废石回填塌陷区对排土场和露天采场稳定性的影响

余正方，胡远，侯克鹏，张玮，黄和平，郭林宁

(1.玉溪大红山矿业有限公司， 云南 新平县 653405；2.昆明理工大学， 云南 昆明 650093；3.云南亚融矿业科技有限公司， 云南 昆明 650000)

0 引言

在地下开采过程中，形成了大量的采空区，采空区的存在导致其周围的岩体应力重新分布，围岩失衡垮塌。在重力的作用下，这种垮塌失衡不断扩展到地表，使地表发生大面积的变形和崩塌，严重威胁到矿区地表周围环境及建（构）筑物的安全[1-2]。随着经济的发展，国家对环境保护的认识逐渐提高，许多矿山在满足生产的同时，加大了环境保护，尤其是加大了对已破坏地表的修复。国内许多学者对塌陷区回填进行了研究，吴荣高等[3]采用相似模拟试验，模拟地表塌陷坑内堆存添加固化剂的尾矿过程中的受力变化规律。孙伟[4]利用灾害链式理论建立了铜坑矿地表塌陷灾害链式减灾模型，得到了塌陷区处置体的强度特性、渗透-崩解特性，以及回填后处置体的协调变形特性。张友志等[5]利用PFC软件对处理塌陷区的多种回填工艺进行模拟，得出效果最好的方案为全部胶结回填。吕志文等[6]对东际金（银）矿塌陷坑提出了地面整平、覆土、复绿等综合治理方案，治理塌陷区。徐士申[7]在大红山铁矿建立地表变形监测系统，通过分析监测结果，提出地表塌陷坑回填的治理措施。

大红山深部矿石采用无底柱分段崩落法采矿，使得原始矿体的原岩应力改变，大量的矿石崩落，形成塌陷漏斗，漏斗中的岩石迅速充填采空区，其中充填空区的围岩散体与原有矿体相比，密实度与强度都要小很多。空区上部岩石楔形体在自身重力的作用下，靠近地表的原岩体内产生拉应力，最终导致拉伸断裂的产生扩展形成塌陷坑[7-8]。根据生产要求，矿山每年有大量掘进废石回填地表塌陷区，回填散体的运动过程是一个极其复杂的时间与空间问题，散体在不同的时间段内，运动状态不同，所在位置也不同，由于塌陷区与矿山露天采场、排土场位置相接近，回填散体可能会直接影响排土场、露天采场的稳定性。基于此，有必要利用数值模拟的方法来探究废石回填散体的变化规律，分析塌陷区废石回填恢复治理对排土场、露天采场的影响与控制作用，并对系统整体稳定性作出评判。

1 工程岩体力学参数

迄今为止，铁矿一直在地下开采和生产。Ⅱ1矿体主体高程为400 m～705 m，采用高分段大间距无底柱分段崩落法开采，通过多年的开采，采空区的面积不断扩大，岩层活动频繁，地压危害区域不断扩大，形成了大量裂缝和塌陷坑，目前裂缝范围达0.36 km2，某些区域的最大下沉高度约为9 m[9]，塌陷坑平面如图1所示。

图1 地表塌陷范围

通过现场岩体结构面调查、岩石力学实验及岩体质量分级等工作，确定了宏观岩体力学参数（见表1），供数值模拟分析过程中采用。

2 FLAC3D数值模拟

利用 FLAC3D软件建立了大红山铁矿研究区域的三维几何模型，模拟工作面推进过程中顶板或上覆岩层变形与破坏的演化过程。模型共计3 285 100个单元和3 357 780个节点，如图2、图3所示。本次模拟过程采用无底柱分段崩落法，分别进行一期工程400 m以上矿体的开挖、二期工程370 m分段、340 m分段的开挖和340 m以下全部矿体的开挖。

表1 矿岩岩体力学参数

图2 整体模型

图3 模型典型剖面

在模型中的塌陷回填区域两端设置了监测点，10号监测点布置于回填体中部近地表，7号、9号监测点布置于靠露天采场一侧，11号、12号监测点布置于硝水箐排土场一侧，提取典型剖面（A37线）的z方向位移云图，观测监测点竖向的位移变化（见图4）以及应力的变化（见图5），分析不同监测点在地下开采活动时的剧烈程度与影响范围。

图4 位移监测点结果

图5 应力监测结果

典型剖面位移分析表明，矿体全部采完后，垮落松散体及回填体沉降区域位于采空区上部，波及范围达900 m标高附近，地表露天采场及排土场区域没有出现沉降位移。

由图4可知，每个监测点上竖向的位移变化始终为正值，说明随着采矿活动的进行，地下散体沉降塌陷没有波及到地表，采矿结束后，随着地下充填体的逐步密实，地表能保持稳定状态，不会对露天边坡及排土场的稳定性造成影响。

由图5可知，每个监测点代表的区域应力值始终为负值，说明该区域没有出现拉应力破坏情况，结论与图4位移监测结果保持一致。

3 塌陷区废石回填对硝水箐-南部废石场的影响

为了研究塌陷区回填排土场对硝水箐-南部废石场边坡稳定性的影响，做了2个剖面（Ⅰ、Ⅱ），如图6所示，采用极限平衡法对其稳定性进行分析。

图6 剖面线位置

本次计算分别考虑不同工况条件下的安全系数，计算结果见表2。

表2 安全系数计算结果

由表2可以看出：

（1）在自重条件下，塌陷区未回填、塌陷区回填后和塌陷区回填排土场边坡安全系数均大于1.20；在自重+地震工况条件下，塌陷区未回填、塌陷区回填后和塌陷区回填排土场边坡安全系数均大于1.15，整体边坡稳定性满足相关规范要求。

（2）Ⅰ、Ⅱ剖面在不同工况条件下，塌陷区未回填的安全系数均大于塌陷区回填后的安全系数，说明塌陷区回填排土场对硝水箐-南部废石场稳定性有一定的影响。

4 结论

（1）矿体全部采完后，垮落松散体及回填体沉降区域位于采空区上部，波及范围达900 m标高附近，地表露天采场及排土场区域没有出现沉降位移。

（2）通过模型内部位移及应力监测点的变化情况可知，监测点上竖向的位移变化始终为正值，地表区域无沉降发生；应力值始终为负值，没有出现拉应力破坏。结果表明，随着采矿活动的进行，地下散体沉降塌陷没有波及到地表。采矿结束后，随着地下充填体的逐步密实，地表能保持稳定状态，不会对露天边坡及排土场的稳定性造成影响。

（3）分析塌陷区回填排土场对硝水箐-南部废石 场边坡稳定性的影响可知，在自重+地震工况条件下，塌陷区回填后，整体边坡安全系数均大于1.15，整体边坡稳定性满足相关规范要求。