一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法 技术领域 本发明涉及一种采空区上方建尾矿库的方法， 尤其是涉及一种不充填采空区上方 直接建尾矿库的方法。适用于各类矿山采空区上方构建尾矿库的研究、 分析和应用。
背景技术 尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别 后排除尾矿的场所， 是维持矿山正常生产的必要设施， 是矿山企业最大的环境保护工程项 目。可以防止尾矿向江、 河、 湖、 海、 沙漠及草原等处任意排放。
目前， 尾矿库的类型有山谷型尾矿库、 傍山型尾矿库、 平地型尾矿库、 截河型尾矿 库。尾矿库的基建投资一般约占矿山建设总投资的 10％以上， 占选矿厂投资的 20％左右， 有的几乎接近甚至超过选矿厂投资。尾矿设施的运行成本也较高， 有些矿山尾矿设施运行 成本占选矿厂生产成本的 30％以上。为了减少运行费， 有些矿山的选矿厂厂址取决于尾矿 库的位置。为了尽量不占或少占农田， 不迁或少迁村庄， 减少尾矿库征地、 基建投资和运行 的成本， 尾矿库的选址十分重要。
尾矿库选址研究论证是一个工作复杂， 经历时间长， 综合面广， 整体概念强的工 作。近年来， 由于征购土地和搬迁农户越发困难， 建设尾矿库的费用更高。特别是一些受当 地地形条件、 规划等的限制， 很难在现有厂区以外范围征地建尾矿库， 使得矿山企业不得不 考虑在采空区上方建尾矿库。
但由于尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流的危险源， 一旦失事， 将给工农业 生产及下游人民生命财产造成巨大的灾害和损失。 尤其在采空区上方建尾矿库， 在国内， 甚 至于世界上也极为少见。一旦采空区上覆岩体塌陷引起透水跑砂事故， 就会对下部采矿安 全及井下数百人的生命财产构成极大威胁。
本发明根据采空区上覆岩体和围岩的地质、 构造特点， 系统地研究地层、 岩性等工 程地质条件、 水文地质， 试验分析岩体强度、 尾矿及矿浆特征， 对岩体强度采用模糊 - 随机 法确定 ； 对采空区采用交域柱体稳定性分析法、 弹塑性有限元分析法， 对堆载尾矿库采用有 限元渗流场分析、 稳定性和可靠性分析， 同时运用价值工程理论遴选尾矿库库址。
发明内容 本发明的目的就是针对现有技术中的缺失， 而提供一种不充填采空区上方直接建 尾矿库的方法， 既解决采空区上方建尾矿库的安全隐患、 保证大型深井矿山的正常生产， 又 节约采空区处理费、 尾砂堆存征地费及运营费。
为实现本发明上述目的， 本发明一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法通过 以下技术方案来实现 ：
(1) 采空区调查 ： 系统地对采空区的具体位置、 采空区大小、 高度， 顶底板岩性及 稳定状况， 矿柱大小及稳定性能， 采空区倾角变化、 裂缝与构造及地下水状况等进行调查， 分析验算采空区相关参数 ；
(2) 顶板覆岩稳定性分析 ： 将顶板覆岩分块调割成交域不规则柱体进行稳定性分析； 所述的交域不规则柱体是以尾矿库与采空区边界水平投影交域为界， 垂直切割尾 矿库和采空区之间的顶板覆岩， 顶部以尾矿库表面为界， 底部以采空区为界构成的一个不 规则柱体 ；
所述的稳定分析是根据采空区走向与尾矿库走向呈 + 字交叉特点， 对交域不规则 柱体采用分块调割、 累加统计， 并结合国内外资料推导出公式进行分析计算 ；
(3) 按照尾矿库的加载下对采空区进行弹塑性有限元分析 ： 利用有限元法进行采 空区的模型开挖， 分析在尾矿库加载下的采空区应力状态、 变形特征及其变化规律 ；
所用的软件为地下采矿专用 NFP 软件， 对采空区进行位移及应力分析 ；
(4) 地下水渗流场分析 ： 用有限元计算出结点水头， 并用计算机输出水位线 ；
(5) 尾矿库的稳定性及可靠性分析 ： 用 Fillenius、 Bishop、 Sarma 法进行稳定性分 析， 并用蒙特卡罗 (Monte-carlo) 模拟法进行可靠性分析 ；
(6) 尾矿库库址选择 ： 采用价值工程理论分析法遴选较优的尾矿库库址 ；
(7) 尾矿库建设 ： 包括初期坝、 尾砂堆积坝和排水系统。
上述弹塑性有限元分析是利用有限元法进行采空区的模型开挖， 分析其应力状 态、 变形特征及其变化规律。
上述蒙特卡罗 (Monte-carlo) 模拟法是一种依据统计抽样理论， 利用电子计算机 研究随机变量的数值计算方法， 是可靠度计算相对精确的方法。
上述价值工程理论是指运用集体智慧和有组织的活动， 对目标工程进行功能分 析， 使之以最低的总成本， 可靠地实现目标工程的必要功能， 从而提高目标工程价值的一套 科学的技术经济分析方法。
本发明一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法通过以上技术方案具有以下 积极效果 ：
(1) 消除了特大型采空区上方构建尾矿库的安全隐患， 确保了大型深井矿山的正 常生产 ；
(2) 节约了采空区处理费、 尾砂堆存长距离输送费及运营费， 直接经济效益显著 ；
(3) 首次在采空区上方建尾矿库， 能为国内外同行起借鉴作用， 同时该成果直接转 化为生产力， 将产生巨大社会效益。
附图说明
图 1 为本发明一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法的纵向投影图。 具体实施方式
为进一步描述本发明， 下面结合附图和实施例对本发明一种不充填采空区上方直 接建尾矿库的方法作进一步详细描述。
图 1 所示的为本发明一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法的原理与布置 纵向投影图。附图标记为 ：
1- 地表 ； 2- 采空区 ； 3- 矿柱 ； 4- 顶板覆岩 ； 5- 尾矿库 ； 6- 初期坝 ； 7- 尾砂堆积坝 ；8- 排水系统。
由图 1 所示的是本发明一种不充填采空区上方直接建尾矿库的方法的原理与布 置纵向投影图看出 ：
通过对采空区 2 的调查和矿柱 3 岩石力学试验， 将顶板覆岩 4 分块调割成交域不 规则柱体进行稳定性分析 ； 在尾矿库 5 的加载下对采空区 2 进行弹塑性有限元分析 ； 在对 采空区 2 不处理的情况下构建尾矿库 5， 尾矿库 5 主要包括初期坝 6、 尾砂堆积坝 7 和排水 系统 8， 此处的排水系统 8 为溢流井。图 1 中示出的矿柱 3 的个数为三个。
采空区上方建尾矿库方案的设计与施工可以分为三个阶段 ：
第一阶段采空区的调查与研究。系统地对采空区的具体位置、 空区大小、 高度， 顶 底板岩性及稳定状况， 矿柱大小及稳定性能， 空区倾角变化、 裂缝与构造及地下水状况等进 行调查， 分析验算采空区相关参数 ； 综合国内外资料推导新的公式， 建立评判依据， 采用交 域柱体稳定分析 ； 应用地下采矿专用 NFP 软件， 对采空区进行位移及应力分析。
第二阶段在采空区的调查与研究基础上， 确定尾矿库选址、 尾矿坝及排水系统布 置要求 ； 尾矿坝的位置、 结构型式、 施工要求 ； 排水量、 排水方式和排水系统设置 ； 监测与安 全检查方式、 内容及制度的建立 ； 应急预案的制定。
第三阶段在确定库址方案的基础上进行尾矿库设计与施工。
本发明提供的方法已在我国某大型地下有色矿山——特大型采空区上方成功地 建造了尾矿库的工程实践。 该实施例由库区内钻孔封闭、 采空区上方尾矿库的布置、 采空区 封闭、 采空区位移监测等五大部分 ( 系统 ) 组成。该实例于 1998 年开始实施， 至 2009 年 4 4 月完成堆存尾砂干量 185×10 t。据工程验证勘察检测， 尾矿库和采空区均处于稳定状态 ； 采空区及地表相对最大位移量趋于 0。该项目成功实施后取得了显著的经济社会效益。
(1) 消除了特大型采空区上方直接建尾矿库的安全隐患， 确保了大型深井矿山的 正常生产 ；
(2) 从节约采空区处理费、 尾砂堆存长距离输送费及运营费计直接经济效益 0.8 亿元， 保障矿山安全生产的间接效益 5 亿元 ；
(3) 实现了不充填采空区上方直接建尾矿库的开创性成果 ；
(4) 据调查统计， 我国空场法开采的矿山比例占 50 ～ 60％， 留下了大量的采空区， 某矿特大型采空区上方直接建尾矿库的成功， 为类似地矿、 水利、 建筑等工程提供了实例， 具有广泛地推广应用前景。