张思敏，翟盛锐

(华北科技学院 安全工程学院，北京 101601)

0 引言

随着我国对金属矿山的需求越来越大，露天金属矿山的开采强度也越来越高，但是由于当时的开采技术尚未成熟，各类设备不完善、水平低，以及没有健全相应的安全保障措施，许多的金属、非金属矿留下了大量未处理的采空区[1]。又因为矿山资源潜在的巨大利益，一些小煤窑等非法组织的乱采滥挖，极度扰乱了矿山秩序，不仅给企业、国家带来不少地质上的隐患，威胁着安全生产，还给当地居民耕地、水资源等生活保障带来严重威胁[2]。采空区形成后，一些地质灾害随之潜伏在矿山，例如坍塌、冒顶片帮、山体崩落等，采空区带来的隐患威胁着人民生命财产安全[5]。

文中基于三维激光扫描采空区得到的点云数据，运用FLAC3D软件，对充填方案的过程及结果进行模拟[8]，分析充填方案的可行性、安全性，并以经济的角度选用合理的充填材料和工艺技术对采空区进行充填，避免危险的发生。

1 采空区概况

某露天铁矿采空区于上世纪50年代形成，为历史遗留采空区，由于年代久远，采空区内部情况不明、附近岩层稳定性不明等问题，采空区问题一直没有得到解决。地下开采开拓方法采用的是平硐-盲竖井开拓，具体由2条平硐和1条盲竖井组成。采矿方法采用浅孔留矿嗣后充填，矿山地下开采总的开采顺序为由下向上分中段开采。矿山在同水平多矿体同时开采时，要先采上盘矿体后采下盘矿体，此露天矿山的充填工艺完整。根据三维激光扫描测量作业共测得7个钻孔采空区，均测得大范围采空区，测量所得的钻孔情况见表1。

表1 钻孔情况一览Table 1 List of drilling conditions

此露天铁矿的矿床类型属前震旦纪沉积变质型磁铁石英岩和赤铁石英岩。尾矿化学成分中SiO含量达65%～75%，SiO2的含量较高，达到了83%，全铁品位在8%～14%之间，属于高硅型的尾矿。在此露天铁矿生产中，出产尾砂量大，尾砂的平均粒度在0.04～0.20 mm。露天铁矿拥有2个尾矿库，尾矿量约600万m3，密度2.65 t/m3，见表2、3。

表2 某露天铁矿尾矿化学元素分析结果Table 2 Analysis results of chemical elements in tailings of an open-pit iron mine

2 采空区稳定性分析

为准确掌握采空区的三维形态、立体模型、空间分布、走向延伸等特征，首先基于三维激光的扫描技术的实景复制功能，根据图1所示的采空区钻孔布置，对采空区进行探测扫描[8]。将扫描的点云生成采空区三维模型如图2所示，导入FLAC3D中，对其进行稳定性分析。

表3 某露天铁矿尾矿颗粒级配关系Table 3 The particle gradation relationship of tailings in an open-pit iron mine

图1 采空区钻孔布置Fig.1 Drilling layout of goaf

图2 采空区三维模型Fig.2 3D model of goaf

计算范围沿X轴-80～100 m；沿Z轴-30～70 m；沿Y轴-40～60 m，作为模型边界。整个模型共划分11 160个单元体和12 768个节点，将采空区部分视为空单元进行模拟处理。

在模型的左右边界、前后边界及底部边界采用零位移边界条件，上边界为自由边界，在本次FLAC3D数值计算中的本构模型采用的是弹塑性本构模型，破坏准则利用摩尔-库伦准则。模拟采用的物理学参数和初始应力平衡参数见表4。

表4 岩石力学参数Table 4 Rock mechanical parameters

为分析露天铁矿采空区的稳定性，在三维激光扫描建模的基础上，将模型(图2)导入FLAC3D软件中运用FLAC3D的有限差分方法，对矿区内井下采空区的稳定性进行定量分析得到应力图，如图3、4所示。模拟分析统计探测钻孔周围岩层的稳定性[10]，可以得到表5、6。

图3 采空区围岩最大主应力云图Fig.3 Cloud map of maximum principal stress of surrounding rock in goaf

图4 采空区围岩最小主应力云图Fig.4 Cloud map of minimum principal stress of surrounding rock in goaf

表5 应力场参数Table 5 Stress field parameters

表6 周围岩层的稳定性Table 6 Stability of surrounding rock strata

根据结果分析得到，采空区已经影响到了周围岩层，为避免地质灾害的发生，从根本上解决采空区存在的隐患，需要对此采空区进行处理，选取全充填方案进行处理。

3 采空区充填

3.1 充填方案选择

对于采空区而言，常见的处理方式有“崩”“充”“封”“撑”4种，即崩落法、充填法、封闭法和加固法。其中，加固法主要用于采空区土方工程的公路和隧道建设，不常用作封闭采空处理。由于开采成本高，技术难度大，开采阶段采用崩落法的也比较少。在具体采空区的处理过程中，由于各矿区采空区的数量、位置和形态特征的不同，必须根据各采空区的特点和条件采取相应的处理方法。在该采空区处理的各种方案中，唯有充填法最符合实际。充填法设计难度较崩落法简单、经济，且不会给周围岩层带来二次破坏。以长远的目光来看，封闭法不适用于露天矿采空区治理，露天矿采空区一般位于边坡附近，日夜有土方车进行作业，极易造成封闭而不进行充填治理的采空区垮落。相较于其他方案，充填法设计简单、经济且有效，是目前露天矿采空区治理的最优选择[12]。

3.2 充填材料选择

充填骨料：分级尾砂和-3 mm棒磨砂。分级尾砂中的-30 μm细颗粒含量不能大于20%。

胶凝材料：采用32.5#普通硅酸盐散装水泥(容重30.38 kN/m3)和干粉煤尘(密度1 900 kg/m3)作为充填浆料用的胶凝材料。

膏体充填物料配合比及输送浓度见表7。

表7 膏体物料配合比参数Table 7 Mixing ratio parameters of paste materials

3.3 充填系统设计

本次采空区充填包含物料准备、搅拌制备膏体、泵送管道输送以及钻孔充填等工艺流程，主要步骤如下：①对尾矿进行再磨再选，达到平均粒级30 μm的标准，以20%浓度排放到尾矿库存放。充填采用的尾砂是用浓密机处理后密度为2.65 t/m3，容重为1.2 t/m3的尾砂，选厂尾砂通过渣浆泵加压后，输送至加压泵站加压，再由泵加压输送至压滤车间进行压滤，尾砂滤饼经皮带输送至尾砂库进行干排。目前此露天铁矿处理后尾矿量约6.0×106m3。②由电铲采集的-3 mm棒磨砂，经过二段破碎形成棒磨砂，然后采用火车运送至砂仓，采用抓斗皮带上料输送，圆盘定量给料，再由皮带输送到搅拌机。③粉煤灰在迁安某热电站收尘飞灰至储仓，然后采用专用汽车运输，并通过风力送入粉煤灰仓，再利用螺旋给料机通过皮带输送至搅拌机。④将水泥厂生产的水泥用水泥罐车运送至充填站，然后采用风力输送入仓，经过水泥活化搅拌机制浆后，使用渣浆泵送入最大生产能力为80 m3/h的搅拌机混合。⑤运用立式砂仓与两段搅拌工艺制备充填浆料。制备膏体时，连续搅拌作业要求大于13.5 m3/h，同时，要注意时刻给搅拌机里面加入定量的清水，充填用的骨料以及凝结剂等材料经过搅拌机的连续不间断搅拌，生产出适合充填用的高浓度膏体，这些膏体随即进入到受料斗开始输送。

4 结语

(1)在实地进行三维激光测量后，得到迁安市某露天铁矿附近的历史遗留采空区的详细数据。数据表明，使用三维激光扫描仪扫描采空区范围效果显著。

(2)运用FLAC3D对迁安市某露天铁矿地下采空区进行数值计算。成功完成了采空区周围岩层的位移、破坏单元模拟。通过研究露天铁矿采区地下采空区上覆围岩受采空区影响的变形特征情况与分布规律，得出了现露天铁矿采区地下采空区正处于一个比较稳定但仍存有巨大风险的状态，围岩有剪切破坏单元的产生，以及采空区顶板有沉陷趋势，为了更好地解决采空区的不稳定问题而提出使用充填法解决隐患。

(3)利用唐山迁安市某露天铁矿堆放的尾砂、自主生产的棒磨砂以及附近迁安电厂的粉煤尘作为充填骨料对采空区进行充填，从而有效地抑制尾矿扬尘，不仅改善了矿山环境，还避免了企业在复垦工作上不必要的经济损失。