露天坑排尾边坡与地下巷道稳定性分析

朱志根

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙410019）

随着我国矿山环保要求的不断提高，矿山企业在尾矿排放方面面临着越来越大的压力。矿山尾矿库对环境具有较大的污染性［1-3］，尾矿坝的增高又增加了溃坝的危险性，且新尾矿库征地越来越困难。另外，采矿活动遗留的大量废弃露天坑具有较高的生态敏感性，存在滑坡、崩塌等地质灾害隐患，需要花费大量的人力物力进行治理。露天坑干排尾砂的研究为上述问题的协调解决带来了契机，成为废弃土地资源再利用和边坡治理相融合的一种新思路，既节约了土地、保护了生态环境，又消除了露天坑的安全隐患，为实现矿山的绿色开采和协调可持续发展提供了重要的理论和技术支撑。

目前，国内外学者针对露天坑治理和尾矿库稳定性问题做了大量研究［4］，也取得了丰硕的研究成果，但在露天坑边坡和尾矿排放综合治理方面，仅有少量学者针对矿山的实际情况开展了露天坑改尾矿库的可行性研究工作，取得了一定的研究成果［5-8］，但研究成果大多局限在某一矿山，推广性不强，总体来说，该方面的研究尚有很大不足。

本研究以贵州某矿山露天坑和地下工程实际情况为工程背景，运用极限平衡分析法和数值模拟分析法，开展了露天坑排尾砂后边坡和地下巷道的稳定性分析，提出了相应的处理措施，为类似矿山露天坑和尾矿排放的综合治理研究和实践提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 工程地质

矿区位于贵州中部，地层主要分布有前震旦系板溪群，震旦系下统南沱组及上统陡山沱组、灯影组，寒武系下统牛蹄塘组、明心寺组，主要岩性包括粉砂岩、粉砂质板岩、花岗斑岩、白云岩、硅质岩、页岩、粉砂质粘土，其中粉砂岩、白云岩、硅质岩为主要围岩，矿岩物理力学参数如表1所示。矿区构造简单，岩层倾角一般为50°～60°。

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1.2 模拟方案

矿山露天坑为早期露采所形成，露天坑长度约317 m，宽约156 m，标高范围为1 180～1 266 m，如图1所示，高差约86 m，容积约为121万m3。露天开采已闭坑，东侧边坡为顺层边坡，边坡角度约56°，稳定性较差。露天坑下方为地下开采工程，主要为各中段巷道，采场距离露天坑较远，距离露天坑底最近的为1171运输中段巷道，高差约9 m，为重点分析对象。

根据矿山实际情况，干排料主要由尾砂、废石、石膏混合而成，通过一定的脱水浓密处理，达到干排的浓度。干排共分为5个阶段，排尾标高分别为1 198 m、1 215 m、1 232 m、1 249 m和1 266 m。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡模型

根据露天坑边坡实际情况和模拟方案，选取典型剖面（图1中A-A'剖面）如图2所示，运用岩土工程分析软件Geo-Slope，采用极限平衡分析中M-P分析法对不同排放高度工况下的边坡稳定性进行分析。

2.2 分析结果

图3和图4分别给出了不同干排阶段边坡安全系数变化曲线和分析结果图。由图3可知，随着干排高度的增加，边坡安全系数逐渐增大，且呈现出增加幅度逐渐增大的趋势，用开口向上的二项式曲线函数能够较好地模拟其变化趋势。

由图4可知，随着干排高度的增加，边坡潜在滑移面逐渐向临空边界靠近，潜在滑坡体体积逐渐减小，说明干排的混合料堆积在边坡坡脚处，达到了加固坡脚和挡土墙的效果，随着干排高度的增加，效果愈加明显。

3 地下巷道稳定性分析

3.1 数值模型

依据矿山地质、工程等基础资料，选取分析范围，以露天采坑境界为中心，南北方向向外延伸至500 m，东西延伸至400 m，底部标高1 000 m，顶部为地表面。采用Midas-Flac3d联合建模方法，建立相应的三维数值模型，如图5所示。模型尺寸为400 m×500 m×350 m，共分为71 801个单元、32 393个节点。

3.2 数值结果分析

在三维数值模型的基础上，运用有限差分数值分析方法Flac3d软件，对不同干排高度的露天坑地下巷道稳定性进行分析，选取典型剖面，重点分析巷道围岩应力应变演化情况和破坏情况。

（1）位移分析。图6给出了不同干排阶段下方巷道顶板竖向位移曲线。由图6可知，随着充填高度的增加，巷道顶板竖向位移逐渐增大，且增大速率呈现出减小的趋势，最大位移值仅为5 mm，说明巷道受干排的影响较小。

图7给出了不同干排阶段的典型剖面竖向位移分布云图。由图7可知，不同干排阶段的Z方向位移分布规律变化不大，充填体表面中心位移值最大，从中心向采坑四周围岩逐渐减小。初始阶段采坑边坡及下方岩体位移普遍较小，处于-0.1～0.2 mm之间，局部最大值为0.498 mm，巷道围岩位移范围为-0.1～0.1 mm；干排1阶段，在充填体的压力作用下，采坑充填体位移最大，值为2.7 mm，位移由采坑底部向四周逐渐减小，采坑两侧边坡位移范围为0～0.2 mm，采坑下方巷道围岩位移很小，为0～0.25 mm；干排2阶段采坑底部最大位移为13 mm，采坑两侧边坡及下方巷道围岩位移值范围为0～2 mm；干排3阶段充填体最大位移值为22 mm，采坑下方巷道围岩位移为0～2.5 mm；干排4阶段充填体最大位移值为31 mm，采坑下方巷道围岩位移为0～5 mm；干排5阶段充填体最大位移值为41.6 mm，采坑下方巷道围岩位移为0～5 mm。

（2）最大主应力。图8给出了不同干排阶段的典型剖面最大主应力分布云图。由图8可知，不同干排阶段的最大主应力分布规律较为相近，整体最大主应力等值线由重力控制，呈水平状，中部由坑底向模型右下角逐渐增大。初始阶段采坑两侧边坡最大主应力为0～2 MPa，采坑下方巷道围岩最大主应力范围为2～6 MPa，局部稍大，达到8 MPa，最大主应力最大值出现在模型右下角，为14.61 MPa。随着干排标高的增大，采坑两侧边坡及下方巷道围岩最大主应力与初始阶段相比未发生较大的改变，整体最大主应力分布较为简单，最大主应力值较小，采矿下方巷道围岩受采矿排尾的影响较小。

（3）最小主应力。图9给出了不同干排阶段的典型剖面最小主应力分布云图。由图9可知，随着充填高度的增加，最小主应力分布变化不大，其分布变化趋势与最大主应力较为相近。不同干排阶段的采坑下方巷道围岩最小主应力范围变化不大，未出现拉应力区，采坑右侧边坡出现较大的拉应力区，随着充填高度的增加，拉应力最大值由初始的1.6 MPa增大至1.9 MPa，整体最小主应力分布较为简单，最小主应力值不大。

（4）塑性区。图10给出了不同干排阶段的塑性区分布云图，由图可知，随着充填高度的增加，整体模型未出现活性塑性区单元，采坑两侧围岩及下方巷道围岩均处于弹性范围，未进入塑性变形阶段，未发生破坏，稳定性较好。

4 露天坑防渗措施

鉴于露天坑下方仍有采场正在采矿，露天坑在干排尾砂前需做好防渗措施，以防止尾矿渗透进入采场，造成矿石的贫化。根据矿山实际情况，建议开展以下几项防渗措施。

（1）露天坑底防渗措施。首先，对露天采坑底部和边坡面进行清理、平整。在采坑底部浇注钢筋混凝土后再铺设一层破坏强度、抗拉强度和延伸度高的土工膜，或者在采坑底部铺放一层一定厚度的黏土，铺平并辗压平坦，再在黏土层上铺放破坏强度、抗拉强度和延伸度高的土工膜。

（2）边坡的防渗措施。先将边坡危岩和风化层清理掉，使边坡面尽可能平整，岩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，并在边坡面上铺放一层柔性防渗材料，以增强防渗效果。

5 结论

运用Midas-Flac3d耦合建模方法，建立了矿区采坑和地下巷道三维数值模型，采用极限平衡分析法和有限差分数值分析法，对矿区露天坑干排尾砂混合料后边坡和地下巷道稳定性进行了分析，主要得到如下几条结论：

（1）随着干排高度的增加，边坡安全系数逐渐增加。干排混合料起到加固坡脚和边坡挡土墙的效果。

（2）随着干排高度的增加，露天坑下方巷道围岩位移和应力变化均较小，说明巷道受露天坑干排尾砂的影响较小。

（3）巷道围岩整体上处于弹性状态，未进入塑性变形阶段，整体稳定性较好，巷道局部小范围出现塑性区，但活性程度较低，对巷道影响较小。

（4）根据矿山实际情况，做好露天矿和边坡面的防渗措施，为下方安全生产提供保障。