biāo)高以下為地下開(kāi)采。北側(cè)露天采場(chǎng)為山坡露天開(kāi)采，1 510 m以下開(kāi)采形成半封閉圈。露天采礦場(chǎng)為一個(gè)長(zhǎng)軸近于南北的橢圓形凹陷露天采坑。目前，礦山采用尾砂膠結(jié)充填，膠結(jié)料為水泥，配比為1∶20，已回填至1 505 m。采場(chǎng)北部最高山頭標(biāo)高為1 650 m，目前邊坡高度最大為155 m。目前露天開(kāi)采的最終邊坡角東幫為65～75°，西幫為36.5°，北幫為45～48°，南幫為45～48°。露天開(kāi)采最終坡面角65°，露天開(kāi)采最終臺(tái)階高度為20 m［2-3］。

1.3 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采概況

礦山自2004年使用無(wú)底柱分段崩落采礦法，成功從露天開(kāi)采轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，截止到2009年崩落法改充填法之前，已采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采了0～40線1 400 m以上的礦體，并在1 400 m以上形成了崩落法巖石覆蓋層。走向上兩端留有三角礦柱。在+1 385～+1 430 m標(biāo)高40～56線采用下向分層進(jìn)路式充填采礦法回采，分層高度10 m［4］。

1.4 地下開(kāi)采概況

阿希金礦在2008年已開(kāi)始進(jìn)行充填采礦工藝的研究，并在2009年下半年開(kāi)始采用充填法采礦。首采中段為1 335 m中段，中段高度50 m，主要開(kāi)采1 335～1 385 m的礦體。為了隔離1 400 m以上的崩落法巖石覆蓋層，在1 385～1 400 m留設(shè)了15 m厚的隔離礦柱。為保護(hù)上部隔離礦柱及巖石覆蓋層，在露天坑底區(qū)域（0～56線）1 335～1 385 m主要采用充填法回采。目前主要采用下向深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采1 285～1 335 m礦體，分段高度為22 m，共形成了1 313，1 291 m 2個(gè)分段。礦房垂直礦體走向布置，采用二步回采，隔一采一，礦房寬度10 m［5-6］。

2 圍巖巖石力學(xué)試驗(yàn)及參數(shù)確定

圍巖是指工程周圍有限范圍內(nèi)的巖體，即巖體穩(wěn)定性分級(jí)的對(duì)象。它的穩(wěn)定程度與很多因素有關(guān)，主要有圍巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與分布特征、原巖應(yīng)力場(chǎng)及地下水等。圍巖強(qiáng)度的高低直接決定了工程的安全性。

為充分了解圍巖及礦體的巖石力學(xué)強(qiáng)度情況，委托國(guó)家冶金工業(yè)鐵精礦質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心開(kāi)展了室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)。巖石試樣于2019年5月在現(xiàn)場(chǎng)采集，分別開(kāi)展了巖石的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石抗拉試驗(yàn)、巖石單軸變形試驗(yàn)、物理性質(zhì)試驗(yàn)以及規(guī)則抗剪斷強(qiáng)度試驗(yàn)。

巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)主要進(jìn)行巖石的密度測(cè)試，測(cè)試方法采用量積法，采用立方體試樣，每組3塊。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)每組試樣3塊，試樣尺寸為5 cm×5 cm×10 cm。巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用劈裂法，把巖樣加工為立方體，每組3塊，施加相對(duì)的線性荷載，沿試塊直徑方向破壞。巖石單軸變形試驗(yàn)是通過(guò)縱向壓力作用測(cè)定試樣的縱向和橫向變形，計(jì)算巖石的泊松比和彈性模量，每組試樣3塊，尺寸為5 cm×5 cm×10 cm。巖石規(guī)則抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是將巖石加工為5 cm×5 cm×5 cm的規(guī)則試樣，并放置在固定的試驗(yàn)機(jī)模具中進(jìn)行剪切試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試巖石的抗剪斷強(qiáng)度。每組試樣9塊，試驗(yàn)中通過(guò)變換不同的剪切角進(jìn)行規(guī)則巖塊抗剪斷試驗(yàn)。試驗(yàn)試樣均為風(fēng)干狀

態(tài)［7-8］。

結(jié)合阿希金礦相關(guān)的測(cè)試和研究資料，以及類似工程中相似巖體物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范，確定本研究項(xiàng)目數(shù)值計(jì)算模型中圍巖及礦體材料物理力學(xué)參數(shù)。考慮到彈性模量對(duì)地表變形模擬結(jié)果影響較大，出于保守考慮，在上述巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)成果及相關(guān)研究報(bào)告，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類比的基礎(chǔ)上，對(duì)彈性模量進(jìn)行了一定程度的折減。最終確定本次研究中所采用的計(jì)算參數(shù)如表1所示［9-10］。

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3 三維數(shù)值模型建立及計(jì)算

3.1 模型概化

（1）綜合考慮各地層空間分布及其與礦體的位置關(guān)系，主要地層概化為圍巖、礦體和回填體3類，對(duì)回填區(qū)、未開(kāi)采礦體以及巷道等進(jìn)行模擬。

（2）主要考慮1 450 m以下、15～56線礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量估算所確定范圍內(nèi)的礦體，作為模型中的礦體模擬對(duì)象。

（3）主要考慮范圍為1 285 m以上、15～56線的巷道及回填區(qū)，作為模型中回填區(qū)的模擬對(duì)象。

（4）成礦前與成礦時(shí)的斷裂構(gòu)造時(shí)期較為久遠(yuǎn)，主要對(duì)礦床形成有較大影響，但對(duì)目前礦區(qū)礦巖完整性影響不大，成礦后斷裂構(gòu)造對(duì)阿希金礦礦段礦巖體影響較小。因此，本模型中未考慮斷層構(gòu)造。

3.2 三維數(shù)值模型構(gòu)建

地層面、礦體、采空區(qū)及巷道表面等均為不規(guī)則曲面，主要通過(guò)阿希金礦4～15、44～56各線資源儲(chǔ)量估算剖面圖與阿希金礦1 200 m至1 530 m中段地質(zhì)平面圖等建立的平面與NURBS曲面來(lái)表達(dá)。對(duì)各曲面進(jìn)行多次布爾運(yùn)算后，形成最終的三維實(shí)體模型。

為合理模擬阿希金礦回填之后深部開(kāi)挖對(duì)露天坑安全以及礦段深部開(kāi)采對(duì)露天邊坡、坑底以及壩體的影響，在充分搜集前期地質(zhì)資料并多次計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定本次數(shù)值模型的平面范圍為東西長(zhǎng)度500 m，南北寬度600 m?？紤]到1 285 m以上水平巷道和回填區(qū)對(duì)露天坑底及邊坡的影響，巷道和回填區(qū)建立的模型如圖1、圖2所示［11-13］。

根據(jù)阿希金礦地形地質(zhì)圖、礦山各勘探線資源儲(chǔ)量估算剖面圖、礦山中段地質(zhì)平面圖以及相關(guān)巷道及回填地形圖等，構(gòu)建了比較真實(shí)的阿希金礦采場(chǎng)三維數(shù)值計(jì)算模型（圖3）。整個(gè)三維數(shù)值計(jì)算模型共包含5 298 128個(gè)四面體單元與938 840個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界約束條件：x=-185 m和x=315 m邊界僅采用X方向固定位移約束，y=-295 m和y=305 m邊界僅采用Y方向固定位移約束，z=1 200 m底邊界對(duì)X、Y、Z3個(gè)方向均采用固定位移約束。整體模型和露天坑、礦體及回填區(qū)網(wǎng)格如圖4所示。

3.3 露天坑邊坡及坑底穩(wěn)定性分析

初始邊界條件：前后左右面和底面采用位移約束，即前后左右面限制水平方向的位移，底面限制垂直方向的位移，原始應(yīng)力場(chǎng)采用重力場(chǎng)施加在垂直方向，假定模型中礦巖體均為理想條件下彈塑性連續(xù)介質(zhì)，采用摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

數(shù)值模擬時(shí)，先對(duì)1 285～1 335 m中段14線至40線礦體進(jìn)行開(kāi)挖回填模擬獲得初始應(yīng)力場(chǎng)分布，然后對(duì)坑內(nèi)進(jìn)行回填，回填高程從1 505 m至1 530 m，再通過(guò)模擬1 285～1 335 m中段14線以南和40線以北的礦體開(kāi)采及回填，分析采礦活動(dòng)對(duì)露天坑邊坡、坑底及壩體的影響，最后通過(guò)1 235～1 285 m中段礦體的開(kāi)采及回填模擬，評(píng)價(jià)未來(lái)采礦活動(dòng)對(duì)露天坑邊坡、坑底及壩體的影響。模型計(jì)算三維整體場(chǎng)分布見(jiàn)圖5。

經(jīng)過(guò)對(duì)礦山各勘探線剖面最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力模擬計(jì)算，露天坑邊坡及坑底穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬表明：回填至1 505 m后，0線至60線邊坡及坑底最大主應(yīng)力范圍為0～2 MPa，最小主應(yīng)力范圍為-1～0 MPa，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力水平較低。1 235～1 285 m中段采礦區(qū)最大主應(yīng)力多出現(xiàn)在采礦區(qū)靠近圍巖區(qū)域，最小主應(yīng)力則主要出現(xiàn)在采礦區(qū)預(yù)留隔離礦柱中部區(qū)域［14］。

3.4 井下開(kāi)采安全影響分析

模擬坑內(nèi)回填至高程1 530 m最終狀態(tài)，1 335～1 285 m中段14線以南和40線以北剩余礦體開(kāi)挖回填后的計(jì)算結(jié)果，分別在各剖面位置提取圍巖位移與應(yīng)力等數(shù)據(jù)，對(duì)露天坑邊坡、坑底及壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。露天坑回填后整體位移場(chǎng)分布見(jiàn)圖6。

通過(guò)對(duì)開(kāi)采中段各剖面位移、沉降變形、最大最小主應(yīng)力分布數(shù)值模擬表明：露天坑回填治理后，露天坑邊坡最大位移約為4 mm，邊坡沉降變形較小且相對(duì)均勻；坑底最大位移位于坑底中部約為52 mm處，變形呈現(xiàn)由露天坑坑底中心向四周呈環(huán)狀逐漸遞減的趨勢(shì)；壩體最大位移出現(xiàn)在靠近坑底附近約為12 mm處。當(dāng)1 285～1 335 m中段礦體開(kāi)采回填后，采礦區(qū)最大主應(yīng)力多出現(xiàn)在采礦區(qū)東側(cè)靠近圍巖區(qū)域，最小主應(yīng)力應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力水平相對(duì)較低。露天坑邊坡最大沉降約為2 mm處，周邊沉降變形相對(duì)均勻；坑底最大沉降位于坑底中部約為50 mm處；壩體最大沉降出現(xiàn)在靠近坑底附近約為6 mm處。攔擋壩位于8～16線，最大沉降變形出現(xiàn)于靠近坑底區(qū)域，沉降不會(huì)影響壩體安全［15］。

4 結(jié)論

（1）阿希金礦1 285～1 335 m中段開(kāi)采礦體并回填后，地表最大沉降位于露天坑坑底中部，沉降變形總體上由坑底中心向四周呈環(huán)狀逐漸遞減的趨勢(shì)，攔擋壩最大沉降變形出現(xiàn)于靠近坑底區(qū)域。

（2）礦山礦體開(kāi)采并回填后，地表沉降趨勢(shì)仍表現(xiàn)為由露天坑坑底中心向四周呈環(huán)狀逐漸遞減，由此推測(cè)露天坑坑底安全受礦段開(kāi)采影響較大。

（3）邊坡和攔擋壩離礦體密集區(qū)域較遠(yuǎn)，邊坡和壩體最大沉降量均在安全范圍內(nèi)，不會(huì)影響恢復(fù)治理工程總體安全。雨季前清理露天采坑周圍的截排水設(shè)施，并及時(shí)排出坑內(nèi)積水，確保坑內(nèi)不積水，保障攔擋壩體的安全。

（4）優(yōu)化地下充填開(kāi)采設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)及施工管理，尤其要重視充填采礦法中的充填體質(zhì)量及充填接頂工作。