阿希金矿露天坑回填与井下协同开采安全稳定性分析

范 庆

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

西部黄金伊犁分公司阿希金矿是一家现代化黄金生产企业，1993年矿山开始基建工作，1995年6月建成并投入生产。矿山前期采用露天开采，形成了北露天和南露天2个采矿场。2004年转为地下开采，形成了一个容积约为450万m3的露天坑，露天坑底标高为1 450 m，封闭圈标高为1 510 m。为了治理北露天采矿场，矿山在2016年下半年采用胶结尾矿对该露天采场进行回填治理，现已治理回填至1 505 m标高。

1 矿山地质及前期开采情况调查分析

1.1 矿山地质调查分析

矿山地处阿希金水文地质单元分水岭地带的山脊上部，大部分矿体埋藏在当地最低侵蚀基准面上部，矿井多采用自然排水。地下水多为弱含水岩组或不含水岩组。矿床水文地质条件为裂隙水充水的简单型矿床。工程地质性质及其稳固性不均一，根据具体地段岩体结构特征及岩性而定，有易产生掉块等不易于处理的不良工程地质现象。F2断层上、下盘岩体质量好，为块状或整体块状结构的中—酸性火山岩岩组。地下水量很小，没有大的静水压力。阿希金矿属于岩石完整性中等—良好，围岩及顶底板稳固性一般至优，断层破碎带稳固性差异较大，属于以块状岩类为主的工程地质条件简单偏中等类型的矿床［1］。

1.2 露天坑概况

阿希金矿场按照设计确定1 450 m 标高以上为露天开采，1 450 m标高以下为地下开采。北侧露天采场为山坡露天开采，1 510 m以下开采形成半封闭圈。露天采矿场为一个长轴近于南北的椭圆形凹陷露天采坑。目前，矿山采用尾砂胶结充填，胶结料为水泥，配比为1∶20，已回填至1 505 m。采场北部最高山头标高为1 650 m，目前边坡高度最大为155 m。目前露天开采的最终边坡角东帮为65～75°，西帮为36.5°，北帮为45～48°，南帮为45～48°。露天开采最终坡面角65°，露天开采最终台阶高度为20 m［2-3］。

1.3 露天转地下开采概况

矿山自2004年使用无底柱分段崩落采矿法，成功从露天开采转入地下开采，截止到2009年崩落法改充填法之前，已采用无底柱分段崩落法开采了0～40线1 400 m以上的矿体，并在1 400 m以上形成了崩落法岩石覆盖层。走向上两端留有三角矿柱。在+1 385～+1 430 m标高40～56线采用下向分层进路式充填采矿法回采，分层高度10 m［4］。

1.4 地下开采概况

阿希金矿在2008年已开始进行充填采矿工艺的研究，并在2009年下半年开始采用充填法采矿。首采中段为1 335 m中段，中段高度50 m，主要开采1 335～1 385 m的矿体。为了隔离1 400 m以上的崩落法岩石覆盖层，在1 385～1 400 m留设了15 m厚的隔离矿柱。为保护上部隔离矿柱及岩石覆盖层，在露天坑底区域（0～56线）1 335～1 385 m主要采用充填法回采。目前主要采用下向深孔分段空场嗣后充填法开采1 285～1 335 m矿体，分段高度为22 m，共形成了1 313，1 291 m 2个分段。矿房垂直矿体走向布置，采用二步回采，隔一采一，矿房宽度10 m［5-6］。

2 围岩岩石力学试验及参数确定

围岩是指工程周围有限范围内的岩体，即岩体稳定性分级的对象。它的稳定程度与很多因素有关，主要有围岩的岩石力学性质、岩体结构类型、结构面的力学性质与分布特征、原岩应力场及地下水等。围岩强度的高低直接决定了工程的安全性。

为充分了解围岩及矿体的岩石力学强度情况，委托国家冶金工业铁精矿质量监督检测中心开展了室内岩石力学试验。岩石试样于2019年5月在现场采集，分别开展了岩石的单轴抗压强度试验、岩石抗拉试验、岩石单轴变形试验、物理性质试验以及规则抗剪断强度试验。

岩石物理性质试验主要进行岩石的密度测试，测试方法采用量积法，采用立方体试样，每组3块。单轴抗压强度试验每组试样3块，试样尺寸为5 cm×5 cm×10 cm。岩石抗拉强度试验采用劈裂法，把岩样加工为立方体，每组3块，施加相对的线性荷载，沿试块直径方向破坏。岩石单轴变形试验是通过纵向压力作用测定试样的纵向和横向变形，计算岩石的泊松比和弹性模量，每组试样3块，尺寸为5 cm×5 cm×10 cm。岩石规则抗剪强度试验是将岩石加工为5 cm×5 cm×5 cm的规则试样，并放置在固定的试验机模具中进行剪切试验，来测试岩石的抗剪断强度。每组试样9块，试验中通过变换不同的剪切角进行规则岩块抗剪断试验。试验试样均为风干状

态［7-8］。

结合阿希金矿相关的测试和研究资料，以及类似工程中相似岩体物理力学参数，同时结合工程岩体质量分级标准等规范，确定本研究项目数值计算模型中围岩及矿体材料物理力学参数。考虑到弹性模量对地表变形模拟结果影响较大，出于保守考虑，在上述岩石力学室内试验成果及相关研究报告，结合工程经验类比的基础上，对弹性模量进行了一定程度的折减。最终确定本次研究中所采用的计算参数如表1所示［9-10］。

?

3 三维数值模型建立及计算

3.1 模型概化

（1）综合考虑各地层空间分布及其与矿体的位置关系，主要地层概化为围岩、矿体和回填体3类，对回填区、未开采矿体以及巷道等进行模拟。

（2）主要考虑1 450 m以下、15～56线矿产资源储量估算所确定范围内的矿体，作为模型中的矿体模拟对象。

（3）主要考虑范围为1 285 m以上、15～56线的巷道及回填区，作为模型中回填区的模拟对象。

（4）成矿前与成矿时的断裂构造时期较为久远，主要对矿床形成有较大影响，但对目前矿区矿岩完整性影响不大，成矿后断裂构造对阿希金矿矿段矿岩体影响较小。因此，本模型中未考虑断层构造。

3.2 三维数值模型构建

地层面、矿体、采空区及巷道表面等均为不规则曲面，主要通过阿希金矿4～15、44～56各线资源储量估算剖面图与阿希金矿1 200 m至1 530 m中段地质平面图等建立的平面与NURBS曲面来表达。对各曲面进行多次布尔运算后，形成最终的三维实体模型。

为合理模拟阿希金矿回填之后深部开挖对露天坑安全以及矿段深部开采对露天边坡、坑底以及坝体的影响，在充分搜集前期地质资料并多次计算的基础上，确定本次数值模型的平面范围为东西长度500 m，南北宽度600 m。考虑到1 285 m以上水平巷道和回填区对露天坑底及边坡的影响，巷道和回填区建立的模型如图1、图2所示［11-13］。

根据阿希金矿地形地质图、矿山各勘探线资源储量估算剖面图、矿山中段地质平面图以及相关巷道及回填地形图等，构建了比较真实的阿希金矿采场三维数值计算模型（图3）。整个三维数值计算模型共包含5 298 128个四面体单元与938 840个节点。边界约束条件：x=-185 m和x=315 m边界仅采用X方向固定位移约束，y=-295 m和y=305 m边界仅采用Y方向固定位移约束，z=1 200 m底边界对X、Y、Z3个方向均采用固定位移约束。整体模型和露天坑、矿体及回填区网格如图4所示。

3.3 露天坑边坡及坑底稳定性分析

初始边界条件：前后左右面和底面采用位移约束，即前后左右面限制水平方向的位移，底面限制垂直方向的位移，原始应力场采用重力场施加在垂直方向，假定模型中矿岩体均为理想条件下弹塑性连续介质，采用摩尔—库仑屈服准则。

数值模拟时，先对1 285～1 335 m中段14线至40线矿体进行开挖回填模拟获得初始应力场分布，然后对坑内进行回填，回填高程从1 505 m至1 530 m，再通过模拟1 285～1 335 m中段14线以南和40线以北的矿体开采及回填，分析采矿活动对露天坑边坡、坑底及坝体的影响，最后通过1 235～1 285 m中段矿体的开采及回填模拟，评价未来采矿活动对露天坑边坡、坑底及坝体的影响。模型计算三维整体场分布见图5。

经过对矿山各勘探线剖面最大主应力与最小主应力模拟计算，露天坑边坡及坑底稳定性分析数值模拟表明：回填至1 505 m后，0线至60线边坡及坑底最大主应力范围为0～2 MPa，最小主应力范围为-1～0 MPa，应力分布均匀，应力水平较低。1 235～1 285 m中段采矿区最大主应力多出现在采矿区靠近围岩区域，最小主应力则主要出现在采矿区预留隔离矿柱中部区域［14］。

3.4 井下开采安全影响分析

模拟坑内回填至高程1 530 m最终状态，1 335～1 285 m中段14线以南和40线以北剩余矿体开挖回填后的计算结果，分别在各剖面位置提取围岩位移与应力等数据，对露天坑边坡、坑底及坝体稳定性进行分析。露天坑回填后整体位移场分布见图6。

通过对开采中段各剖面位移、沉降变形、最大最小主应力分布数值模拟表明：露天坑回填治理后，露天坑边坡最大位移约为4 mm，边坡沉降变形较小且相对均匀；坑底最大位移位于坑底中部约为52 mm处，变形呈现由露天坑坑底中心向四周呈环状逐渐递减的趋势；坝体最大位移出现在靠近坑底附近约为12 mm处。当1 285～1 335 m中段矿体开采回填后，采矿区最大主应力多出现在采矿区东侧靠近围岩区域，最小主应力应力分布均匀，应力水平相对较低。露天坑边坡最大沉降约为2 mm处，周边沉降变形相对均匀；坑底最大沉降位于坑底中部约为50 mm处；坝体最大沉降出现在靠近坑底附近约为6 mm处。拦挡坝位于8～16线，最大沉降变形出现于靠近坑底区域，沉降不会影响坝体安全［15］。

4 结论

（1）阿希金矿1 285～1 335 m中段开采矿体并回填后，地表最大沉降位于露天坑坑底中部，沉降变形总体上由坑底中心向四周呈环状逐渐递减的趋势，拦挡坝最大沉降变形出现于靠近坑底区域。

（2）矿山矿体开采并回填后，地表沉降趋势仍表现为由露天坑坑底中心向四周呈环状逐渐递减，由此推测露天坑坑底安全受矿段开采影响较大。

（3）边坡和拦挡坝离矿体密集区域较远，边坡和坝体最大沉降量均在安全范围内，不会影响恢复治理工程总体安全。雨季前清理露天采坑周围的截排水设施，并及时排出坑内积水，确保坑内不积水，保障拦挡坝体的安全。

（4）优化地下充填开采设计相关参数及施工管理，尤其要重视充填采矿法中的充填体质量及充填接顶工作。