長(zhǎng)距離管道輸送砂漿治理礦山廢棄露天坑及塌陷區(qū)綜合技術(shù)研究

張雄天 朱文志

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000）

礦山露天開采形成的露天坑對(duì)環(huán)境破壞影響較大,易導(dǎo)致水環(huán)境污染、破壞地表植被、產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害以及固體廢棄物污染。同時(shí)隨著時(shí)間的推移及地下采礦的影響,露天邊坡的穩(wěn)定性將對(duì)礦山安全生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響[1-4]。對(duì)礦山廢棄露天采坑改造進(jìn)行綜合利用,使其變廢為寶,可以提高企業(yè)的社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)建設(shè)綠色礦山具有重要意義。

1 工程概況

白銀有色集團(tuán)廠壩鉛鋅礦開發(fā)建設(shè)開始于上世紀(jì)80年代,按照原設(shè)計(jì)規(guī)劃,廠壩礦區(qū)的整體開發(fā)建設(shè)分為露天開采和井下開采兩階段。2006年,露天開采全部終結(jié),完全轉(zhuǎn)入井下生產(chǎn)。

經(jīng)過多年的露天開采,廠壩礦區(qū)地表形成了一座約 150×104m3的露天采坑及270 m左右的高陡邊坡,此外礦山其他采區(qū)也形成了規(guī)模不等的數(shù)個(gè)塌陷區(qū)。露天采坑及塌陷區(qū)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境破壞極大,對(duì)礦山安全生產(chǎn)也構(gòu)成了極大的威脅。廠壩鉛鋅礦露天采坑現(xiàn)狀見圖1。

圖1 廠壩礦區(qū)露天采坑Fig.1 The open pit of Changba mine area

2 露天坑及塌陷區(qū)恢復(fù)治理方案研究

2.1 露天坑及塌陷區(qū)體積確定

以1 298 m水平（封閉圈）為界,分為Ⅰ期、Ⅱ期工程。Ⅰ期工程充填以露天坑底1 268 m標(biāo)高為底,封閉圈1 298 m標(biāo)高為頂;Ⅱ期工程充填以封閉圈1 298 m標(biāo)高為底,1 430 m標(biāo)高為頂。露天采坑分期治理見圖2。

圖2 廠壩礦區(qū)露天坑分期治理Fig.2 The stages of treatment on changba mine open-pit

采用礦業(yè)軟件Dimine對(duì)露天坑封閉圈以下體積進(jìn)行了估算,估算結(jié)果為121.82×104m3。封閉圈以上體積估算結(jié)果為544.91×104m3。封閉圈以下露天坑三維模型見圖3,封閉圈以上露天坑三維模型見圖4。

圖3 封閉圈以下露天坑體積Fig.3 The volume of open pit under closed circle

圖4 封閉圈以上露天坑體積Fig.4 The volume of open pit above closed circle

2.2 治理方式及膠結(jié)充填結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

目前國(guó)內(nèi)在露天采坑治理方面采取的技術(shù)措施主要有尾砂膠結(jié)充填治理、廢石回填方式治理、尾礦濕排方式治理、尾礦壓濾干堆方式治理以及露天邊坡加固治理等技術(shù)方案。在這些方案中,尾砂膠結(jié)充填治理露天采坑方案因其具有安全程度高、機(jī)械化程度好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)可及應(yīng)用。

除露天采坑外,經(jīng)初步估算李家溝廢石場(chǎng)塌陷區(qū)空區(qū)體積約為20×104m3。李家溝廢石場(chǎng)塌陷區(qū)范圍見圖5。

圖5 李家溝廢石場(chǎng)塌陷區(qū)Fig.5 The subsidence area of Lijiagou waste rock field

廠壩鉛鋅礦露天轉(zhuǎn)地下開采后,地下開采采礦方法為空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法,礦山已建成充填能力為300萬t/a的充填站。

在綜合分析國(guó)內(nèi)外露天坑治理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上同時(shí)結(jié)合礦山實(shí)際情況,最終確定采用全尾砂膠結(jié)充填治理的方式對(duì)廠壩鉛鋅礦存在的露天采坑及塌陷區(qū)進(jìn)行治理。

由表 1 可以看出,灰砂比為 1∶15、1∶20、1∶25 的配比試驗(yàn),28 d強(qiáng)度分別為0.42 MPa、0.28 MPa、0.26 MPa。對(duì)配置的充填材料流變特性、充填材料強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及分析,確定Ⅰ期治理工程充填砂漿濃度為69%、灰砂比1∶20;Ⅱ期治理工程充填砂漿濃度為69%、灰砂比1∶15。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The uniaxial compressive strength test results

2.3 膠結(jié)充填治理露天坑及塌陷區(qū)方案研究

根據(jù)已有充填站設(shè)備配置情況,經(jīng)計(jì)算,年輸送充填砂漿量為138.80×104m3/a,每天輸送充填料漿量為4 206 m3/d。

根據(jù)廠壩礦區(qū)露天坑、李家溝塌陷區(qū)以及已有充填站的位置,充填輸送管線具體為沿充填站至東邊坡斜坡道回風(fēng)井公路敷設(shè)2條φ203 mm×10 mm無縫鋼管,至李家溝塌陷區(qū)時(shí),引1條支管線路進(jìn)入李家溝塌陷區(qū),主管路繼續(xù)經(jīng)3#隧道通往露天坑1 430 m平臺(tái)后沿露天邊坡繼續(xù)向下敷設(shè),經(jīng)1 394 m平臺(tái)到達(dá)1 358 m平臺(tái)后,主管末端可接聚乙烯增強(qiáng)塑料管以漫灌方式進(jìn)行充填作業(yè)。充填砂漿輸送管線見圖6。

圖6 充填砂漿輸送方案（標(biāo)高單位:m）Fig.6 The conveying scheme of filling mortar

3 露天坑及塌陷區(qū)恢復(fù)治理安全控制措施

3.1 排水系統(tǒng)

廠壩礦露天坑封閉圈1 298 m 25線附近有一排廢斜井現(xiàn)已停止運(yùn)行,對(duì)1 298 m已有排廢平硐及排廢斜井進(jìn)行改造,使之成為露天坑排水系統(tǒng)的一部分。經(jīng)計(jì)算,礦山每天充填量為4 206 m3,考慮到降雨等因素,充填溢流水按總用水量的30%考慮,則每天露天坑積水量約為700 m3。露天坑排水系統(tǒng)具體為在露天坑內(nèi)合適位置處安裝2臺(tái)潛污泵（一用一備）,潛污泵型號(hào)為150QW-108-75,功率75 kW,流量108 m3/h,揚(yáng)程60 m,充填溢流水通過潛污泵經(jīng)原1 298 m排廢平硐及排廢斜井到達(dá)1 202 m主平硐后,匯入礦山已有排水系統(tǒng),經(jīng)設(shè)在1 202 m主平硐口已有的沉淀池沉淀后排往井下水處理中心進(jìn)行處理。露天采坑一期治理工程排水系統(tǒng)見圖7。

圖7 露天坑排水系統(tǒng)Fig.7 The drainage system of open pit

Ⅱ期排水時(shí),需在1 298 m露天平臺(tái)處設(shè)漿砌毛石截水溝,正常排水時(shí)溢流水依然沿用Ⅰ期工程排水系統(tǒng);當(dāng)?shù)V山遭遇大暴雨時(shí),利用截水溝將雨水引入砂硐灣溝排出,截水溝斷面1.2 m×1.0 m,長(zhǎng)970 m。

3.2 井下封堵

礦山轉(zhuǎn)入地下開采在未建設(shè)充填站之前采用無底柱分段崩落采礦法采礦,露天坑底距生產(chǎn)中段有約160 m左右的廢石墊層。因露天坑底與下部采區(qū)貫穿,為避免充填后充填料漿污染巷道并破壞巷道的穩(wěn)定性,對(duì)井下中段各主要穿脈巷道進(jìn)行封堵。封堵?lián)鯄π褪讲捎娩摻罨炷翐鯄?封堵長(zhǎng)度為10 m。

3.3 輔助設(shè)施

在3#隧道出口、1 430 m平臺(tái)適當(dāng)位置處設(shè)值班室,內(nèi)設(shè)電話,在1 358 m平臺(tái)適當(dāng)位置處設(shè)照明設(shè)施及視頻監(jiān)控設(shè)施,在1 298 m平臺(tái)處四周設(shè)鐵絲網(wǎng)圍欄。

4 井下巷道及露天坑邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 Ⅰ期治理工程對(duì)井下巷道穩(wěn)定性影響分析

基于Rocscience-Phase2軟件在巖土工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及認(rèn)可度較高的特點(diǎn),采用Rocscience-Phase2進(jìn)行Ⅰ期充填工程對(duì)井下巷道穩(wěn)定性影響分析。

目前回采中段距露天坑底有約160 m的廢石墊層,選取37線剖面作為數(shù)值分析的典型剖面進(jìn)行最大主應(yīng)力、位移變化等相關(guān)力學(xué)參數(shù)的分析。

本次計(jì)算研究范圍涉及的巖體介質(zhì)均當(dāng)成彈塑性材料處理,適用于莫爾—庫侖破壞準(zhǔn)則。模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。模型底部及左右方向邊界均取X、Y 2個(gè)方向的約束,上邊界為地表,取自由邊界。最低中段1 022m離封閉圈最大為280m左右,因此本次模擬計(jì)算中初始地應(yīng)力場(chǎng)僅按巖體自重應(yīng)力場(chǎng)考慮,即垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算,水平應(yīng)力按泊松效應(yīng)計(jì)算。分析計(jì)算模型見圖8,應(yīng)力、位移分析見圖9～圖11。

圖8 分析計(jì)算模型示意Fig.8 The schematic diagram of analysis and calculation model

圖9 主應(yīng)力分布Fig.9 The distribution diagram of Principal stress

圖10 豎向位移分布Fig.10 Vertical displacement profile

圖11 Ⅰ號(hào)礦體下盤1 202 m中段巷道拉應(yīng)力分布Fig.11 Tensile stress distribution diagram of roadway at 1 202m in footwall of No.Ⅰ orebody

研究發(fā)現(xiàn),通過從主應(yīng)力分布圖、豎向位移分布圖及Ⅰ號(hào)礦體下盤1 202 m中段巷道拉應(yīng)力分布圖可以看出,Ⅰ期充填工程形成的膠結(jié)充填體對(duì)井下巷道穩(wěn)定性影響較小。在各個(gè)中段巷道中除Ⅰ號(hào)礦體下盤1 202 m中段巷道頂板部位出現(xiàn)較小拉伸應(yīng)力以外,其余各中段巷道均未出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。Ⅰ號(hào)礦體下盤1 202 m中段巷道頂板部位雖出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,但屬于安全范圍之內(nèi)。在實(shí)際Ⅰ期工程進(jìn)行充填時(shí)可對(duì)Ⅰ號(hào)礦體下盤1 202 m中段巷道采取加強(qiáng)支護(hù)的措施,及時(shí)消除應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

綜合分析可知,Ⅰ期充填工程形成的膠結(jié)充填體對(duì)井下正常生產(chǎn)影響不大,但需注意的是井下局部存在的采空區(qū)在充填體的作用下可能對(duì)巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,因此,礦山在生產(chǎn)時(shí)要及時(shí)消除已有的及放礦產(chǎn)生的新的采空區(qū),保證生產(chǎn)安全。

4.2 Ⅱ期治理工程邊坡穩(wěn)定性分析

Ⅱ期充填工程以1 298 m標(biāo)高為底,1 430 m標(biāo)高為頂對(duì)原露天邊坡進(jìn)行治理后,最終形成的充填體邊坡坡比為1∶3（18.4°）,采用極限平衡分析法對(duì)形成的充填體坡面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于Janbu法與Bishop法具有力學(xué)概念清晰、適用面廣、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),采用Janbu法、Bishop法對(duì)Ⅱ期充填工程邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析研究。

Rocscience-Slide軟件在地質(zhì)災(zāi)害行業(yè)的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位,分別選取荷載組合Ⅰ（自重+地下水）和荷載組合Ⅱ（自重+地下水+地震力）進(jìn)行計(jì)算。二期治理工程分析計(jì)算模型見圖12,自重+地下水工況條件下Bishop法和Janbu法分析結(jié)果見圖13、圖14,自重+地下水+地震工況條件下Bishop法和Janbu法分析結(jié)果見圖15、圖16。

圖12 二維極限平衡分析計(jì)算模型示意Fig.12 Schematic diagram of two-dimensional limit equilibrium analysis calculation model

圖13 Bishop法分析結(jié)果（自重+地下水）Fig.13 Analysis results of Bishop method（dead weight+groundwater）

圖14 Janbu法分析結(jié)果（自重+地下水）Fig.14 Analysis results of Janbu method（dead weight+groundwater）

圖15 Bishop法分析結(jié)果（自重+地下水+地震）Fig.15 Analysis results of Bishop method（dead weight+groundwater+earthquake）

圖16 Janbu法分析結(jié)果（自重+地下水+地震）Fig.16 Analysis results of Janbu method（dead weight+groundwater+earthquake）

不同工況下的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2 The Calculation results of slope stability

Ⅱ期工程以1 298 m為底標(biāo)高、1 430 m水平為頂標(biāo)高,整個(gè)Ⅱ期充填工程最終形成的充填體邊坡高度為132 m。結(jié)合邊坡的危害等級(jí),最終形成的充填體邊坡工程安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)。非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定邊坡工程安全等級(jí)Ⅱ級(jí)的自重+地下水安全系數(shù)為1.20～1.15,自重+地下水+地震力安全系數(shù)為1.15～1.10。

應(yīng)用二維極限平衡分析可知,根據(jù)表2計(jì)算的不同工況下的安全系數(shù)與規(guī)范規(guī)定的不同載荷組合下總體邊坡的安全系數(shù)對(duì)比,Ⅱ期工程最終形成的充填體邊坡在自重+地下水和自重+地下水+地震力2種工況條件下總體均是穩(wěn)定的。但需注意,在邊坡局部風(fēng)化破碎地段實(shí)際工作中應(yīng)加強(qiáng)位移、應(yīng)力等監(jiān)測(cè),采取金屬網(wǎng)等支護(hù)措施,防止出現(xiàn)垮塌、滑坡等現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

（1）以1 298 m水平（封閉圈）為界,將露天坑治理分為Ⅰ期、Ⅱ期工程。露天坑封閉圈以下體積估算結(jié)果為121.82×104m3,封閉圈以上體積估算結(jié)果為544.91×104m3。

（2）在綜合分析國(guó)內(nèi)外露天坑治理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上同時(shí)結(jié)合礦山實(shí)際情況,最終確定采用全尾砂膠結(jié)充填治理的方式對(duì)廠壩鉛鋅礦存在的露天采坑及塌陷區(qū)進(jìn)行治理。對(duì)配置的充填材料進(jìn)行流變特性、強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)及分析,確定Ⅰ期治理工程充填砂漿濃度為69%、灰砂比1∶20;Ⅱ期治理工程充填砂漿濃度為69%、灰砂比 1∶15。

（3）充填輸送管線具體為沿充填站至東邊坡斜坡道回風(fēng)井公路敷設(shè)2條φ203 mm×10 mm無縫鋼管,至李家溝塌陷區(qū)時(shí),引1條支管線路進(jìn)入李家溝塌陷區(qū),主管路繼續(xù)經(jīng)3#隧道通往露天盆1 430 m平臺(tái)后沿露天邊坡繼續(xù)向下敷設(shè),經(jīng)1 394 m平臺(tái)到達(dá)1 358 m平臺(tái)后,主管末端接聚乙烯增強(qiáng)塑料管以漫灌方式進(jìn)行充填作業(yè)。

（4）通過對(duì)Ⅰ期治理工程數(shù)值分析得到Ⅰ期充填工程形成的膠結(jié)充填體對(duì)井下巷道穩(wěn)定性影響較小。

（5）采用二維極限平衡分析得到Ⅱ期工程最終形成的充填體邊坡在自重+地下水和自重+地下水+地震力2種工況條件下總體均是穩(wěn)定的。