长距离管道输送砂浆治理矿山废弃露天坑及塌陷区综合技术研究

张雄天 朱文志

（兰州有色冶金设计研究院有限公司,甘肃 兰州 730000）

矿山露天开采形成的露天坑对环境破坏影响较大,易导致水环境污染、破坏地表植被、产生地质灾害以及固体废弃物污染。同时随着时间的推移及地下采矿的影响,露天边坡的稳定性将对矿山安全生产产生巨大影响[1-4]。对矿山废弃露天采坑改造进行综合利用,使其变废为宝,可以提高企业的社会、环境、经济效益,对建设绿色矿山具有重要意义。

1 工程概况

白银有色集团厂坝铅锌矿开发建设开始于上世纪80年代,按照原设计规划,厂坝矿区的整体开发建设分为露天开采和井下开采两阶段。2006年,露天开采全部终结,完全转入井下生产。

经过多年的露天开采,厂坝矿区地表形成了一座约 150×104m3的露天采坑及270 m左右的高陡边坡,此外矿山其他采区也形成了规模不等的数个塌陷区。露天采坑及塌陷区对矿山生态环境破坏极大,对矿山安全生产也构成了极大的威胁。厂坝铅锌矿露天采坑现状见图1。

图1 厂坝矿区露天采坑Fig.1 The open pit of Changba mine area

2 露天坑及塌陷区恢复治理方案研究

2.1 露天坑及塌陷区体积确定

以1 298 m水平（封闭圈）为界,分为Ⅰ期、Ⅱ期工程。Ⅰ期工程充填以露天坑底1 268 m标高为底,封闭圈1 298 m标高为顶;Ⅱ期工程充填以封闭圈1 298 m标高为底,1 430 m标高为顶。露天采坑分期治理见图2。

图2 厂坝矿区露天坑分期治理Fig.2 The stages of treatment on changba mine open-pit

采用矿业软件Dimine对露天坑封闭圈以下体积进行了估算,估算结果为121.82×104m3。封闭圈以上体积估算结果为544.91×104m3。封闭圈以下露天坑三维模型见图3,封闭圈以上露天坑三维模型见图4。

图3 封闭圈以下露天坑体积Fig.3 The volume of open pit under closed circle

图4 封闭圈以上露天坑体积Fig.4 The volume of open pit above closed circle

2.2 治理方式及胶结充填结构参数确定

目前国内在露天采坑治理方面采取的技术措施主要有尾砂胶结充填治理、废石回填方式治理、尾矿湿排方式治理、尾矿压滤干堆方式治理以及露天边坡加固治理等技术方案。在这些方案中,尾砂胶结充填治理露天采坑方案因其具有安全程度高、机械化程度好、操作简单等优点得到了广泛的认可及应用。

除露天采坑外,经初步估算李家沟废石场塌陷区空区体积约为20×104m3。李家沟废石场塌陷区范围见图5。

图5 李家沟废石场塌陷区Fig.5 The subsidence area of Lijiagou waste rock field

厂坝铅锌矿露天转地下开采后,地下开采采矿方法为空场嗣后胶结充填法,矿山已建成充填能力为300万t/a的充填站。

在综合分析国内外露天坑治理现状的基础上同时结合矿山实际情况,最终确定采用全尾砂胶结充填治理的方式对厂坝铅锌矿存在的露天采坑及塌陷区进行治理。

由表 1 可以看出,灰砂比为 1∶15、1∶20、1∶25 的配比试验,28 d强度分别为0.42 MPa、0.28 MPa、0.26 MPa。对配置的充填材料流变特性、充填材料强度进行相关试验及分析,确定Ⅰ期治理工程充填砂浆浓度为69%、灰砂比1∶20;Ⅱ期治理工程充填砂浆浓度为69%、灰砂比1∶15。

表1 单轴抗压强度试验结果Table 1 The uniaxial compressive strength test results

2.3 胶结充填治理露天坑及塌陷区方案研究

根据已有充填站设备配置情况,经计算,年输送充填砂浆量为138.80×104m3/a,每天输送充填料浆量为4 206 m3/d。

根据厂坝矿区露天坑、李家沟塌陷区以及已有充填站的位置,充填输送管线具体为沿充填站至东边坡斜坡道回风井公路敷设2条φ203 mm×10 mm无缝钢管,至李家沟塌陷区时,引1条支管线路进入李家沟塌陷区,主管路继续经3#隧道通往露天坑1 430 m平台后沿露天边坡继续向下敷设,经1 394 m平台到达1 358 m平台后,主管末端可接聚乙烯增强塑料管以漫灌方式进行充填作业。充填砂浆输送管线见图6。

图6 充填砂浆输送方案（标高单位:m）Fig.6 The conveying scheme of filling mortar

3 露天坑及塌陷区恢复治理安全控制措施

3.1 排水系统

厂坝矿露天坑封闭圈1 298 m 25线附近有一排废斜井现已停止运行,对1 298 m已有排废平硐及排废斜井进行改造,使之成为露天坑排水系统的一部分。经计算,矿山每天充填量为4 206 m3,考虑到降雨等因素,充填溢流水按总用水量的30%考虑,则每天露天坑积水量约为700 m3。露天坑排水系统具体为在露天坑内合适位置处安装2台潜污泵（一用一备）,潜污泵型号为150QW-108-75,功率75 kW,流量108 m3/h,扬程60 m,充填溢流水通过潜污泵经原1 298 m排废平硐及排废斜井到达1 202 m主平硐后,汇入矿山已有排水系统,经设在1 202 m主平硐口已有的沉淀池沉淀后排往井下水处理中心进行处理。露天采坑一期治理工程排水系统见图7。

图7 露天坑排水系统Fig.7 The drainage system of open pit

Ⅱ期排水时,需在1 298 m露天平台处设浆砌毛石截水沟,正常排水时溢流水依然沿用Ⅰ期工程排水系统;当矿山遭遇大暴雨时,利用截水沟将雨水引入砂硐湾沟排出,截水沟断面1.2 m×1.0 m,长970 m。

3.2 井下封堵

矿山转入地下开采在未建设充填站之前采用无底柱分段崩落采矿法采矿,露天坑底距生产中段有约160 m左右的废石垫层。因露天坑底与下部采区贯穿,为避免充填后充填料浆污染巷道并破坏巷道的稳定性,对井下中段各主要穿脉巷道进行封堵。封堵挡墙型式采用钢筋混凝土挡墙,封堵长度为10 m。

3.3 辅助设施

在3#隧道出口、1 430 m平台适当位置处设值班室,内设电话,在1 358 m平台适当位置处设照明设施及视频监控设施,在1 298 m平台处四周设铁丝网围栏。

4 井下巷道及露天坑边坡稳定性分析

4.1 Ⅰ期治理工程对井下巷道稳定性影响分析

基于Rocscience-Phase2软件在岩土工程领域的广泛应用及认可度较高的特点,采用Rocscience-Phase2进行Ⅰ期充填工程对井下巷道稳定性影响分析。

目前回采中段距露天坑底有约160 m的废石垫层,选取37线剖面作为数值分析的典型剖面进行最大主应力、位移变化等相关力学参数的分析。

本次计算研究范围涉及的岩体介质均当成弹塑性材料处理,适用于莫尔—库仑破坏准则。模型边界约束采用位移约束的边界条件。模型底部及左右方向边界均取X、Y 2个方向的约束,上边界为地表,取自由边界。最低中段1 022m离封闭圈最大为280m左右,因此本次模拟计算中初始地应力场仅按岩体自重应力场考虑,即垂直应力按岩体自重计算,水平应力按泊松效应计算。分析计算模型见图8,应力、位移分析见图9～图11。

图8 分析计算模型示意Fig.8 The schematic diagram of analysis and calculation model

图9 主应力分布Fig.9 The distribution diagram of Principal stress

图10 竖向位移分布Fig.10 Vertical displacement profile

图11 Ⅰ号矿体下盘1 202 m中段巷道拉应力分布Fig.11 Tensile stress distribution diagram of roadway at 1 202m in footwall of No.Ⅰ orebody

研究发现,通过从主应力分布图、竖向位移分布图及Ⅰ号矿体下盘1 202 m中段巷道拉应力分布图可以看出,Ⅰ期充填工程形成的胶结充填体对井下巷道稳定性影响较小。在各个中段巷道中除Ⅰ号矿体下盘1 202 m中段巷道顶板部位出现较小拉伸应力以外,其余各中段巷道均未出现拉伸应力。Ⅰ号矿体下盘1 202 m中段巷道顶板部位虽出现局部应力集中,但属于安全范围之内。在实际Ⅰ期工程进行充填时可对Ⅰ号矿体下盘1 202 m中段巷道采取加强支护的措施,及时消除应力集中的现象。

综合分析可知,Ⅰ期充填工程形成的胶结充填体对井下正常生产影响不大,但需注意的是井下局部存在的采空区在充填体的作用下可能对巷道稳定性产生一定影响,因此,矿山在生产时要及时消除已有的及放矿产生的新的采空区,保证生产安全。

4.2 Ⅱ期治理工程边坡稳定性分析

Ⅱ期充填工程以1 298 m标高为底,1 430 m标高为顶对原露天边坡进行治理后,最终形成的充填体边坡坡比为1∶3（18.4°）,采用极限平衡分析法对形成的充填体坡面进行稳定性分析。由于Janbu法与Bishop法具有力学概念清晰、适用面广、操作简单的优点,采用Janbu法、Bishop法对Ⅱ期充填工程边坡的稳定性进行综合分析研究。

Rocscience-Slide软件在地质灾害行业的应用处于领先地位,分别选取荷载组合Ⅰ（自重+地下水）和荷载组合Ⅱ（自重+地下水+地震力）进行计算。二期治理工程分析计算模型见图12,自重+地下水工况条件下Bishop法和Janbu法分析结果见图13、图14,自重+地下水+地震工况条件下Bishop法和Janbu法分析结果见图15、图16。

图12 二维极限平衡分析计算模型示意Fig.12 Schematic diagram of two-dimensional limit equilibrium analysis calculation model

图13 Bishop法分析结果（自重+地下水）Fig.13 Analysis results of Bishop method（dead weight+groundwater）

图14 Janbu法分析结果（自重+地下水）Fig.14 Analysis results of Janbu method（dead weight+groundwater）

图15 Bishop法分析结果（自重+地下水+地震）Fig.15 Analysis results of Bishop method（dead weight+groundwater+earthquake）

图16 Janbu法分析结果（自重+地下水+地震）Fig.16 Analysis results of Janbu method（dead weight+groundwater+earthquake）

不同工况下的边坡稳定性分析结果见表2。

表2 边坡稳定性计算结果Table 2 The Calculation results of slope stability

Ⅱ期工程以1 298 m为底标高、1 430 m水平为顶标高,整个Ⅱ期充填工程最终形成的充填体边坡高度为132 m。结合边坡的危害等级,最终形成的充填体边坡工程安全等级为Ⅱ级。非煤露天矿边坡工程技术规范规定边坡工程安全等级Ⅱ级的自重+地下水安全系数为1.20～1.15,自重+地下水+地震力安全系数为1.15～1.10。

应用二维极限平衡分析可知,根据表2计算的不同工况下的安全系数与规范规定的不同载荷组合下总体边坡的安全系数对比,Ⅱ期工程最终形成的充填体边坡在自重+地下水和自重+地下水+地震力2种工况条件下总体均是稳定的。但需注意,在边坡局部风化破碎地段实际工作中应加强位移、应力等监测,采取金属网等支护措施,防止出现垮塌、滑坡等现象出现。

5 结 论

（1）以1 298 m水平（封闭圈）为界,将露天坑治理分为Ⅰ期、Ⅱ期工程。露天坑封闭圈以下体积估算结果为121.82×104m3,封闭圈以上体积估算结果为544.91×104m3。

（2）在综合分析国内外露天坑治理现状的基础上同时结合矿山实际情况,最终确定采用全尾砂胶结充填治理的方式对厂坝铅锌矿存在的露天采坑及塌陷区进行治理。对配置的充填材料进行流变特性、强度相关试验及分析,确定Ⅰ期治理工程充填砂浆浓度为69%、灰砂比1∶20;Ⅱ期治理工程充填砂浆浓度为69%、灰砂比 1∶15。

（3）充填输送管线具体为沿充填站至东边坡斜坡道回风井公路敷设2条φ203 mm×10 mm无缝钢管,至李家沟塌陷区时,引1条支管线路进入李家沟塌陷区,主管路继续经3#隧道通往露天盆1 430 m平台后沿露天边坡继续向下敷设,经1 394 m平台到达1 358 m平台后,主管末端接聚乙烯增强塑料管以漫灌方式进行充填作业。

（4）通过对Ⅰ期治理工程数值分析得到Ⅰ期充填工程形成的胶结充填体对井下巷道稳定性影响较小。

（5）采用二维极限平衡分析得到Ⅱ期工程最终形成的充填体边坡在自重+地下水和自重+地下水+地震力2种工况条件下总体均是稳定的。