CN104653224B - 露天坑尾砂胶结充填治理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及留有露天境界顶柱的露天转地下矿山的治理方法，特别是一种露天坑尾砂胶结充填治理的方法。依据矿山充填系统输出性能稳定的配比等级与料浆浓度，选择露天坑尾砂胶结充填料浆的灰砂比和浓度；选择露天坑边帮危险区域，圈定潜在滑移区域的最上水平，得出治理高度；根据露天坑现状计算存放富余尾砂的高度；依据矿山选场尾砂排放与地下矿山尾砂消耗能力，计算尾砂富余量，确定充填分层高度；依据阶段个数和充填料浆灰砂比等级，运用正交试验理论确定不同阶段充填灰砂比方案；通过有限元理论计算方案充填后，地下矿体开采与露天境界顶柱回收后的稳定性，确定选用方案。本发明能达到露天坑的安全治理，减弱地下开采与周边重要构筑物的影响。
Description
技术领域
本发明涉及留有露天境界顶柱的露天转地下矿山的治理方法，特别是一种露天坑尾砂胶结充填治理的方法。
背景技术
随着浅部资源的逐渐枯竭，国内很多金属矿山均面临着露天转地下开采这一特定的开采时期。随之而来的露天转地下开采边坡岩体滑移及边坡的安全稳定问题；部分非法采空区与露天坑底形成透点，露天坑，露天边坡雨季汇水进入非法采空区后通过断层、节理和裂隙渗流至井下，既影响井下施工的安全，又增加了排水的费用，对矿山的安全生产影响重大。合理解决露天采坑遗留的安全问题，已成为露天转地下后采用空场法和充填法开采矿山安全生产的保障。另一方面随着露天转地下的开采，尾矿排放量大，尾矿库容积不足，出现尾矿无法排放的情况和建设尾矿库时征地困难这一系列问题的出现，影响日常生产工作顺利进行，严重制约矿山发展，利用尾矿处理露天采坑，能达到露天坑的安全治理，减弱地下开采与周边重要构筑物的影响，解决尾矿库的建设与征地问题，是一个很好的治理方法。
本发明治理的露天坑属于影响型露天坑，利用尾砂治理主要有尾砂干堆和尾砂胶结充填两种方法，目前常用的方法为前者，但其需要增加矿浆浓缩脱水设备，增加费用和管理工作。采用尾砂胶结充填治理露天采坑，相当于将其看做一个大的采场空区进行充填，对于露天转地下采用充填法的矿山实施简便可行，但是其结构参数的确定不同于地下充填采场结构参数。
发明内容
本发明就是针对留有露天境界顶柱的露天转地下矿山，地下采用充填采矿方法的影响型露天坑采用尾砂胶结充填治理方案的确定。
确定了治理方案结构参数包括充填料浆灰砂比与浓度、充填总高度、阶段高度、分层高度、不同阶段充填料浆灰砂比。
结构参数的确定通过以下技术方案实现：
1)露天坑尾砂胶结充填料浆的灰砂比和浓度的选择，依据矿山充填系统输出性能稳定的配比等级与料浆浓度来确定。
选择露天坑边帮危险区域，采用有限元理论分析其稳定程度，圈定潜在滑移区域的最上水平，得出治理高度H
1
。
根据矿山采矿方法、生产能力和服务年限，计算出尾砂富余量，根据露天坑现状计算存放富余尾砂的高度H
2
H
1
，H
2
的最大值为露天坑充填总高度，H
总
。
本发明应用于留有露天境界顶柱的露天转地下矿山。露天采坑胶结充填治理阶段高度的确定是在考虑回收境界顶柱资源的基础上，运用三带理论进行计算。
设计境界顶柱回收的采矿方法，确定空区高度H
空
。
根据空区高度，计算出冒落带高度，H
冒
，H
冒
=H
空
/(K-1)，K为岩石松散系数。
根据空区高度，计算出裂隙带高度，H
裂
，H
裂
AH
空
/(BH
空
+C)，A，B，C是与岩体力学特性相关的系数。
阶段高度，H
阶
，H
阶
=D(H
冒
+H
裂
)，D为安全系数，1.5~2.5。
分层高度的确定，依据矿山选场尾砂排放与地下矿山尾砂消耗能力，计算尾砂富余量，同时考虑便于滤水工程施工，确定充填分层高度。
根据充填总高度和阶段高度确定阶段个数。依据阶段个数和充填料浆灰砂比等级，运用正交试验理论确定不同阶段充填灰砂比方案。通过有限元理论计算不同方案充填后，地下矿体开采与露天境界顶柱回收后的稳定性，提取计算结果的位移、最大主应力、塑性区指标，对不同方案进行评价后确定合理方案。
本发明确定的露天坑尾砂胶结充填治理方案经济合理，能达到露天坑的安全治理，减弱地下开采与周边重要构筑物的影响，解决尾矿库的建设与征地问题，露天坑恢复治理奠定基础。
附图说明
图1矿山典型剖面开采现状图。
图2矿山典型剖面开采现状水平位移分析图。
图3露天坑胶结充填阶段分布图。
图4露天坑方案一充填治理塑性区分布图。
图5露天坑方案二充填治理塑性区分布图。
图6露天坑方案三充填治理塑性区分布图。
图7露天坑方案四充填治理塑性区分布图。
图8露天坑方案五充填治理塑性区分布图。
图9露天坑方案六充填治理塑性区分布图。
图10露天坑方案七充填治理塑性区分布图。
图11露天坑方案八充填治理塑性区分布图。
具体实施方案
下面以某矿山具体实例，结合附图对影响型露天坑（影响型是指周边存在重要建、构筑物或露天坑下部有地下开采活动的露天坑）尾砂胶结充填治理方案确定方法做进一步详细说明。图中2中、图4至图11中：灰色区域为弹性区，白色为塑性区。
露天坑尾砂胶结充填料浆的灰砂比和浓度的确定。
露天采坑尾砂胶结充填料浆来自充填站。矿山充填系统提供灰砂配比小于1:8左右时，浓度70%左右的充填料浆时，系统工作效果稳定，为此露天采空区充填料浆灰砂配比选定为1:8、1:10、1:20三个等级，料浆浓度70%。
充填总高度的确定：
(1)选择露天坑边帮危险区域典型剖面(如附图1所示)，采用有限元理论分析其稳定程度，圈定潜在滑移区域的最上水平，得出治理高度H
1
(以水平位移为例分析，如附图2所示)为60m。
根据矿山采矿方法、生产能力和服务年限，计算出尾砂富余量，根据露天坑现状计算存放富余尾砂的高度H
2
为80m
充填总高度，H
总
为H
1
，H
2
的最大值，即80m。
阶段高度的确定
露天采坑胶结充填治理阶段高度的确定是在考虑回收境界顶柱资源的基础上，运用三带理论进行计算。矿山露天转地下过程中，为了保证产量衔接，留设了露天境界顶柱厚度在22m左右。采用上向水平分层充填法回收分层高度约3.4m。空区高度即充填不接顶高度，取0.5m。
计算出冒落带高度，H
冒
，H
冒
=H
空
/(K-1)。松散系数取1.5，H
冒
为1.0m。
根据空区高度，计算出裂隙带高度，H
裂
，H
裂
=AH
空
/(BH
空
+C)，A取100，B取0.85，C取6.2，H
裂
为7.55m。A，B，C是与岩体力学特性相关的系数。
阶段高度，H
阶
，H
阶
=D(H
冒
+H
裂
)，D为安全系数，取2.3，H
阶
为19.6m，取整数最终确定，H
阶
为20m。
根据充填总高度确定阶段个数为4个，H
阶1
、H
阶2
、H
阶3
、H
阶4
，如图3所示。
分层高度的确定，依据矿山选场尾砂排放与地下矿山尾砂消耗能力，计算尾砂富余量，同时考虑便于滤水井工程施工(一次施工高度为1.6m)，确定充填分层高度为1.5m。施工顺序为先砌筑滤水井1.6m，在充填1.5m高度的胶结料浆，充填体达到设计强度后，在进行1.6m高的滤水井砌筑，依次循环。
依据阶段个数和充填料浆灰砂比等级，运用正交试验理论确定不同阶段充填灰砂比方案。通过有限元理论计算不同方案充填后，地下矿体开采与露天境界顶柱回收后的稳定性，提取计算结果的位移、最大主应力、塑性区指标，对不同方案进行评价后确定合理方案。
实例矿山的阶段个数为4个，H
阶1
为境界顶柱开采影响区域，取高等级灰砂比1:8，H
阶2
、H
阶3
、H
阶4
的灰砂比可选等级为1:8、1:10、1:20。
根据正交试验原理设计，将三个不同充填区间为三个因素，三种不同的灰砂比为三个水平。计算方案采用三因素三水平的正交表确定，共有9组充填方案，如表1~2所示。
表1不同充填区间的灰砂比取值水平
表2不同充填区间的充填体灰砂比方案
(3)选择典型剖面，运用有限元理论对不同充填方案进行模拟计算，提取评价指标进行分析，确定合理方案。
提取露天采坑采用不同方案充填后最终工序的塑性区分布情况(如附图3~10所示，方案九计算不收敛不进行评价分析)。露天坑的胶结充填体允许局部破坏(产生塑性区)，但不能形成导水通道，同时应考虑充填成本，基于此原则对不同方案进行优化。
通过对比分析不同方案的塑性区可以看出，露天坑胶结充填第一阶段采用灰砂比1:8充填料浆充填时没有塑性区(图4-11所示)。露天坑胶结充填第二阶段采用灰砂比1:8充填料浆充填时没有塑性区(图4-6所示)，采用灰砂比1:10、1:20充填料浆充填时产生贯通塑性区(图7-11所示)。露天坑回填第三阶段采用灰砂比1:8充填料浆充填时没有塑性区(图4、7、10所示)，采用灰砂比1:10充填料浆充填时产生局部塑性区(图5、8、11所示)，采用灰砂比1:20充填料充填时浆产生贯通塑性区(图6、9所示)。露天坑回填第四阶段采用灰砂比1:8充填料浆充填时没有塑性区(图4、9、11所示)，采用灰砂比1:10充填料浆充填时产生小区域塑性区(图5、7所示)，采用灰砂比1:20充填料浆充填时产生局部塑性区(图6、8、10所示)。
基于上述分析最终确定露天坑不同阶段充填料浆灰砂比为，H
阶1
、H
阶2
段为1:8；H
阶3
为1:10，H
阶4
为1:20。
Claims (3)
1.一种露天坑尾砂胶结充填治理的方法，按如下步骤实施：
a、依据矿山充填系统输出性能稳定的配比等级与料浆浓度，选择露天坑尾砂胶结充填料浆的灰砂比和浓度；
b、选择露天坑边帮危险区域，采用有限元理论分析露天坑边帮危险区域的稳定程度，圈定潜在滑移区域的最上水平，得出治理高度H1；
根据矿山采矿方法、生产能力和服务年限，计算出尾砂富余量，根据露天坑现状计算存放富余尾砂的高度H2；
H1或H2两者中的最大值为露天坑充填总高度，H 总；
c、当留有露天境界顶柱的露天转地下矿山时，露天采坑胶结充填治理阶段高度的确定是在考虑回收境界顶柱资源的基础上，运用三带理论进行计算：
设计境界顶柱回收的采矿方法，确定空区高度H 空；
根据空区高度，计算出冒落带高度，H 冒，H 冒=H 空/(K-1)，K为岩石松散系数；
根据空区高度，计算出裂隙带高度，H 裂，H 裂=AH 空/(BH 空+C)；A、B、C是与岩体力学特性相关的系数；
阶段高度，H 阶，H 阶=D(H 冒+H 裂)，D为安全系数：1.5~2.5；
d、分层高度的确定：依据矿山选场尾砂排放与地下矿山尾砂消耗能力，计算尾砂富余量，确定充填分层高度；
e、根据充填总高度和阶段高度确定阶段个数；依据阶段个数和充填料浆灰砂比等级，运用正交试验理论确定不同阶段充填灰砂比方案；通过有限元理论计算充填方案后，根据地下矿体开采与露天境界顶柱回收后的稳定性，提取计算结果的位移、最大主应力、塑性区指标，进行评价后确定选用方案。
2.根据权利要求1所述的露天坑尾砂胶结充填治理的方法，其特征在于：矿山充填系统提供灰砂配比小于1:8时，浓度70%充填料浆时，系统工作效果稳定；露天采空区充填料浆灰砂配比选定为1:8、1:10、1:20三个等级，料浆浓度70%。
3.根据权利要求1所述的露天坑尾砂胶结充填治理的方法，其特征在于：步骤d中，计算尾砂富余量，需要同时考虑便于滤水工程施工，确定充填分层高度。
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