尾矿库下压覆矿体开采对尾矿库及坝体影响分析

蒋京名 郭家能 王 志

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014）

为实现尾矿库下压覆矿体的安全开采，需要留设防水隔离层，以确保尾矿库水体、建构筑物和周边环境不受破坏，首先要在尾矿库底和回采的最高水平之间留下一定厚度的安全隔离层，在回采过程中应防止防水隔离层遭到破坏，导致尾矿库水渗入井下。防水隔离层的厚度取决于矿体及周边围岩的岩性、结构、透水性能等因素，其最小厚度应等于矿体导水裂隙带的最大高度加上一定厚度的保护层，并考虑基岩风化含水层带深度［1-4］。

基于此，本研究以某矿区地质报告及尾矿库现状条件为工程背景，通过现场调查和问题分析，研究尾矿库下压覆矿体在地下开采过程中产生的岩层移动和变形对尾矿库及坝体的影响，采用理论分析及Midas GTS NX计算机数值模拟计算方法，确定了安全保护岩柱范围和合理的岩层移动角，并为下一步进行地下开采提出了相应的安全对策措施，为尾矿库下赋存矿体的开采提供依据。

1 矿山工程概述

1.1 地层

矿区内出露的地层较为简单，自老至新有元古界震旦系下震旦统和新生界第四系地层。矿区内褶皱构造不发育，南部出露白垩系火山岩地层属于悦洋银矿构造洼地盖层，倾向南西，倾角20°～35°，属单斜地层。矿区发育北东向断裂构造（F1、F2），其中F1属区域断裂构造F1-1的一部分，F2规模相对较小。除断裂构造外，区内还发育北西、北东、近南北向节理裂隙构造。

1.2 水文地质

矿区东侧毗邻某电站库区，南侧已建有设计标高为273.00 m尾矿坝。矿区范围内无地表水出露，仅在矿区北部尾矿库排洪沟及外围西南侧有溪沟出露。矿床为裂隙含水层充水矿床，矿区内大部分矿体位于当地侵蚀基准面以下，花岗岩裂隙含水层为矿床的直接充水含水层，含水层富水程度弱且不均匀，通过F2断裂构造及裂隙等导水充水，接受大气降水、侧向构造裂隙含水层的补给，但补给源较远，附近地表水不构成矿床的主要充水因素，地下水季节性动态变化幅度较大。综合判断，矿区为水文地质条件属中等的矿床。

1.3 工程地质

矿区矿体及其顶底板围岩主要为中细粒花岗岩、细粒花岗岩，少量隐爆角砾岩等。岩石普遍硅化，完整性较好，为坚硬—半坚硬岩组，抗压强度中等，稳固性较好。矿区节理裂隙较发育，但对矿体及其顶板的完整性和稳定性影响不大，仅在局部地段易产生工程地质问题。部分埋藏较浅的矿体或顶板距碎裂岩体较近的矿体，受构造裂隙、地下水、构造软弱夹层等影响，易产生崩落、垮塌或滑移，工程地质条件较差。矿区内工程地质条件属中等。

2 尾矿库下开采对尾矿库及坝体的安全影响

“三带”是指地下岩体在开挖以后，原先承受的地应力转移到围岩中并使其所受的应力发生重新分布，在一定范围内的围岩则产生移动和变形等现象。采场开釆后覆岩会受到不同程度的破坏，如垮落、断裂、离层、弯曲等，并且从宏观方面自下而上表现出明显的“分带”现象。尾矿库下开采矿体对尾矿库的影响，最重要的是研究地下开采后“三带”的破坏高度，尤其是导水裂隙带的发育高度，以防止因开采产生的导水裂隙带贯通地表尾矿库，形成导水通道将尾矿库尾矿泥浆导入地下开采采场从而导致事故发生［5-6］。

2.1 水体下安全开采上覆隔离层厚度确定

尾矿库下开采安全性和防水隔离层厚度呈现正比关系，防水隔离层厚度越大，开采越安全，但损失的矿石量也越多，防水隔离层厚度的确定必须根据地质条件和矿床开采技术特征确定［7-8］。防水隔离层留设的目的是作为采场和上覆水体之间的屏障，除了采场导水裂隙带高度是确定防水隔离层矿岩柱尺寸的重要参数以外，防水隔离层矿岩柱的隔水性能也是必须考虑的因素。所以，防水隔离层矿岩柱高度要具备一定的安全系数，即富余一定的厚度，也就是保护层的厚度。保护层是导水裂隙带与上覆水体之间起隔水作用的各种岩层和矿层，必须具备适当的厚度和弱透水性的性质。保护层的功能在于：一是阻断上覆水体与导水裂隙带相互贯通；二是弥补因为勘探程度限制而产生的矿体厚度和含水层底界面标高等误差造成的防水矿岩柱偏小的缺陷，从而提高防水隔离层的可靠度。

由于尾矿库下的基岩长期处在上覆尾矿泥浆的作用下，可以推断风化带亦含水，因此当留设防水岩柱时应当考虑基岩风化含水层带深度。为了防止导水裂缝带波及尾矿库水体，防水安全岩柱的垂高（Hs）应当大于或者等于导水裂缝带的最大高度（Hli）加上保护层厚度（Hb）并考虑风化基岩含水层带深度（Hf），此时，防水隔离层的总厚度计算公式为

其中导水裂隙带高度按照表1及表2计算。

细粒、中细粒花岗岩属坚硬岩组，岩体分级为Ⅱ级；英安岩属半坚硬岩组，岩体分级为Ⅳ级。

保护层厚度按表3计算：根据矿区勘探报告提供的尾矿库下地质剖面图围岩情况，覆岩岩性为松散层底部无粘土层，保护层厚度为Hb=7A=7×5.86=41.02 m。

防水隔离层的总厚度还需要考虑风化基岩含水层带深度，根据矿区钻孔资料，风化基岩含水层带深度为10～14 m，为保证安全性取大值14 m。综上所述，防水隔离层的总厚度：

Hs≥Hli+Hb+Hf≥80.26+41.02+14=135.28 m.

2.2 采场结构数值模拟分析

相比传统理论分析，数值模拟分析具有分析准确、计算速度快、结果生动形象的特点，且矿山问题涉及影响因素多，不经简化很难用传统理论分析解决。针对尾矿库下开采安全研究，采用Midas GTS NX数值模拟计算软件进行分析。Midas GTS NX数值模拟计算软件具有建模前处理能力强，计算准确，后期结果可视性强的特点，已广泛应用于矿山岩石力学问题的研究中。首先采用Hoek-Brown破坏准则和相关岩体分级的方法，得到矿区岩体岩石力学参数如表4所示。

根据矿区勘探报告地质剖面图，选择具有代表性的剖面线3A（此剖面线可见尾矿库下赋存矿体且剖面线经过尾矿库区中心位置）进行模拟分析。通过数值模拟分析应力分布情况及其塑性区发育情况以验证理论计算得到的135.28 m保护矿柱的厚度是否可行；以及选取开采方法，即采取充填开采的必要性。

根据上述参数建立二维平面应变模型如图1，并使用摩尔—库伦准则作为岩体的破坏准则。模型底部采用竖直方向位移约束，两侧施加相应方向的位移约束，顶部为原始地形。模型尺寸为1 200 m×600 m，共包含节点26 519个，单元26 325个。数值模拟过程分为2个步骤：①模型初始平衡；②矿体开挖后的稳定性及其对尾矿库的影响分析。本次数值分析中开采矿体为保留135.28 m岩柱开采矿柱下矿体。对3A剖面矿体的开采分2种情形进行分析：①矿体开采后不进行充填；②采用充填法对矿体进行开采。

矿体开采后不进行充填，根据垂直应力分布云图2，垂直应力在矿体端部发生应力集中，最大垂直应力为27.4 MPa，应力集中系数为4.8，同时开挖矿体的顶底板出现垂直应力降低区，这是由于开挖引起顶底板应力转移到采场两端造成的。由最大水平应力分布云图3可知，最大水平拉应力为4.6 MPa，出现在采场顶部，同时结合最大位移分布云图4可知，顶板最大下沉>1.0 m，说明该处已出现拉断裂破坏导致顶板冒顶。通过围岩破坏形式分布云图5可见，开采矿体的上方形成塑性破坏区，破坏范围大，矿体顶部破坏区和矿体端部破坏区相互连通。可以推知导水裂隙带（包含冒落带和裂隙发育带）已发育到尾矿库底，形成导入通道，对开采安全造成极大影响，采用不充填空区的采矿方法无法对矿体进行开采。

再采用充填法对3A剖面线矿体开采进行安全影响分析。模拟方案中矿体采用充填开采，根据垂直应力分布云图6，垂直应力在矿体端部发生应力集中，最大垂直应力为26.8 MPa，应力集中系数为4.7，同时开挖矿体的顶底板出现垂直应力降低区，这是由于开挖引起顶底板应力转移到采场两端造成的。由最大水平应力分布云图7可知，最大水平拉应力为1.2 MPa，出现在采场顶部。同时结合最大位移分布云图8可知，顶板最大下沉0.34 m。当顶板下沉0.34 m，开采水平跨度为400 m时，矿体左右端部往中间顶板下沉量逐渐增大，增加缓和，增长速率为1.44 mm/m，见图9。

通过围岩破坏形式分布云图10可见，开采矿体的上方并未发生连续破坏形成连续塑性破坏区。塑性破坏主要发生在矿体左上、右上肩部位置，因矿体开采跨度较大，矿体采用充填开采后仍有一定整体下沉，矿体左上、右上围岩出现剪应力集中现象而出现塑性破坏。塑性破坏距离尾矿底部距离为25～40 m，存在较为安全的安全保护层。考虑到3A剖面相邻其他剖面矿体逐渐变薄甚至尖灭，3A剖面矿体开采从应力、变形、塑性破坏发育等角度均处于较为安全的状态，认为保留135.28 m防水岩柱开采尾矿库下开采是安全可行的。采用充填采矿法后，矿体开采从应力、变形、塑性破坏发育等角度均处于较为安全的状态。

2.3 开采对尾矿坝安全影响研究

在地下开采过程中，地表建构筑物的损害是地下采场开挖后引起上覆岩层移动，导致地表发生变形，然后将地表变形传递给建构筑物基础，从而使建构筑物随之产生相应的变形，若建构筑物的变形值超过其允许变形值，建筑物将受到破坏［9-10］。根据相关规程规范，按照建筑物的重要性、用途以及受开采影响引起的不同后果，将矿区范围内的建构筑物保护等级分为五类，其中库（河）坝属于II级。

建构筑物受保护范围应包含受保护对象及其围护带。围护带宽必须根据受保护对象的保护等级确定，根据相关规定，围护带宽度取15 m，受保护对象边界按照其基础的外边缘为界。岩层移动角按下列变形值确定：水平变形ε=+2 mm/m，倾斜变形i=±3mm/m，曲率K=+0.2×10-3/m。通过数值模拟方式给出合理岩层移动边界角，如图11～图13。

随着矿体往深部开采，地表发生错动的范围会随之增大，根据矿区开采初步设计规划，最低开采水平为-15 m水平，因此本次数值模拟通过模拟-15 m矿体开采后地表的变形情况来分析开采移动角选择的合理性和矿山地下开采对尾矿坝坝体的影响。通过数值模拟得到研究范围内（岩层移动角65°～80°）水平位移为40 mm左右，垂直位移为30～55 mm，变形均较小。对数值模拟的数据进行处理后，得到水平变形ε、倾斜变形i、曲率K，如图14～图16。

设计开采矿体上地表中间高两边低，呈拱形，具有较好受力结构。地下矿体开采后，水平变形ε=0.02～0.06mm/m，倾斜变形i=0.35～0.50mm/m，曲率K=0.003～0.013×10-3/m。可见，矿山深部开采对尾矿库、地表影响较小，在研究范围内（岩层移动角65°～80°），水平变形ε≤2mm/m，倾斜变形i≤±3mm/m，曲率K≤+0.2×10-3/m，不会出现明显的地表错动。但考虑到近地表开采时，地表仍然会受到开采发生错动，因此本次研究结合部分围岩条件相似矿山岩层移动角实测值，推荐岩层移动角取较大值70°，围岩条件较好地段，端部矿体可取75°，接近尾矿库坝体岩层移动角取70°。

3 结 论

通过上述分析，采用理论及计算机数值模拟计算，研究尾矿库下压覆矿体地下开采过程产生的岩层移动和变形对尾矿库及尾矿坝体的影响，得出以下结论：

（1）防水安全岩柱的垂高应当大于或者等于导水裂缝带的最大高度加上保护层厚度，并考虑风化基岩含水层带深度，最终计算得出防水安全岩柱的总厚度应大于135.28 m。

（2）研究结合部分围岩条件相似矿山岩层移动角实测值，推荐岩层移动角取较大值70°，在围岩条件较好地段，端部矿体可取75°，接近尾矿库坝体岩层移动角取70°。

（3）采用非充填采矿方法开采尾矿库下附近矿体是不安全的，导水裂隙带（包含冒落带和裂隙发育带）已发育到尾矿库底，形成导入通道，对开采安全造成极大影响。因此，针对本矿区尾矿库下压覆矿体开采，选择的采矿方法为充填采矿法。

（4）尾矿库下压覆矿体开采应采取的安全措施：①保证充填体的强度达到设计要求，且采场底部及接顶充填28 d的强度值为2.0 MPa，采场中部充填体28 d的强度值为0.5 MPa；②严格按照设计充填流程进行充填，尽量减少顶板岩石暴露时间，并保证充填接顶质量；③采场开采需执行“有疑必探、先探后掘、先探后采”的原则，制定详细的探水措施及其应对策略；④对于尾矿库泄洪洞、排水水管等水工构筑物进行结构补强，包括裂缝填充补强、渗漏区域注浆堵漏、杂物清理，保证各种管、洞净断面尺寸；⑤加强对坝体沉降变形和浸润曲线观测，增设坝体排渗系统，降低坝体浸润线，保证坝体稳定性。