露天转地下生产矿山露天坑治理稳定性分析

刘允秋 王广文

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000; 3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000;4.中国黄金集团资源有限公司，北京100011)

随着铁矿石不断开采，国内越来越多露天矿转为地下开采，露天转地下生产矿山露天坑尾砂胶结堆排技术，既解决了露天坑回填问题，又解决了尾砂处置问题，是未来国内露天转地下生产矿山治理露天坑发展方向。

河北钢铁石人沟铁矿治理方案，采用尾砂胶结堆排至露天坑，通过实验室试验和工业试验，数值模拟露天采坑稳定性并进行分析，保证堆排尾砂胶结具有一定胶结强度。

1 石人沟铁矿数值模型建立

1.1 露天坑尾砂胶结堆排与下部矿体开采的相互影响

河北钢铁石人沟铁矿露天转地下生产矿山露天坑形成矿山的一期开采，在开采过程中破坏了原岩的应力。露天转地下生产矿山露天坑在尾砂胶结堆排之后，需要达到新的应力平衡，势必整个矿区的岩体应力会重新分布。矿山在尾砂胶结堆排至露天转地下生产矿山露天坑的同时，下部也同时进行着三期工程的开采，矿体的开采，同样会造成矿区岩体的应力重分布。故在这个过程中，应力重新分布，露天转地下生产矿山露天坑和三期的开采是否安全可靠，本次研究主要是用数值模拟的方法对矿区进行稳定性分析。

1.2 建立数值分析模型

石人沟铁矿露天转地下生产矿山露天坑底见图1。根据渗流基本方程及定解条件的分析，使用GeoStudio软件SEEP/W模块进行分析，具体的计算模型如图2。

图1 露天转地下生产矿山露天坑底Fig.1 Open pit bottom of open pit to underground m ine

图2 计算模型剖面Fig.2 Sectional view of computingmodel

2.3 确定计算模型的和数值模拟参数

本次模型计算采用Druck－Prager模型，此模型参数c、ψ易于确定，意义明确，公式简单，而且应力应变关系符合Mohr－Cou1omb准则。

岩体结构应用有限元进行分析时，需要确定基本的岩石力学参数，在本次应用程序中进行材料弹塑性分析需要用到6个参数值:黏聚力c、密度ρ、泊松比μ、弹性模量E、膨胀角ψ(0≤ψ≤φ)以及内摩擦角φ。基本说来，ψ=(0.8～0.9)φ时，能基本反映众出多岩土材料的性质，本次分析中取ψ=0.9φ与之对比，石人沟铁矿数值模拟岩石力学参数见表1。

2.4 载荷与边界条件

由于石人沟铁矿的开采分为3个阶段，第1个阶段是进行一期的露天开采，目前已经开采完毕，二期为露天地下联合开采，也已经开采完成，目前正进行三期的开采，故在本次模拟时要针对矿山的每次开采活动进行相应的模拟，以便能得到较为真实的应力位移场。故在载荷模拟方面分布进行了一期的露天开挖卸荷和二期的地下开挖卸荷，以及在目前状态下，考虑到尾砂胶结堆排以后的应力状态，又对一期露天转地下生产矿山露天坑和二期采空区进行了堆排。以上模型上边界采用地面自由边界，模型底部所有节点取y方向约束、x方向自由;对模型四周边界节点取x方向约束、y方向自由。

3 露天转地下生产矿山露天坑治理稳定性分析

3.1 露天边坡稳定性分析

根据采空区现状，使用GeoStudio软件SLOP/W模块对露天边坡稳定性进行分析，计算出边坡安全系数为1.546，计算结果见图3。目前边坡是安全稳定的，在井下空区充填处理完毕以及尾砂胶结堆排至露天转地下生产矿山露天坑之后，可进一步提高露天边坡的稳定性，由此，在充填井下采空区以后对露天转地下生产矿山露天坑进行尾砂胶结堆排是有益可行的。

图3 露天转地下生产矿山露天坑边坡的稳定性Fig.3 Open pit to underground m ine stability of open pit slope

3.2 露天坑底和下部采场稳定性分析

位移矢量的表示以坐标系为准，即X、Y轴正方向为正，负方向为负。模拟结果见图4～图9。

图4 第一阶段尾砂胶结堆排后的三期开采竖向位移(m)Fig.4 The third phasem ining vertical displacement map after the first phase tailings cemented heaps

图5 第一阶段尾砂胶结堆排后的三期开采最大主应力(kPa)Fig.5 The third phasem ining themaximum principal stressmap after the first phase tailings cemented heaps

图6 第一阶段尾砂胶结堆排后的三期开采XY向剪应力(kPa)Fig.6 The third phasem ining the XY direction shear stressm ap after the first phase tailings cemented heaps

图7 第二阶段尾砂胶结堆排后三期开采的竖向位移(m)Fig.7 The third phasem ining vertical displacement map after the second phase tailings cemented heaps

图8 第二阶段尾砂胶结堆排后三期开采的最大主应力(kPa)Fig.8 The third phasem ining themaximum principal stress map after the second phase tailings cemented heaps

图9 第二阶段尾砂胶结堆排后三期开采XY向的剪应力(kPa)Fig.9 The third phasem ining the XY direction shear stress map after the second phase tailings cemented heaps

(1)本次研究模拟了第一阶段和第二阶段尾砂胶结堆排至露天坑对三期井下开采的影响，从计算的结果来看，对露天才坑第一阶段尾砂胶结堆排以后，堆排体在达到强度要求以后有较小的竖向位移。整体露天转地下生产矿山露天坑以及三期采矿均未出现大的位移，而且尾砂胶结堆排体对露天边坡起到降坡作用，提高了露天转地下生产矿山露天坑的安全系数。

(2)在对露天转地下生产矿山露天坑分步堆排以后，露天转地下生产矿山露天坑胶结堆排体表面竖向位移达到7 mm左右，属于正常的位移范围，同时，二期－60 m中段的采空区充填部分有2～3 mm的位移，说明－60 m中段采空区充填体与围岩形成的整体强度是能够满足上部露天转地下生产矿山露天坑堆排体对下部围岩的要求的。同时在三期开采标高的岩体位移都在1 mm左右，从一定程度上可以说明对三期开采的影响不大，但是由于三期工程开采完之后会暂时形成一定规模的采空区，故在形成采空区与充填这个采空区之间这个时间段内，需要进一步考虑其稳定性。

(3)为进一步探究上部露天转地下生产矿山露天坑胶结堆排体与下部三期工程的开采之间的相互影响关系，本次计算模拟对－180 m水平(离二期采空区充填以及露天转地下生产矿山露天坑胶结堆排体竖向距离最近，之间的相互影响较明显)进行开挖，由于三期开采采用阶段空场嗣后充填法，要求矿方在三期开采过程中，一定要及时充填回采完毕的矿房，这样有助于保持整个围岩体的稳定性。从计算结果我们可以看出，在采空区和露天转地下生产矿山露天坑尾砂堆排完毕之后在三期开采过程中形成的采空区顶板位移最大位移为8 mm，空区底板有一定的底鼓现象，位移为5～6 mm。可见，从位移角度来说，如果对二期采空区的充填达到了充填质量的要求，则上部采坑的充填对下部采矿的影响较小，不会影响到三期采矿的安全生产。同时，我们可以看出在三期工程形成了采空区的时候，上部充填体与围岩形成的整体的位移在3 mm左右，故三期工程的开采对上部露天转地下生产矿山露天坑胶结堆排体没有太大的影响。

综合分析得出，二期采空区的充填一方面保证了露天转地下生产矿山露天坑尾砂堆排体得以稳定实施，另一方面也保证了三期矿体开采的安全。上述分析结果都是建立在充填体达到充填强度的基础之上的，故矿方在充填时一定要保证充填体的充填质量，以免影响矿山整体的稳定性，影响下部的安全生产。

4 露天转地下生产矿山露天坑尾砂胶结堆优势

4.1 经济方面

采用尾砂胶结堆排至露天转地下生产矿山露天坑，一方面可有效解决矿山三期开采可能的安全隐患，另一方面，可有效利用选厂排出的固废物，极大地解决了矿山尾砂无处堆放的问题;按照目前的情况，新建一个尾矿库，均摊到每立方米尾砂的费用大致为15元，而堆排至露天转地下生产矿山露天坑节约了大约15 830.25万元的尾矿库建设费用。

4.2 环境方面

通过尾砂胶结堆排至露天转地下生产矿山露天坑，不仅在经济上节约了建设尾矿库的成本，而且带来了一定的环境效益。尾矿干式堆存在我国属于新生事物。尤其是在大型山谷型尾矿干堆场方面无成功的经验可循。干式堆存既有安全度高、环保、节水的优势。也有运行费用高、堆放随意性大、易造成粉尘污染等缺陷［1］。

通过尾砂胶结堆排至露天转地下生产矿山露天坑，胶结后的尾砂堆排体不会与外界发生太多的交换，可有效避免上述问题，大大降低了对环境的影响;而且在露天坑尾砂胶结堆排结束后，对堆排体上部覆土，进行复垦处理，恢复了原始地貌，美化了环境。

4.3 社会方面

露天转地下生产矿山露天坑尾砂胶结堆排可以改善尾矿堆存的稳定性，大力保护水资源和减少对环境的影响，在环保、安全等方面均存在明显的优势，可以预见，干堆工艺将获得越来越广泛的应用。

露天转地下生产矿山露天坑进行尾砂胶结堆排具有诸多优势，通过岩石力学计算和数值模拟，在保证露天坑稳定性前提下，露天转地下生产矿山露天坑进行尾砂胶结堆排必然会成为我国乃至全世界露天转地下矿山未来的发展方向［2-6］。

5 露天转地下生产矿山露天坑治理安全对策

石人沟铁矿利用露天转地下生产矿山露天坑进行尾砂胶结堆排是可行的，其对井下的三期开采的影响很小，同时井下的三期开采也不会给上部的露天转地下生产矿山露天坑尾砂胶结堆排带来影响。但地下工程存在多种不确定因素，为防患于未然，还需采取以下安全对策:

(1)为确保上部岩体的稳定性以及井下构筑物的安全，矿山在开采过程中一定要按规定留设足够的保安矿柱。

(2)建议矿山加强落实对空区的充填，切实做好充填质量管理，多次多点并及时充填，尽量充分接顶，控制充填体强度应达到设计要求，同时尽快充填三期开采所形成的采空区。

(3)矿山应对三期的采矿方法继续进行试验，优化采场结构参数，减少顶板暴露面积，控制一次爆破装药量，减少爆破震动对上部露天转地下生产矿山露天坑堆排体以及围岩的扰动。

(4)矿山应建立括露天转地下生产矿山露天坑尾砂堆排过程监测，对地表及井下沉降及水平位移进行监测，发现问题及时处理，必要时可撤出井下作业人员。

［1］ 付永祥.大型山谷型尾矿干堆场设计理念与实例［J］.金属矿山，2009(10):4-7.

Fu Yongxiang.Design ideas and examples of large valley type dry tailings stockpiling［J］.Metal Mine，2009(10):4-7.

［2］ LS布热津斯基.浓缩尾矿的露天“干堆”处理［J］.国外金属矿山，2002(6):49-57.

Brzezinski L S.Thickened tailings open pit dry heaps processing［J］.Foreign Metal Mine，2002(6):49-57.

［3］ 张亚先，贺金刚，郭振世.高堆尾矿坝尾矿特性研究［J］.中国钼业，2010(5):4-6.

Zhang Yaxian，He Jingang，Guo Zhenshi.Study on tailings accumulation characteristics of high tailings dam［J］.China Molybdenum Industry，2010(5):4-6.

［4］ 曾宪坤，沈楼燕.关于在我国南方多雨地区实施尾矿干堆技术的探讨［J］.中国矿业，2011(5):90-92.

Zeng Xiankun，Shen Louyan.Discussions on dry-tailing stacking technology in southern rainy area of China［J］.China Mining Magazine，2011(5):90-92.

［5］ 林 心.干堆工艺在尾矿库建设中的应用［J］.南方金属，2010 (4):30-32.

Lin Xin.Application of dry stacking technique to the construction of tailing reservoir［J］.Southern Metals，2010(4):30-32.

［6］ 邢万芳，金英豪，姚 香.黄金尾矿干堆技术若干问题的探讨［J］.有色金属:矿山部分，2008(1):48-49.

XingWanfang，Jin Yinghao，Yao Xiang.Discussion on some issues in dry stack technology of tailings from goldmines［J］.NonferrousMetals:Mine Section，2008(1):48-49.