某矿采空区胶结充填方案研究

2013-04-03王雨波王运敏杨永生

金属矿山 2013年3期

王雨波王运敏汪斌杨永生

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

目前，大量的露天矿即将进入生产末期，随着露天采矿转入地下，在露天采坑下方会形成大量的采空区。对于露天转地下的矿山而言，一方面，大规模采空区群对露天边坡的稳定性造成巨大影响，另一方面，露天采坑边坡的失稳将对地下采矿的安全构成严重的威胁。利用尾砂胶结充填采空区以及上部露天采坑，需要确定合理的胶结充填配合比，力求在稳定的基础上尽量降低经济成本，不但可以消除矿山安全生产隐患，而且可以节约大量建设尾矿库的资源，为企业和社会带来巨大的经济效益和社会效益。

1 工程概况

某矿一期开采为地下开采，开采标高为－6～+75 m;二期工程为露天开采，位于一期采空区正上方，回采标高为+60 m水平以上一期开采剩下的矿柱，二期露天边帮三面环水，东部边帮渗水严重，局部存在滑坡的风险;目前矿山正进行三期工程的开采，开采标高为－6～－165 m，其中－45～－6 m留有39 m的保安矿柱隔离层。矿区紧临水库，水库历史最高水位为134.18 m，工程地质条件复杂。

露天采坑边帮岩石主要为中等风化和弱风化层状白云石英片岩以及层状白云石英片岩，采坑靠西一侧边帮曾出现过一定程度的垮塌，在探讨充填方案之前对露天边坡现状的安全系数进行了验算，结果显示靠西一侧的边坡安全系数在1.05左右，根据经验数据认定该边坡的安全系数不应小于1.15，故该露天边坡存在滑坡的危险。－6～+60 m采空区顶底板围岩主要为块状角砾岩，岩石力学强度较高，稳定性较好。

按国家规定，需对一期采空区进行治理以及复垦露天采坑。目前矿山的三期采矿作业位于采空区群下方，采空区上方有不稳定的露天边帮，治理时需要综合考虑三者之间的相互影响。矿山尾矿库的尾矿堆积已达到设计库容，需要建新尾矿库。

2 全尾砂胶结充填治理方案研究

本次充填方案采用正交试验的方法进行设计，根据设计方案，建立相关的计算模型，对各方案进行稳定性分析，最终根据分析结果优化得出充填治理方案。

2.1 正交试验方案设计

正交试验是处理多因素试验的一种科学的试验方法，它利用正交表合理的安排试验。用这种方法只做较少次数的试验便可判断出较优的条件，若再对试验结果进行简单的统计分析，还可以更全面、更系统地掌握试验结果，做出正确判断。根据全尾砂胶结充填试验报告数据，把充填材料分为12个等级，具体编号见表1。根据各分层应力分布情况以及充填材料的参数，因素水平划分如表2。

表1 不同质量浓度下充填材料等级编号划分

表2 因素水平划分

2.2 试验方案稳定性计算

本次计算利用有限元分析软件，采用Mohr－Coulomb屈服准则的弹塑性本构模型，根据矿区的实际情况建立如下的二维有限元计算分析模型。模型的左右两边界为X方向约束，底部边界为Y向约束。计算模拟了矿山的一期、二期开采以及分层充填过程，在充填的过程中模拟了三期采矿作业，具体计算模型见图1。

图1 计算分析模型

2.3 试验方案及结果

在计算分析模型的基础上，根据矿方提供的岩石强度参数以及全尾砂胶结试块的强度指标，结合矿山实际情况进行强度参数折减，对不同的充填方案进行稳定性计算。

具体的试验方案及其计算结果见表3。

2.4 试验方案综合分析

从表3可以看出，各充填方案对三期采空区顶板竖向位移的影响在合理的岩移范围之内，且各方案的三期采空区顶板竖向位移来看，几乎没有差别，可以认为上部充填对下部的采矿不会造成太大影响。其中坑底与+60 m采空区之间的部位存在着较大的应力集中现象，从各个充填方案的分析结果来看，都在围岩应力承受的范围之内，且各方案的应力集中程度大致相同，变化不大，故在方案选取上不用过多考虑压坏、剪坏等情况;各充填方案存在较大差异是在地表竖向位移上面，根据表3对地表最大竖向位移做极差分析，结果见表4。

表3 试验方案及结果

表4 地表竖向最大位移极差 mm

从表4可以看出，影响地表位移的因素中，+95～+120 m水平的充填情况对结果影响最大，其次应注意到+60 m采空区的充填情况对地表位移的影响，之后是+60～+75 m水平的充填情况造成的影响。从现场实际情况来看，开挖露天底部时切割了多处采空区，采坑底部稳定性情况欠佳，也是露天边坡存在失稳风险的主要因素之一。

矿方提供的稳定性分析成果显示，露天采坑边帮竖向位移不得大于15 mm。因此部分方案不能满足稳定性要求。本文在稳定性分析成果的基础上又根据各充填分层体量大小以及各充填配合比下的充填单价计算出各充填方案的充填总费用。详见表3。

由上述分析可以看出，方案18是本次充填试验中的最优方案，该方案在满足稳定性的基础上经济成本最优。具体的充填配比和浓度见表5。