露天转地下崩落法采矿覆盖层渗流量影响因素分析
2013-08-25吴永强孙艳秋
吴永强 孙艳秋
(河北钢铁集团滦县常峪铁矿有限公司)
露天转地下采用崩落法采矿的矿山,需要在露天坑底回填合理级配结构的覆盖层,以起到较好的滞水作用及满足防冲击地压等要求。由于露天坑极易积水,且积水很容易透过覆盖层渗入井下,因此,研究露天坑覆盖层渗流量的影响因素,可有效控制覆盖层的渗流量,对井下防排水及安全工作有重要意义。司家营铁矿Ⅲ采场为露天转地下开采矿山,在选择了合理结构的回填料之后,首先对矿区降雨进行分析与计算,然后采用离散单元法建立数值分析模型对覆盖层的结构参数进行模拟分析,深入研究覆盖层渗流量与各影响因素之间的关系,以期能有效地控制Ⅲ采场覆盖层的渗流量,保证井下采矿安全。
覆盖层的渗流是井下系统排水设计必须考虑的一部分,前期通过对司家营铁矿Ⅲ采场露天坑覆盖层的渗流影响因素进行分析与研究,并利用研究结论指导露天坑覆盖层的施工,实现了露天转地下开采覆盖层的有效形成,最大限度地减小了覆盖层的渗流量,有效地控制了井下放矿时泥石流灾害的发生,保证了井下采矿安全。根据研究成果,司家营铁矿制定了露天采坑的回填设计规划,并结合露天采场剥岩同步进行。矿坑回填采取二层分步回填以形成地采上部覆盖岩层,下层废石粒径为100~150 mm,从Ⅲ采矿场+42 m水平临近山包地段进行剥离取料,设计回填标高为-10~-48 m,废石非均匀度小于0.436;上层废石粒径为10~80 mm,从Ⅲ采矿场+30 m水平强风化岩石地段取料,设计回填标高为+15~-10 m,废石非均匀度小于0.369。实践表明,按以上参数施工形成的覆盖层渗流量小,满足井下安全生产要求。
1 矿区暴雨强度计算
在搜集了司家营矿区近25年来记录的各时段的最大降雨量后,根据记录数据,经非线性回归得到矿区暴雨强度计算式为
式中,q为暴雨强度,10-4L/(s·m2);T为重现期,a;t为降雨历时,min。
图1为暴雨强度非线性回归曲面。
图1 司家营矿区暴雨强度非线性回归曲面
2 露天坑汇水面积
根据Ⅲ采场露天采坑的高程,可以圈定采坑的汇水区范围,将此汇水区范围导入AutoCAD中可以确定露天坑南北长度约2 010 m,宽度约81 m,汇水区面积约为162 039 m2。
3 露天坑最大渗流量计算
根据式(1),对时间和汇水面积积分,就可以获得汇水面积内单位时间内的降雨量式。
考虑到24 h的降雨量以及司家营铁矿Ⅲ采场露天坑的汇水面积,通过积分后得到Ⅲ采场露天坑24 h内最大降雨量的计算式为
式中,Qmax为24 h最大降雨量,m3。
Ⅲ采场露天坑渗流量取决于覆盖层的渗透性。根据现场试坑渗水试验得到覆盖层入渗系数[1],从而可以确定露天坑渗流量为
式中,k为覆盖层入渗系数,m/d;h为覆盖层厚度,m。
4 露天坑覆盖层渗流量数值分析
4.1 覆盖层渗流性模拟实验
选取覆盖平均颗粒直径d、土石层的孔隙率n、覆盖层的厚度h、水头压力p的3个水平,运用正交试验法得出9种组合[2],见表1。
表1 正交试验组合
4.2 数值模型与固流耦合分析
为了预测露天坑覆盖层渗流量,采用离散单元法建立数值分析模拟进行模拟及预测,分别对覆盖层15、20、25 m 3 种厚度及 0.15、0.25、0.35 m 3 种平均粒径进行渗流量模拟[3]。图2为进行数值模拟的计算模型。
图2 渗透模拟计算模型
为了模拟固流耦合效应,在模拟计算前必须进行固流耦合域的确定。图3为渗流模型固流耦合域。
图3 渗流模型固流耦合域
4.3 覆盖层的渗流量计算分析
由渗流模型固流耦合域中的流量与压力间的关系,首先计算出1~9号试验组合渗流平均压力差值为 468.59,211.36、161.71、249.49、493.92、159.39、182.56、595.3、135.98 MPa,然后经换算得出域单位表观体积渗流量的大小,其计算式为
式中,Vd为域的表观体积;ΔPp为模型底部渗透压力差;Kf为体积模量;Δt为时间步长。
渗透模拟计算模型底部尺寸为60 m。取Kf=1.0 ×106kPa,Δt=1.0 ×10-2s。将1~9号试验组合渗流平均压力差值代人式(4),1~9号试验组合渗流量计算结果如下:Q1=0.281,Q2=0.127,Q3=0.097,Q4=0.150,Q5=0.296,Q6=0.095 6,Q7=0.110,Q8=0.357,Q9=0.081 6 。
根据已经得出的计算数据,利用数据分析软件DSP对渗流量Q及所确定的4个相关的因素d、n、h、p分别采用线性逐步回归法和二次逐步回归法进行回归分析,回归结果如下:
(1)线性回归,
(2)二次逐步回归,
5 结论
(1)矿区降雨强度、露天坑汇水面积与露天坑覆盖层的渗流量成正比。
(2)覆盖层孔隙率与露天坑覆盖层的渗流量成正比,应尽量压密土石混合体,降低孔隙率,控制渗流量。
(3)组成覆盖层的颗粒粒径与露天坑覆盖层的渗流量成正比,应降低颗粒平均粒径,减少渗流量。
(4)覆盖层厚度越大,露天坑覆盖层的渗流量渗流量越小,应尽可能增加覆盖层的厚度。
[1] 徐 扬,高 谦,李 欣,等.土石混合体渗透性现场试坑试验研究[J].岩土力学,2009(3):855-858.
[2] 杨晓炳,高 谦,王连庆.散体颗粒流动数值方法在放矿工程中的应用[J].金属矿山,2010(5):1-4.
[3] 魏随利,王国强,郝万军,等.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2010.