余华寺矿地表尾矿干堆对地下开采的影响研究

李俊超 许梦国 甘仕伟 雒 凯 余 涵

（冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室）

余华寺矿地表尾矿干堆对地下开采的影响研究

李俊超 许梦国 甘仕伟 雒 凯 余 涵

（冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室）

为了研究地表尾矿干堆对井下开采的影响，建立了余华寺矿区三维模型，利用FLAC3D分析软件，对地表尾矿干堆进行了模拟，最终得出地表干堆对井下生产水平的应力和位移几乎没有影响，而对近地表部分影响大。上盘矿岩接触带和矿体走向两端出现了高应力区，需要对此处重视并采取有效措施，以保证矿山正常生产。

尾矿干堆 数值模拟 地压

金山店铁矿是武钢三大地下铁矿山之一，现矿山尾矿处理仍采用传统的湿式尾矿入库堆存方式，随着生产的持续进行，原设计尾矿库逐渐接近库容上限。为了解决目前面临的尾矿处置［1］难题，经过科研论证，金山店铁矿将在余华寺矿区地表露天坑进行尾矿干堆［2］排放。

1 余华寺矿区概况

余华寺矿区区域构造上位于保安复式背斜南翼，金山店侵入体北缘西段，地层主要为三迭系上统蒲圻群紫色砂页岩和中统嘉陵江灰岩，受区域构造的控制呈近东西向分布，矿床赋存于该套地层与燕山期酸性侵入体的不整合接触带。矿床属岩浆期后接触交代矽卡岩型矿床，矿体和围岩界线比较清楚，局部地段呈渐变过渡关系。

I号矿体是余华寺矿床的主要矿体，分布在X～VI勘探线之间，上部矿体呈似层状，下部矿体分散，多分枝。矿体沿走向长360m，平均厚度约40m，最大延深至－450m，总体走向NNE，倾向SWW，倾角55°～60°。矿区生产能力为50万t／a，采用无底柱分段崩落法开采，运输在－340m水平，生产水平主要为－270m水平及以上分层。井下地压问题比较严重。

2 三维模型建立

崩落法开采过程中，上部围岩不断崩塌破坏，介质特性发生改变。数值模拟时，根据研究的对象，假定崩落松散体为连续介质，利用有限元软件ANSYS Workbench可视化平台建立三维模型，利用有限差分软件FLAC3D良好的后处理功能进行研究内容的计算［3-4］。

2.1 矿岩参数选择

根据余华寺矿区工程地质条件及干堆尾矿的实际情况，合理确定计算模型的基本参数［5］，见表1。

2.2 建立模型

本次建模依据余华寺矿区实际情况和无底柱分段崩落法开采工艺［6］的特点，充分考虑地表地形、地质构造、矿体、围岩，结合3个方向尺寸的协调，选取合适的区域，并对其进行一定的简化。选择利用三维有限元ANSYSWorkbench可视化平台界面，建立了余华寺矿区模型，见图1。模型地表＋60 m，仙人山＋190 m，底部－600 m，长1 700 m，宽1 300 m，主要包含上下盘围岩、矿体、移动带、仙人山、露天坑、干堆尾矿等。为了更合理地划分网格单元，需要设置网格类型和尺寸控制，细化矿体、塌陷体、干堆尾矿的网格，特别是开采对象－340 m中段矿体。网格划分统一采用四面体单元类型，围岩尺寸控制在50 m，矿体3 m，移动带16 m，干堆尾矿12 m，整个模型共划分出单元854 704个，节点147 519个。进入ANSYS经典界面，通过ANSYS－FLAC3D接口程序软件，将已经划分网格的三维模型导入FLAC3D中，导入后的模型见图2。

表1 余华寺矿区矿岩体物理力学参数

图1 ANSYS数值模拟模型

图2 FLAC3D数值模拟模型

3 井下开采过程模拟

本研究采用莫尔－库仑弹塑性材料本构模型、干堆尾矿采用弹性材料本构模型，对地表尾矿分步分区干堆模拟计算。

3.1 基本假设

为了保证模型计算收敛，同时反映实际情况，需要做一些基本假设：①围岩简化为上盘角页岩、下盘石英闪长岩，余华寺矿区矿体和围岩的界线比较清楚，局部地段呈渐变过渡关系；②不考虑地下水渗流压力的影响；③移动带塌陷体为松散介质，假设为各向同性连续介质体；④模型上边界为自由边界，下边界为3个方向速度约束，前后边界Y方向速度约束，左右边界X方向速度约束。

3.2 模拟计算过程

尾矿干堆分步分区进行，首先利用现有废弃场地，浓缩尾矿排入仙人山尾矿堆场，而后在露天塌陷坑构建拦挡坝工程堆至＋60.0m标高，最后向西南处剩余塌陷区排尾。计算过程中，首先将干堆场尾矿实体组设置为null，随着井下开采与尾矿干堆的进行，逐步将尾矿干堆改为弹性材料本构模型进行模拟计算。

模型计算分为2种情形，地表未干堆和进行尾矿干堆，其模拟过程：①在给定边界条件下，施加重力，进行－256 m水平开采结束时的地应力场初始化平衡计算；② 根据崩落法的开采特点，进行－270、－284 m分段矿体开采模拟计算；③分别进行2种情形的开采过程模拟，仙人山堆场干堆完成时－298、－312 m分段开采结束；④分别进行2种情形的开采过程模拟，上部露天塌陷区东北部尾矿干堆完成时－326 m分段即－340 m中段开采结束；⑤－340 m中段开采结束后，露天坑剩余部分继续干堆，模拟干堆完成后－340 m水平矿体应力分布。

4 数值模拟结果

FLAC3D中规定，＋表示拉应力，－表示压应力。因此，下文中提到的最大主应力σmax实际是FLAC3D中的最小主应力σmin，取其绝对值。

4.1 应力分布

（1）井下采场应力。按照模拟的过程，井下开采逐分段进行，－256 m分段开采结束时－270 m水平采场的应力分布规律见图3。正常开采至－284 m水平，－298 m水平σmax为11.774 MPa。随着生产水平下降及地表干堆的要求，分别对地表是否进行干堆2种情形模拟计算。地表不进行干堆时，－312 m分段开采结束时－326 m水平σmax为13.638 MPa，出现在北部矿体上盘。－326 m分段开采结束时，－340 m水平σmax为12.802 MPa，高应力区主要分布在上盘。地表干堆时，－312 m分段开采结束时－326 m水平σmax为13.638 MPa，主要为矿体上盘接触带。－326 m分段开采结束时，－340 m水平σmax为13.801 MPa。地表干堆完成时－340 m水平σmax为13.877 MPa，其应力分布情况见图4。

图3 －256 m回采结束时－270 m采场σmax分布

图4 干堆结束时－340 m水平σmax分布

（2）浅部应力。随着井下开采的进行，生产水平不断下降，－340 m中段开采结束时，分别找出2种情形下各个水平的σmax，其变化趋势见图5。

图5 浅部水平最大主应力

4.2 监测点位移

地表尾矿干堆结束后，垂直矿体走向方向Y＝100 m剖面上位移矢量分布见图6。设置3个位移监测点：露天坑上盘监测点、露天坑下盘监测点、－256 m水平采场下盘监测点，3监测点位移变化见图7。

图6 Y＝100 m剖面位移矢量分布图

图7 地表尾矿干堆时井下监测点位移

5 应力及位移分析

5.1 应力分析

（1）未进行干堆时井下应力情况。余华寺矿区井下开采已经下降至－270 m水平，图3为－256 m分段回采结束时－270 m水平的σmax分布情况，从图3中可以看出，北部厚大矿体处和南北厚薄矿体过渡的地方出现了高应力区，这和实际生产过程中遇到的情况是一致的。同时，矿区地质条件差，矿石多为粉矿，接触带处矿岩破碎，节理裂隙发育，并在局部地区伴有充水溶洞的存在，上部部分矿体未采下，这些因素更增加了地压问题的复杂性与严重性。矿山生产过程中应加强地压管理［8］，应注重矿岩破碎区及溶洞存在处的管理，提高高应力区巷道支护质量，合理组织回采作业，保证矿山生产的安全顺利进行。

（2）地表干堆时井下应力情况。地表尾矿分步分区干堆时井下各生产水平σmax整体分布规律没有大的变化。对比正常开采时井下应力分布，仙人山尾矿堆场干堆时对井下没有影响，而塌陷坑干堆时对井下的应力变化影响也很小，应力分布区域没有大的变化。

（3）浅部应力分布。从图5中数据可以看出，0 m水平σmax差值为1.8 MPa，－20 m水平为0.26MPa，－50 m水平为0.05 MPa，从其趋势上看，差别很小，几乎可以忽略。

5.2 位移分析

地表尾矿干堆结束后，上部岩体整体向采场方向移动，矿体正上方的移动方向垂直向下，矿体下盘围岩有向上移动的趋势。采场周边围岩位移最大，向外围岩位移越小，且采场上盘围岩位移比下盘围岩要大得多［9］，地表位移最大处为矿体正上方。露天坑上下盘处于移动带范围内，位移在6 cm以内，－256 m水平下盘的监测点不足1 cm，可见，地表尾矿干堆对井下矿岩的移动影响不大。

6 结 论

金山店铁矿为解决目前生产中面临的尾矿处置难题，决定在余华寺矿区露天塌陷坑进行尾矿干堆。从数值模拟分析的结果看出，地表是否进行尾矿干堆对井下生产水平应力分布并没有很大差别，而在浅部近地表区域，越靠近地表差异越明显，同时对井下矿岩的移动影响也不大。矿山井下生产过程中，高应力区主要集中在矿体上盘矿岩接触带处和南北两端，生产中要注意此区域的巷道掘进支护和回采组织工作，以保证生产的安全顺利。

［1］何哲祥，田守祥，隋利军，等.矿山尾矿排放现状与处置的有效途径［J］.采矿技术，2008（3）：78-80.

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［3］邓红卫，朱和玲，周科平，等.基于FLAC3D数值模拟的前后处理优化研究［J］.矿业研究与开发，2008（2）：60-62.

［4］廖秋林，曾钱帮，刘 彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成［J］.岩石力学与工程学报，2005（6）：1010-1013.

［5］陈清运，蔡嗣经，明世祥，等.地下开采地表变形数值模拟研究［J］.金属矿山，2004（6）：19-21.

［6］解世俊.金属矿地下开采［M］.北京：冶金工业出版社，1986.

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［8］明世祥，于言平.小官庄铁矿采场地压控制方法研究［J］.中国矿业，2004（5）：62-64.

［9］张耀平，曹 平，袁海平，等.复杂采空区稳定性数值模拟分析［J］.采矿与安全工程学报，2010（2）：233-238.

Study on Influence of Surface Dry-tailing Stacking to Underground Mining of Yuhuasi Mine

Li Jun chao Xu Meng guo Gan Shi wei Luo Kai Yu Han
（Key Laboratory of Hubei Province for High-Efficient Use of Metallurgical Mineral Resources and Agglomeration）

In order to find the influence of surface dry-tailing stacking to underground mining，athree-dimensional model for Yuhuasi Mining Area was established，and FLAC3Danalysis software was used to simulate surface dry-tailingstacking.The results show that surface dry-tailing stacking has almost no effect on the stress and displacement of production level but a great impact on near-surface part.More attention on and effective measures for high stress are a in hanging wall contact zone of rock and ore and two ends of ore-body trend need to be taken in this mining area to ensure normal production of themine.

Dry-tailing stacking，Numerical simulation，Ground pressure

2013-08-09）

李俊超（1987—）男，硕士研究生，430081湖北省武汉市青山区和平大道947号。