灵宝铁矿采空区充填稳定性分析

芮 斌 王登玉 杨 帆 何扬扬

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

灵宝铁矿采空区充填稳定性分析

芮 斌 王登玉 杨 帆 何扬扬

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

为避免灵宝铁矿露天边坡滑坡及采空区失稳垮塌，拟对-50 m水平采空区进行充填处理。采用三维有限元法对未充填、石灰土和尾砂充填下的露天边坡及采空区的稳定性进行模拟分析，得出在充填情况下，露天边坡及采空区稳定性得到有效改善。通过对比两种充填方案的施工工艺、经济成本等，建议该矿采空区采用尾砂充填方案。

采空区充填 有限元数值模拟 稳定性

近年来，鄂东地区矿业发展迅速，安全生产和地压管理得到进一步完善。但由于矿石资源的逐步枯竭，矿山经济效益逐渐下滑。为了缓解矿山资源危机，维持矿山生产，部分小型矿山逐步回采采空区残矿，包括矿柱、顶底板、横撑等，使得该地区形成了大量高危采空区。岩体的开挖对周边围岩产生应力扰动，形成复杂的次生应力场，引起局部应力集中，进而造成围岩的失稳和破坏[1]。

以灵宝铁矿为工程实例，运用三维有限元方法，模拟该矿采空区及边坡在未充填、石灰土充填和尾砂充填三种情况下的稳定性，为该矿的地压管理提供可靠的理论依据，并结合矿山实际情况对比不同充填方案的优缺点，选择出最优充填方案。

1 矿山采空区现状

灵宝铁矿位于湖北省大冶市，1958年由武钢组建，开始对小包山、狮子山北矿体进行露天开采，开采最低水平至-25 m。1989年由露天开采转为地下开采，采矿方法为房柱法，分段高度20～30 m，顶底板厚度4～5 m，各分段留设有少量的不规则矿柱。经过多年的开采，目前灵宝铁矿采空区主要在-50，-70，-88 m水平；采空区上部-25 m为露天矿坑，-50 m水平采空区与露天坑采穿；-88 m水平以下为神山铁矿采区，西面为长坪竖井采区。由于多年的开采和地表风化，采空区围岩和露天矿边坡受到不同程度的损坏。2012年前后，露天边坡发生过多次滑坡，废石击穿-70 m水平顶板，并将该水平采空区完全充填。为了避免露天边坡再次滑坡对其下方采空区造成破坏，拟对-50 m水平采空区进行充填，确保露天边坡及采空区的稳定。

2 有限元模型

2.1 矿岩及充填体力学参数的确定

依据矿区矿岩的点载荷实验得到该矿矿岩的单轴抗压强度，根据该矿区内工程经验以及节理裂隙、地下水等对矿岩强度的影响进行适当折减，确定矿岩的计算参数。充填体的力学参数与其材料比、施工质量以及后期养护等有重要关系。此次拟采用的石灰土主要成分为黏性黄土、石灰和普通水泥，体积配合比为2∶6∶100[2]，拟采用的尾砂充填料主要成分为普通水泥和尾砂，体积配合比为1∶30[3]。分别对这两种充填材料后期强度进行测试，根据灵宝铁矿提供的资料和实验测试结果，该矿主要矿岩和充填体的力学参数见表1。

表1 矿岩及充填体主要物理力学参数[4]

注：围岩(矿体)抗拉强度=围岩(矿体)抗压强度/10.

2.2 力学模型的建立

根据灵宝铁矿矿区各水平采空区现状,建立数值模型和各采空区与露天边坡的空间关系，见图1、图2。

根据弹性力学理论，对于上述模型给定位移边界条件，只考虑重力作用的影响[5]。并且采空区在充填情况下，假定充填体均能与采空区围岩良好胶结，形成一个整体。

3 计算结果及分析

采空区及露天边坡的稳定性分析步骤为：①-50 m 水平采空区未充填；②-50 m水平采空区石灰土充填方案；③-50 m水平采空区采用尾砂充填方案。分别计算分析3种情况下的采空区及露天边坡的最小主应力和最大主应力分布情况。

图1 三维数值模型

图2 各采空区及露天边坡的空间位置

通过3种不同情况下的有限元计算结果分析，结合灵宝铁矿采空区现状以及现场踏勘(图3所示)，露天边坡以及-70 m水平采空区底板的应力值较大且稳定性较差，因此选取图3所示位置的应力值进行对比分析。计算结果的正应力值为拉应力，负应力值为压应力。

图3 最大应力位置分析

以上3种情况下的最小主应力和最大主应力分布见图4、图5。

3.1 露天边坡稳定性对比分析

根据图4的应力计算结果：在-50 m水平采空区未充填情况下，露天边坡的最小主应力为压应力，充填情况下也为压应力，但未充填情况下应力值高于充填情况下的应力值；露天边坡最大主应力充填与未充填情况区别非常明显，充填情况下露天边坡最大主应力为压应力，且压应力较小，未充填情况下的最大主应力为拉应力，越靠近露天坑底部拉应力值越大，最大拉应力达到0.55 MPa，考虑到目前露天边坡岩体破坏及风化，拉应力下的露天边坡稳定性更差，与矿区实际情况十分吻合。

3.2 -70 m水平采空区底板稳定性对比分析

根据图5的应力计算结果：充填与未充填情况下-70 m水平底板最小主应力基本一致；未充填情况下的最大主应力约5.5 MPa，接近底板的抗拉强度5.50 MPa，处于不稳定状态，随时可能发生底板失稳垮塌；充填情况下最大主应力3.00 MPa，小于底板的极限抗拉强度，说明充填情况下底板的稳定性较好。

图4 露天边坡应力分布

图5 -70 m水平采空区底板应力分布

综上所述，-50 m采空区充填处理对于维护该矿露天边坡和采空区的稳定是非常必要的，两种充填方案在应力分布上无明显差距。

4 充填方案的比较

由于土和石灰尾砂两种充填方案对采空区稳定性维护效果的区别不大，为了确定最优充填方案，对两种充填方案的施工工艺、经济成本等进行综合对比分析。

(1)石灰土。在施工阶段需对石灰土压实，因此除搅拌等设备外，还需要配备充填料压实设备；石灰土材料来源广泛，对石灰和水泥的需求量也较少，材料成本相对较低；充填工艺相对复杂，施工质量要求相对较高，尤其是对石灰土的压实，如果不达标，会严重影响后期强度。

(2)尾砂。要求施工机械设备相对较少，可减少机械购置成本；充填材料主要为矿山尾砂和废石，不仅可缓解矿山尾矿库压力，也可实现矿山废石尾砂的综合利用，减少尾矿对环境的污染和破坏；充填工艺相对简单。

综合经济效益以及实际施工能力，最终选择尾砂作为该矿采空区的充填材料。在充填施工中，一定要做好充填体与采空区围岩的胶结工作，以达到预期的充填效果。

5 结 论

(1)通过对灵宝铁矿未充填与充填情况下采空区的数值模拟分析，表明在-50m水平采空区充填情况下，露天边坡与-70m水平采空区底板稳定性情况得到明显改善，所以对灵宝铁矿-50m水平采空区进行充填处理是非常必要的。

(2)对比石灰土和尾砂两种充填料的施工工艺、经济成本，综合考虑矿山实际，采用尾砂充填的方案。

(3)由于-50m水平采空区与露天采坑连通，水对充填体及采空区稳定性的影响程度有待进一步深入研究；同时，在采空区进行充填作业期间也应加强附近其他采空区的稳定性监测，确保采空区稳定和充填工作的安全进行。

[1] 邱 龑,尤春安,王 睿,等.望儿山采空区变形机理研究[J].金属矿山,2012,41(2):12-15,29.

[2] 张立新,王家澄.石灰土冻胀特性试验研究[J].岩土工程学报,2002,24(3):336-339.

[3] 王正辉,张丰田,莫亚斌.尾砂充填料浆的配合比试验研究[J].矿业研究与开发,2006,26(1):11-13.

[4] 云 峰,袁宏成.岩体力学参数的估算[J].西部探矿工程,2003,15(11):39-40.

[5] 杨桂通.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,1998.

2014-10-26)

芮 斌(1991—)，男，430081 湖北省武汉市。