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露天采空区改建尾矿库的可行性研究 3 施建俊 1, 2 ,孟海利 1, 2 ,甘德清 3 1. 北京科技大学, 北京 100083; 2.北京矿冶研究总院, 北京 100044; 3.河北理工大学, 河北 唐山市 063009 摘 要针对我国露天转地下开采矿山尾矿排弃量大、 库容 积不足,新建尾矿库征地困难的现状,提出了露天转地下矿 山利用露天采空区排放尾矿的技术方案。并以程家沟铁矿 为例,运用ANSYS有限元分析软件,对该矿露天采空区南区 排放尾矿和北区地下采矿的情况进行了数值模拟,分析了开 挖过程中采场、 隔离层和尾矿库边坡的应力、 应变情况,并制 定了相应的防渗措施。结果表明,该矿利用露天采空区排放 尾矿是切实可行的,能够保证矿山的安全生产,其研究成果 对减少尾矿库占地,节省尾矿库的建设投资和维护费用,降 低由于尾矿带来的环境污染具有现实的指导意义。 关键词露天采空区;尾矿库;防渗措施;库区稳定性;数值 模拟 中图分类号 TD926. 4, TD327 文献标识码A 文章编号 1005 - 27632005 04 - 0030 - 05 Study on the Feasibility of Trans ing Open M ined - out Area into Ta ilings Reservoir Shi Jianjun1 ,2, M eng Haili1,2, Gan Deqing3 1. University of Science and TechnologyBeijing, Beijing, 100083, China; 2. Beijing General Research Institute of Mining andMetallurgy, Beijing 100044, China; 3. Hebei University of Technology, Tangshan, Hebei 063009, China Abstract In view of the discharge quantity of tailings is great, the capacity of tailings reservoir is insufficient and land acquisi2 tion is difficult for building new tailings reservoir in the mine of transition from open pit to underground in China, the technical project of using open mined area for discharging tailings is brought forward.The authors adopt finite element analysis soft2 ware - ANSYS to simulate the tailings discharge into the south of open mined - out area while underground mining is made in the north area in Chengjiagou IronMine, analyze the stress and strain of stope, isolation layer and rock slope of tailings reservoir during mining ore, and suggest appropriate precautions against leakage.The result indicates that it is practical to use the open mined - out area for discharging tailings and can ensure safe in production of the mine.The results of the study are of practical guidance significance for reducing the land used for tailings res2 ervoir, saving construction investment and maintenance cost of tailings reservoir and decreasing environmental pollution caused by tailings . KeyW ordsOpen mined - out area, Tailings reservoir, Leak2 age protection measures, Stability of reservoir area, Numerical simulation 目前,国内露天转地下开采的大部分铁矿山都 面临尾矿库容积不足、 新建尾矿库征地困难两大难 题。这导致有些矿山为扩大库容而加大坝体高度, 带来安全隐患;有些矿山随意排放尾矿,造成河流淤 积,环境污染严重。而废弃的露天采空区,由于和地 下采场的空间位置关系,出于安全角度目前还没有 得到开发利用。 本文针对地方小矿山矿脉较薄、 矿体延深不大、 露天采矿场空间尺寸较小的特点,提出露天转地下 矿山利用露天采空区排放尾矿的技术方案,旨在探 索废弃露天采空区的开发利用途径。利用露天采空 区作尾矿库不仅可以减少尾矿库占地,节省尾矿库 的建设投资和维护费用,降低由于尾矿带来的环境 污染,同时又回填了露天采空区,为土地复垦创造了 条件,对目前矿山的发展具有现实意义。 1 工程地质概况 程家沟铁矿位于遵化市境内,是一座年产20万 t矿石的小型矿山,属鞍山式沉积变质铁矿床。大 地构造位置位于华北地台燕山台褶带马兰峪复背斜 轴部南端。矿区出露地层为太古界迁西群三屯营 组。主要岩石类型为辉石斜长片麻岩、 辉石麻粒岩 和磁铁石英岩。矿床围岩主要是辉石斜长片麻岩。 其浅部岩石抗压强度为19. 72～30. 32 MPa,深部岩 石抗压强度为106. 6～115. 6 MPa,抗剪强度内聚力 ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215/TD 矿业研究与开发 第25卷 第4期 M I N I NG R 2两侧的边坡稳定条件基本良好; 3对地下开采影响最小; 4使地下开采矿量损失最小。 根据以上原则,选择了距露天坑最南端128 m 处建立堤坝见图1 ,南区作为尾矿库,北区继续进 行地下开采。由于北部矿体开采完毕后,仍然要开 采南部矿体,因此,必须对露天坑采取必要的防渗措 施。 图1 工程示意 2 有限元模型建立及模拟结果分析 2. 1 建立三维有限元模型 本研究根据程家沟铁矿矿体的赋存特点,沿垂 直矿体走向取120 m,沿矿体走向取300 m,沿铅垂 方向取300 m,建立三维实体模型见图 2 。 运用ANSYS有限元分析软件,对程家沟铁矿采 矿场进行了数值模拟。模拟时采用SOL I D95四面 体等参数单元,对模型进行了网格剖分,共划分 21462个单元, 31327个结点。其中开采范围内的矿 体及围岩网格划分比较密集,其它部分较稀疏。因 研究区域范围不大,可认为试验矿区处于均匀分布 的应力场中,构造应力忽略不计。在模型上均施加 随深度线性增加的重力原岩应力,矿岩均可视为各 向同性的弹塑性连续介质,屈服准则采用Drucker Pager准则。 图2 有限元模型 2. 2地下采场稳定性数值模拟分析 根据程家沟铁矿生产实际,设计采用从矿体两 端向中央回采的方式开采地下两个中段的矿体,每 次采两个矿块。通过分析回采过程中的最大主应力 见图3和图4,因篇幅有限,最小主应力图省略和 最小主应力,得出露天采空区排废和地下同时回采 条件下,地下采场的应力分布具有以下特征 1开挖后,采场周围矿岩应力重新分布,第一 中段回采结束后,最大主应力在上盘围岩和矿房隅 角处有较高的应力集中,而在下盘围岩应力集中不 太明显;最小主应力在上盘围岩和下盘围岩都出现 应力集中,且下盘围岩的应力集中情况比上盘围岩 明显; 2随着采深的增加,采动扰动范围增大,最大 主应力值也有所增大,上盘围岩的应力集中情况有 所缓和,而下盘围岩应力集中有增加的趋势,说明在 开采过程中,应力重新分布,使下盘岩体起到更大的 支撑作用,这样上下盘围岩一起作用承受采场的外 来荷载,有利于采场的稳定; 3随着采深的增加,最小主应力值也有所增 大,但在上下盘围岩均有缓和的趋势,有利于采场的 稳定; 4在开采过程中,采场围岩中存在着拉应力, 但数值不大,小于岩石的极限抗拉强度。 13 施建俊,等 露天采空区改建尾矿库的可行性研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 第一中段结束σ1等值线图 图4 第二中段结束σ1等值线 2. 3 库区稳定性数值模拟分析 1尾矿不同回填高度隔离层受力分析。尾矿 向露天采空区的排放是一个动态过程,随着尾矿量 排放的不断增多,隔离层所受尾矿荷载不断增大。 为分析尾矿排放过程中隔离层的受力变化情况,选 取了不同的回填高度进行数值模拟计算。以5 m为 一个回填高度,进行了4次计算,最后又对设计的回 填极限高度40 m进行了计算。选取2 矿房的顶板 中央单元6715 单元为关键单元 ,通过分析其在尾 矿回填过程中的受力变化来研究隔离层的受力情 况。不同回填高度6715 单元的 Z方向应力σz变化 情况见图5。从图中可以看出,随着尾矿回填高度 的增加,隔离层Z方向的应力 σz也随之增大,二者 呈近线性关系。σz的变化范围为3. 45～3. 82 MPa 之间,均小于矿岩的抗压强度。同时还可看出,图中 直线的斜率较小,说明随着尾矿排放高度的不断增 加,σz的变化率不大。这也反映了露天坑底与地下 采空区不在一个垂直面上,尾矿的荷载对地下采场 顶板的压应力影响并不明显。 图5 不同回填高度隔离层垂直方向应力σz 此外,由于在地下开采过程中采场顶板存在着 拉应力和剪应力,而拉伸破坏和剪切破坏是采场失 稳的主要方式,因此必须考虑在尾矿回填过程中拉 应力和剪应力的变化情况。从表1中可以看出,随 着尾矿回填高度的增加,顶板中的拉应力和 σz一样 呈线性增加的趋势,但变化的幅度不大,尾矿回填到 40 m时,只比不回填尾矿时的值增大了0. 3 MPa左 右,说明尾矿回填露天采空区对顶板中的拉应力影 响不大。顶板中存在拉应力,虽然只有0. 6 MPa左 右,但在采矿作业中一定要对顶板的管理引起足够 的重视,因为岩石的抗拉强度是最弱的,且顶板的破 坏主要是由拉应力造成的。 图6 边坡剪应力τ xz曲线图 剪应力中,τxz对顶板稳定性起着主要的作用, 随着尾矿回填高度的增加,τxz也呈递增的趋势,其 变化幅度与σz相比更为不明显,尾矿每增加 5 m,τxz 的增量为0. 01 MPa左右,其值稳定在0. 45～0. 50 MPa之间,小于矿岩的抗剪强度。 τxy的变化与 τxz的 变化基本类似,数值上大于 τxz,但是其最大值也仅 为0. 64 MPa,同样小于矿岩的抗剪强度。τyz随着尾 矿回填到10 m时,出现了一个较大的突变,其值由 0. 55MPa突增到2. 08MPa,尽管小于矿岩的抗剪强 23 矿 业 研 究 与 开 发 2005, 254 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 度,也说明尾矿的回填对 τyz的影响比较大,因此在 采矿作业中应加以重视。 表1 不同回填高度顶板拉应力和剪应力变化 尾矿回填 高度m 拉应力 MPa 剪应力MPa τxyτyzτxz 00. 613140. 264750. 553960. 45753 50. 616830. 266730. 555230. 46382 100. 620560. 268832. 08550. 47006 150. 624390. 270822. 11200. 47626 200. 634080. 272942. 13840. 48243 400. 644590. 281132. 24280. 50690 2尾矿回填过程中矿柱受力分析。矿柱对限 定采场顶板暴露面积,维护采场稳定性起着主导作 用,在空场采矿法中,顶板和上覆岩体的重量主要是 由矿柱来承担。因此,分析采场稳定性时必须考虑 矿柱的稳定性。选取2 矿柱中部的 640 单元进行 分析,以便考察矿柱在尾矿回填过程中的应力变化 见表 2 。 表2 不同回填高度矿柱各应力变化 回填高度 m 垂直应力 σzMPa 剪应力 τxyMPa 剪应力 τyzMPa 剪应力 τxzMPa 08. 02130. 403250. 930260. 56021 58. 14110. 409390. 940750. 57065 108. 15830. 407082. 12803. 2515 1512. 6740. 404792. 12033. 2483 2012. 7000. 402532. 11273. 2585 4012. 8030. 393662. 08263. 2723 从表2可以看出,随着尾矿回填高度的增加,垂 直应力σz也随之增大,且数值上为顶板中的垂直方 向应力的3倍左右,这充分说明矿柱在开采过程中 承受了较大的载荷。顶板中应力向两侧矿柱转移, 在顶板中形成应力降低区,而在矿柱和矿房的隅角 处形成应力集中,从而形成应力拱。σz在尾矿回填 到15 m时有一个突变值,增加了4. 5 MPa,从8. 15 MPa增加到12. 67 MPa,然后又基本趋于稳定,说明 尾矿的回填对矿柱的压应力有明显影响,但从数值 上来看,当尾矿回填到40 m时,σz为12. 803 MPa, 其值仍远远小于矿岩的抗压强度,因而认为矿柱是 较稳定的。 生产实践中的矿柱破坏形式,主要受压缩引起 的脆性剪切破坏,观察表2中的各种剪应力变化情 况可知,随着尾矿的回填,τxy在数值上呈波动状态, 基本稳定在0. 40 MPa左右,说明 τxy受尾矿回填的 影响较小;而τyz和τxz在数值上有一个突变值,随后 又稳定下来,说明 τyz和 τxz受尾矿回填的影响较大, 从数值上看,这两个剪应力也不大,最大值为3. 27 MPa,对矿柱的稳定性构不成太大的影响。 3库区边坡稳定性分析。边坡工程岩体是结 构面与结构体的组合体,其抗拉强度与抗剪强度均 较低。因此,为了保证库区的稳定性,必须对边坡稳 定性进行分析。在分析时着重研究了边坡的剪切破 坏,根据剪切破坏准则|τs| |τf|进行判断。 式中, τ s为无弱面或任一方向的实际剪应力,τf为弱面或 岩体的抗剪强度。 边坡底部的剪应力分布如图6所 示。 由图中曲线可知,剪应力 τxz的数值随着深度的 增加而增加,作用在垂直于Z轴的面上而沿着X轴 的方向。其变化幅度在浅部随深度的增加变化趋势 较为缓和,而到了深部,则随着深度的增加变化趋势 较为剧烈,最大值在边坡底部,约为0. 357 MPa,根 据剪切破坏准则,其值远小于矿岩的抗剪强度,故认 为边坡是稳定的。同时由剪应力的变化规律可知, 随着地下开采深度的不断增加,一定要注意剪应力 的变化,防止矿柱的剪切破坏。 3 露天采空区的防渗措施 程家沟铁矿露天采空区排放尾矿后,由于矿山 以后还要进行地下开采,地下采场与尾矿之间由隔 离层隔开。经过多年的露天开采,隔离层的岩石结 构已遭到破坏,节理裂隙增加,若尾矿穿过这些节理 裂隙流入地下采场,将使矿石贫化增大,甚至产生地 下泥石流,淹没巷道,使生产无法进行,造成严重的 后果。另外,尾水及大气降水的入渗也会对井下采 矿产生一定的影响。针对程家沟露天采空区实际特 点提出以下防渗措施。 1露天坑底防渗措施。露天开采结束后,露 天坑底必然存在一些废石,而且坑底地势也是高低 不平的。因此,设计防渗措施时,首先要在露天坑底 铺放一层30 cm厚的粘土,铺平,辗压,尽可能使粘 土层比较平坦,经验收合格后,再在粘土层上铺放土 工膜。选用的土工膜质量应比较好,其膜顶破坏强 度、 膜抗拉强度和膜延伸度要尽可能高,这样土工膜 才会在施工过程中不至于破裂。 2边坡的加固、 防渗措施。经现场调查发现, 程家沟铁矿的边坡岩体破坏严重,出露的岩石面形 状参差不齐,局部有危岩分布,风化现象也较严重。 研究后决定将防渗措施和加固措施综合进行。先将 边坡危岩和风化层清理掉,使边坡面尽可能平整,岩 33 施建俊,等 露天采空区改建尾矿库的可行性研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 石尽量没有尖角出露,然后在岩石物理力学性质差、 地质构造发育、 岩石破碎严重的地方采用块石混凝 土砌筑进行加固。并在库内边坡面上铺放一层柔性 防渗材料,以增强防渗效果。 3堤身防渗措施。对于堤身,采取垂直铺塑 防渗技术,在堤脚挖30 cm宽, 50 cm深的沟槽,堤 身连同沟槽一起铺设土工膜,然后再回填沟槽,形成 以塑膜为主体的防渗体,这对解决堤身散浸、 集中渗 流、 堤脚附近的渗透破坏效果显著。在背水侧加盖 重土压渗,利用覆盖土的有效重量来平衡渗透水压 力,从而避免管涌和流土的产生。 4 结 语 本文以程家沟铁矿为工程背景,运用ANSYS有 限元分析软件,对该矿露天采空区改建尾矿库进行 了数值模拟研究。研究发现,尽管露天采空区与地 下采矿场之间存在特殊的位置关系,但只要满足一 定条件,露天采场改建尾矿库也是有可能的。当然 这需要充分考虑矿山实际地质情况,并采取切实可 靠的措施,以保证矿山的安全生产和尾矿库的安全。 参考文献 [1 ]张振亭.论全泥氰化选矿厂尾矿库防渗漏[ J ].有色矿山, 1997, 6 42～44. [2 ]牛光临.露天矿边坡的维护与加固[J ].有色矿山, 1997, 1 22～25. [3 ]赵阳升.矿山岩石流体力学[M ].北京煤炭工业出版社, 1994. [4 ]马博恒.露采边坡渗流的有限元分析及其实例[ J ].河北冶 金, 1997 6 6～10. [5 ]张亚宾.露天采空区排尾对地下开采影响的研究[D ].北京 北京矿冶研究总院, 2002. 上接第10页 在技术上是可行的;在生产过程的不同生产阶段采 用不同的调控方法,可以保证岩盐溶腔的均匀发展 以及卤水浓度的稳定。 4 结 论 1盐类矿床群井致裂控制水溶开采是一项新 型的水溶开采技术。与单井油垫建槽和双井连通水 溶开采相比,它可极大提高盐矿资源回采率、 降低生 产成本。同时,由于它可以控制岩盐溶腔的发展,所 以,对防止地表不均匀沉陷、 以及在岩盐矿层内建造 油气储库和废物处置库,均具有十分重要的意义。 2在宏观各向同性的岩盐矿层内进行水力压 裂,当注水压力达到封隔段处岩层的破裂压力时,岩 层发生破裂,产生水平裂缝。随注水量的增加,裂缝 会沿初始裂缝方向,以注水井为中心呈放射状向四 周扩展,最终形成以注水井为中心的盘状水平裂缝。 当水力压裂裂缝扩展到目标出水井时,两井通过水 力裂缝贯通。由于层状地层具有宏观各向同性的特 性,在注水参数合适的情况下,距离中央注水井等距 离的所有周边目标井,原则上会与注水井同时贯通。 这正是群井水力压裂连通技术的根据所在。 3在水力压裂裂缝连通的群井中,通过调节 注、 出水井间的水流量,可以调节两井之间的水力梯 度,从而达到调整和控制水流的目的。这正是通过 控制水流运动方向控制岩盐溶解的根据。为保证岩 盐溶腔的均匀发展,群井控制水溶开采是技术的关 键,其具体操作可分为中央井注水、 四周井同时出 水,以及中央井注水、 四周井交替循环出水的控制 方案。 4运城盐湖芒硝矿床开采的实践表明,群井 致裂控制水溶开采是一项技术上可行的盐矿开采方 法。运用该技术可以极大提高资源回采率、 降低生 产成本、 提高生产效益。是一项值得推广应用的新 技术。 参考文献 [1 ]杨吉根.略谈我国核废料岩盐处置的前景[J ].华东地质学院 学报, 1989, 12 2 55～62. [2 ]Committee on theWaste Isolation Pilot Plant, etc. TheWaste Iso2 lation Pilot Plant[M ]. NationalAcademy Press, Washington, D, C. 1996 7～14. 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