強富水灰巖區下礦體綠色開采理念與實踐

劉培正 孫向遠 周 偉 張傳信 胡永泉

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.徐州鐵礦集團有限公司，江蘇 徐州 221000)

強富水灰巖區下礦體綠色開采理念與實踐

劉培正1,2孫向遠3周 偉3張傳信1,2胡永泉1,2

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.徐州鐵礦集團有限公司，江蘇 徐州 221000)

針對吳莊鐵礦井下涌水量大，地表有村莊，農田不允許塌陷，尾礦庫已飽和等復雜的開采環境，提出了適合該礦的綠色開采理念及技術措施。采取“地表井下聯合以帷幕注漿為主的外截內排”的防治水方案，即在地表灌溉渠澆筑、錨噴以阻斷地表水體對井下的間接補給，地面帷幕注漿封堵富水斷層，阻斷水源通道，以及井下澆筑堵水墻防止注漿液從突水點涌出、流失的地面井下聯合防治水措施。選用分段空場采礦嗣后充填法，利用尾砂膠結料及時對空區進行充填，為空區頂板和注漿帷幕的穩定性提供了保障，避免了地表塌陷。 研制了一種適合2種進料方式的地表充填站，取自尾礦庫的干料采用自卸汽車運輸至充填站，由大傾角皮帶機輸送至砂倉，而選廠排放的尾砂，直接經管道泵送。項目實施后，井下正常涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，降低了76%，節省了排水費用，并且保護了地下水資源；采用的充填采礦法避免了地表塌陷，減少了征地及遷村的費用，同時將回采率由原來的67%提高到89%；而選用尾砂作為充填料，又有效解決了尾砂堆放的問題。

綠色開采 帷幕注漿 聯合防治水措施 嗣后充填法 大傾角皮帶

1 綠色開采理念

資源的開采規模迅速增加，凸顯了對環境的影響。如資源開采造成地表良田、村莊塌陷，廢石及尾砂等固體廢棄物的大量堆置，井下涌水的排放造成地下水源干枯等。至今，與我國資源粗放型和超產能生產相伴的礦難事故還沒有完全得到控制，而同樣十分嚴峻的資源浪費及環境破壞也亟待從開采的源頭上解決[1]。針對煤礦開采引起的礦難災害、資源浪費和環境破壞問題，錢鳴高院士[2-3]率先提出實現煤礦綠色開采的理念，并相繼發表了一系列旨在建立煤礦綠色開采基礎理論和技術框架的論文，突破了傳統的采煤技術，為煤炭行業的發展指明了方向。綠色開采的內涵是減少資源開采對環境的破壞，實現資源-經濟-環境三者統一協調的開發過程。其目的是以采取相應的開采技術，從廣義資源的角度認識和對待尾砂、廢石、水、土地等一切可以利用的資源，取得最佳的經濟效益、環境效益和社會效益。煤礦綠色開采的技術措施主要包括減沉開采、煤與瓦斯共采、保水開采、矸石減排等。

與煤礦不同，冶金礦山一方面在選礦過程中產生大量的細粒尾砂，甚至貴金屬礦山選礦產出絕大部分為尾砂。大量細粒尾砂的堆置不僅占用過量的土地和破壞堆置場原有的生態環境，而且隨著尾礦量的不斷增加，尾礦庫壩體逐漸加高，不安全隱患隨之增加。另一方面，鑒于冶金礦山礦體形態、產狀和地質條件復雜多變，且開采多屬于非充分開采，礦體開采引起的地表塌陷具有突然性、局域性與隨機性的交叉作用特點，國內外尚未形成較成熟、系統和準確的方法來研究地面塌陷的形成機理以及控制對策。

本研究結合吳莊鐵礦井下涌水量大，地表有村莊、農田不允許塌陷，尾礦庫已飽和等復雜的開采環境，提出了采用地表井下聯合帷幕注漿、空場采礦全尾砂嗣后充填法等綠色開采技術，在現場取得很好的應用效果。

2 吳莊鐵礦的開采環境及存在問題

(1)開采技術條件。礦體埋深標高-264～-520 m。主礦體總的走向為130°～140°，傾向北東。礦體于4線向北東凹折，使4線兩側產狀有所變化：4線～10線礦體走向約110°，傾角43°～35°，4線～1線走向145°，傾角25°～15°，可見自西向東礦體產狀逐漸平緩。從礦體厚度變化來看，沿礦體走向方向礦體厚度變化較大，總的趨勢是向端部變薄，厚度變化范圍為幾米至幾百米不等，屬緩傾斜至傾斜厚大礦體。礦體及頂底板圍巖除接觸帶多為破碎、穩固性較差外，其余區域穩固性均較好。礦體主要產于下奧陶系灰巖區，巖溶裂隙發育普遍，巖溶水非常豐富。根據對井下實際涌水量統計，平均涌水量在1 260 m3/h，最大1 600 m3/h。礦區地表為農田和村莊，不允許塌陷。同時，礦山面臨著尾礦庫庫容已飽和、選廠尾砂無處堆放的難題。

(2)開采現狀。礦山現采用下盤豎井開拓系統、生產規模50萬t/a。為了防止地下水突然涌入采場及巷道，在礦區北部-480 m標高以上1#和2#礦體區域留有部分礦量(457.17萬t)作為防水礦柱。根據礦體賦存條件及地表情況設計分段采礦法和無底柱分段崩落法。礦山在回采3#礦體時采用分段采礦法回采，沿礦體走向布置礦房、礦柱，礦房寬15 m，礦柱寬10 m。4#礦體-330 m中段現正在進行回采準備工作，設計采用無底柱分段崩落法。

(3)開采存在的問題?，F有或設計采礦方法不能滿足要求，主要表現在：首先若繼續采用空場法或崩落法開采，巖溶水涌入空區或隨著上覆巖體崩落涌入覆蓋層，極易造成突水和泥石流事故，且該2種方法易造成地表塌陷，尤其是無底柱分段崩落法，進而影響到地表大量良田和民房；其次，采用的分段采礦法留有大量礦柱支撐頂板，造成大量資源的損失，現分段采礦法的回采率僅為67%，原設計推薦的無底柱分段崩落法回采率和貧化率指標更差。吳莊鐵礦礦石品位較高且品質好，不宜采用高損失、高貧化率的采礦方法。

3 綠色開采理念在吳莊鐵礦的研究與實踐

3.1 聯合防治水措施

采取“地表井下聯合以帷幕注漿為主的外截內排”防治水方案。即地表灌溉渠澆筑、錨噴以阻斷礦區地表水體微山湖水與該礦區地下水的聯系；地面帷幕注漿封堵富水斷層，阻斷水源通道；并且在井下澆筑堵水墻。通過以上措施改變礦區水文地質條件，使礦區井下得不到或得到較少的水源補給，減小礦坑涌水量，進而結合現有的排水設施排放。

(1)地表灌溉渠澆筑、錨噴隔水處理。義和莊北側開挖的灌溉渠道常年有水，且渠底低于微山湖湖面，渠道部分地段灰巖裸露、巖溶裂隙發育，水體對礦區地下水具有直接的滲透補給作用。在地面修建工程設施，減少礦坑排水及地表水體對地下水的滲漏補給作用。包括2項工作，一是修建防滲渠道，地面灌溉渠采用澆筑和錨噴隔水處理，將從礦坑中排出的水調往礦區北部的伊家河，消除其對礦區對地下水的補給；二是在礦區南部和西部的排洪大溝，采用混凝土澆筑河床防滲層，防止其內的地表水滲漏至井下。

(2)地面帷幕注漿。根據水文地質物探成果及其他資料分析，礦坑地下水的補給來源主要來自礦床的西部、南部和東部3個方向。西部方向：分析礦區西部的來水通道主要有F5、F3、F1 計3條斷層含水帶，斷層走向近東西，上部被石炭紀地層覆蓋，下部尖滅于巖漿巖接觸帶上，推算垂直高度300 m左右，南北控制寬度90 m；斷層帶內裂隙、巖溶發育，充填物很少，與礦床內標高-380 m突水點水力聯系較密切。東部方向：F1斷層在礦區東部地段裂隙巖溶均較發育，透水性好，并與富水性較好的北東向構造破碎帶連通，是礦區東部需要封堵的主要含水、導水帶。南部和西南部方向：礦區南部和西南部奧陶系灰巖分布面積較大，在礦區排水的影響下，該區域地下水均向礦床徑流，包括礦區東南部的北東向構造破碎帶也接受南部地區地下水的徑流補給，所以該區段封堵對象為南部和西南部地區的地下水側向徑流。結合礦區的地形地貌條件，選擇在吳莊礦區以西、義和莊以東布置水文孔及注漿孔。鉆孔根據斷層平面投影寬度進行布置，F1、F3、F20平面投影寬度84～250 m，鉆孔剖面總長約1 190 m，鉆孔數33個。其中：F3斷層帶布置鉆孔12個，F3～F1布置鉆孔3個，F1～F1-1布置鉆孔2個，F0布置鉆孔13個，F20布置鉆孔3個，水文觀測孔1個。鉆孔最深583.24 m、最淺242.85 m，實際完成鉆孔總工作量為14 677.42 m。

(3)井下澆筑堵水墻。為配合地面注漿工作，防止水泥漿液從突水點涌出、流失，吳莊鐵礦在井下標高-430 m中段、-380 m中段和-330 m中段巷道等突水點澆筑了堵水墻。

(4)堵水效果。吳莊鐵礦地面帷幕注漿工程劃分為南、北2個區，北區以封堵斷層導水為主，南區則以封堵巖溶裂隙為主。北區注漿效果：北區的注漿以封堵F3和F5斷層為主。在F3斷層上共布置了ZK02等7個注漿孔。注漿結束后-330 m中段涌水量由注漿前的180 m3/h降至現在的50 m3/h，水量減少130 m3/h。在F5斷層含水通道上對ZK53等8個注漿孔進行了注漿。注漿前-380 m水平巷道平均出水量為167.27 m3/h，經注漿封堵后出水量為83 m3/h，水量減少了84.27 m3/h。南區注漿效果：南區在巖溶發育區及F0斷層上共施工16個鉆孔。通過F0斷層鉆探揭露情況，斷層角礫膠結致密，不漏水，注漿量少，而巖溶裂隙發育區巖溶裂隙較發育，注漿量較大。

配合地面帷幕工程的同時，采取井下澆筑堵水墻，義和莊地表灌溉渠澆筑、錨噴隔水處理等措施，礦區總涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，礦井涌水量降低了76%，成功堵截了大部分地下水。

3.2 分段空場嗣后充填法

(1)礦塊布置。結合4#礦體走向長度，沿走向劃分3個盤區，每個盤區長度為62 m。2個盤區之間布置1條盤區礦柱，礦柱寬10 m，其內布置運輸巷及溜井工程，盤區高度為50 m，寬度以礦體水平厚度為準。在每個盤區內，垂直礦體走向方向劃分礦塊。礦塊內劃分礦柱采場和礦房采場各1個，先回采礦柱采場，后回采礦房采場。在礦塊內每10 m掘分段鑿巖巷，各分段鑿巖巷采用斜井連通。

(2)采場結構參數。參考類似礦山的開采經驗，礦柱采場跨度取8、10和12 m 3個水平，礦房采場跨度取10、12、14 m 3個水平，頂柱厚度為4、6、8 m 3個水平，采用正交試驗設計計算方案。從降低采切工程量的角度，在保證采場安全前提下，研究推薦采用礦柱采場跨度8 m、礦房采場跨度12 m、頂柱厚度6 m。

圖1為礦房采場回采結束后，采場圍巖抗剪安全系數等值線圖。從圖1可以看出，采場隅角處產生剪應力集中，安全系數等值線在該區域形成了閉合的曲線。同時，由于充填體抗剪強度較小，安全系數最小發生在礦柱采場底部充填體內，只有1.15，在掘進時應進行必要的支護。

圖1 抗剪安全系數等值線圖

從圖2最大主應力分布等值云圖可以看出：在采場圍巖的頂底板區域出現了拉應力區，最大拉應力為2.91 MPa，小于礦巖的抗拉強度3.64 MPa。

圖2 最大主應力分布等值云圖

(3)采場底部結構選擇優化。結合礦房采場和礦柱采場布置形式，初步選擇鏟運機出礦的塹溝式底部結構，并根據出礦巷道和塹溝布置位置不同，提出4種不同的塹溝式底部結構方案。

通過詳細的技術經濟比較，最終研究推薦“適于井下二步驟回采的采場底部結構”。即2個采場劃分1個單獨的出礦單元，見圖3。出礦巷道分別布置礦房采場和礦柱采場的中部，2采場共用1條裝礦進路，本采場出礦巷道作為另一個采場的塹溝。具體為：首先回采礦柱采場，塹溝布置其底部中間，出礦巷道布置在礦房采場中部，出礦巷道和塹溝采取裝礦進路聯通；礦柱采場回采結束后，采用尾砂膠結體充填空區，待充填體強度達到要求后，在充填體內反掘礦柱采場塹溝，并進行噴錨支護，作為礦房采場的出礦巷道，而原礦柱采場出礦巷道作為回采礦房采場的塹溝。

圖3 分段空場采礦法底部結構

3.3 充填尾砂來源

充填材料選用選廠尾砂，每年尾砂充填消耗量約17.6萬t，而吳莊鐵礦尾砂產率為35.8%，每年尾砂產量為17.9萬t，基本能保證采充平衡。但是，礦山現正對1#、2#和3#礦體開采形成的老采空區進行充填，選廠尾砂已不能滿足充填需求，欠缺的尾砂通過向鄰近礦山采購或從尾礦庫取砂。

兼顧2種不同的充填材料，研制了一種高效、靈活的充填設備。取自尾砂庫或從鄰近礦山采購的干料，采取自卸汽車運輸至充填站，然后由大傾角皮帶機輸送至砂倉；選廠排放濃度20%左右的砂漿，經管道直接泵送至砂倉。

4 結 論

針對吳莊鐵礦地下涌水量大、地表為村莊和良田、礦體回采率低、尾礦庫庫容飽和等復雜的開采環境，提出了適合本礦的綠色開采理念，從廣義資源的角度對待礦產資源、水、尾砂、土地等一切可以利用的資源，基本出發點是防止或盡可能減輕礦體開采對環境的不良影響。項目的實施，取得了較好的經濟效益和社會效益，主要體現在以下幾個方面：

(1)根據水文地質物探成果及其他以往資料，因地制宜地提出了“地表井下聯合以帷幕注漿為主的外截內排”的防治水方案。聯合防治水方案的實施，使井下涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，每年排水量減少840.96萬m3，并節省排水費用1 214.7萬元。

(2)研究采用了分段空場嗣后充填采礦法，回采率由原來的67%提高到89%。同時，由于將選廠排放的尾砂全部用于空區充填，真正實現了無廢開采，且避免了礦區地表塌陷和節省了尾礦庫征地和建設費用。

(3)在成功堵截了地下水和采用嗣后充填保護了注漿帷幕穩定性的條件下，實現了457.17萬t防水礦柱的安全回采。

(4)提出了“適于井下二步驟回采的采場底部結構”。該底部結構既可服務于一步驟回采的礦房采場，又可為二步驟回采礦柱采場服務，大大減少了底部結構工程量，降低了采切比，提高了底部結構的穩定性，節省了二步驟回采的開采成本和準備時間。

(5)根據礦山采用的2種充填材料，研制出一種高效、靈活的充填設備，分別經大傾角皮帶和管道送至砂倉。

[1] 繆協興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望 [J].采礦與安全工程學報，2009，26(1)：1-14. Miao Xiexing，Qian Minggao．Research on green mining of coal resources in China：current status and future prospects [J].Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(1)：1-14.

[2] 許家林，錢鳴高.綠色開采的理論與技術框架 [J].科技導報，2007，25(7)：61-65. Xu Jialin，Qian Minggao．Concept of green mining and its technical framework[J]．Science & Technology Review，2007，25(7)：61-65．

[3] 錢鳴高,許家林,繆協興.煤礦綠色開采技術 [J].中國礦業大學學報，2003，32(4)：343-348. Qian Minggao,Xu Jialin，Miao Xiexing.Green technique in coal mining [J].Journal of China University of Mining Technology，2003，32(4)：343-348.

(責任編輯 石海林)

TheoryandPracticeofGreenMiningofOre-bodyunderLimestoneDistrictwithAbundantWater

Liu Peizheng1,2Sun Xiangyuan3Zhou Wei3Zhang Chuanxin1,2Hu Yongquan1,2

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.,Maanshan243000,China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine,Maanshan243000,China；3.XuzhouIronMineGroupLtd.,Xuzhou221000,China)

Aiming at the complex mining conditions of heavy water inflow underground,subsidence of village and farmland not allowed,and saturated tailing pond in Wuzhuang Iron Mine,the theory and the related technological measures of green mining for the mine are proposed as follows.Adopting the water prevention and control program of “inner plugging and outer discharging with curtain grouting as main in surface and underground”,that is,stopping indirect water supply from surface to underground by irrigation channel cementing and anchoring.In this process,curtain grouting plugs the water-rich faults to cut off water from surface,at the same time the water-blocked wall at underground is built to prevent from the grouting liquid gushing and washing away from water gushing point.Taking the sublevel open-stoping method with subsequent backfill.Tailing cementing material are timely filled into the mined-out area to ensure the stability of goaf roof and grouting curtain and to prevent surface subsidence.Building the backfill station on surface for two kinds of feeding method.Dry materials from tailing pond are transported to the backfill station by truck and conveyed into sand bunker by large inclined angle belt conveyor,while the tailings from concentration plant are pumped by pipeline directly.After this program put into practice,underground water inflow decreased from 1 260 m3/h to 300 m3/h,lower by 76%,and also the drainage costs are saved and underground resources are protected.The backfill mining method avoids from surface subsidence,decreases land requisition and village relocation,and raises the mining recovery from 67% to 89%.Also,with tailings as backfill materials,the tailing stacking problem is solved.

Green mining,Curtain grouting,Water prevention and control measure,Backfill mining method,Large inclined angle belt conveyor

2014-10-08

劉培正(1984—),男，工程師，碩士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-12-045-04