下向分層進路似膏體充填采礦法在大水礦山帷幕注漿后的應用實踐

朱禮淵，西曰峰

(萊鋼集團萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 濟南 271100)

0 引言

谷家臺鐵礦水文地質(zhì)條件復雜，礦床地質(zhì)構造和灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，礦床最大涌水量達7.5萬m3/d，是華北地區(qū)的大水礦山。由于疏干難度大，該礦采用礦體近頂板灰?guī)r帷幕注漿堵水技術，經(jīng)過多年來持續(xù)不斷地鉆探注漿，基本解決了開采范圍內(nèi)的地下水隱患。但要在注漿形成的灰?guī)r帷幕保護層下安全的進行采礦生產(chǎn)，選用合適的采礦方法至關重要。

1 地質(zhì)概況

谷家臺礦床是一大型熱液交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體呈似層狀，局部呈囊狀，產(chǎn)狀嚴格受閃長巖與奧陶系中統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r接觸帶所控制，走向 SE-NW，全長 2300 m，傾向 NE，傾角為 30°～40°，埋深為 56～962 m，平均厚度為 15 m。礦石以中細粒致密塊狀的磁鐵礦為主，硬度系數(shù)f=8～12，TFe平均含量47. 98%，礦石節(jié)理裂隙不發(fā)育，穩(wěn)定性好。礦體頂板主要為大理巖，硬度系數(shù)f=8～10，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強，穩(wěn)固性較好；下盤主要為閃長巖，巖石致密堅硬，穩(wěn)固性較好，局部為蝕變閃長巖、矽卡巖，巖石松軟、易破碎，需支護。

礦區(qū)地處萊蕪斷陷盆地內(nèi)，是地下水匯集之處，地表有嘶馬河橫穿礦體中部，方下河從礦體西端通過，雨季河流流量較大。主要有2個含水層，分別是第四系砂礫石層和奧陶系灰?guī)r，兩含水層之間有第三系紅砂巖隔水層，但該層局部有缺失，形成補水“天窗”。地表含水層通過“天窗”與礦體頂板灰?guī)r含水層相連，補給豐富。礦床地質(zhì)構造發(fā)育，灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，地下水徑流通道暢通，靜儲量大，屬于大水礦山。

2 注漿堵水概況

礦床開采的主要危害為地下水，根據(jù)抽水試驗，疏干水位呈平盤式下降，波及范圍廣，疏干非常困難，且易在“天窗”地段造成地面塌陷等環(huán)境破壞問題，為實現(xiàn)綠色安全采礦，防治水采用了近礦體頂板灰?guī)r注漿堵水方案。該方案是在井下近礦體向上盤灰?guī)r內(nèi)施工鉆孔，然后注入單液水泥漿，對巖溶裂隙等導水構造進行充塞密實，形成平行于礦體的傾斜帷幕隔水層，以防止地下水進入采場，保障采礦生產(chǎn)的安全。

注漿堵水方案分3步實施。第1步為施工框架探水孔，先在中段水平距礦體下盤邊界 20 m 左右施工探水孔，鉆孔超出礦體上盤邊界，可起到探礦、探水、保護性預注漿等作用，具體網(wǎng)度為20 m×40 m；第2步為施工垂直注漿孔，即掘進硐室到礦巖邊界，施工垂直鉆孔到上盤灰?guī)r內(nèi)50 m外，初步形成帷幕注漿層，施工網(wǎng)度為10 m×10 m；第3步為施工上盤平行注漿孔，即掘進硐室到上盤灰?guī)r內(nèi)30 m處，施工與礦體平行的扇形孔，進行加強注漿，同時能起到檢驗 1、2步注漿效果，查漏補缺的作用。通過以上3步鉆孔注漿工程，在礦體頂板灰?guī)r內(nèi)形成了縱橫交錯的立體鉆孔注漿體系，構成了高堵水率、圍巖穩(wěn)固的井下注漿帷幕體。目前井下生產(chǎn)采場僅有少量淋水，整個礦井排水量降至 7000 m3/d，治水效果顯著。

3 選擇采礦方法

注漿堵水形成的隔水帷幕雖然給礦體回采提供了較強的安全保障，但帷幕體本身在地質(zhì)構造帶可能存在薄弱處，同時又易受到采掘活動和地壓活動影響，一旦受到破壞，容易重新形成導水通道，給礦山安全生產(chǎn)帶來風險。因此要實現(xiàn)在注漿帷幕下的安全采礦，所選的采礦方法必須與治水方案相匹配，不能引起大的地壓活動，不能對采場頂板帷幕保護層帶來破壞。參照國內(nèi)外大水礦山的實踐經(jīng)驗，只有充填采礦法能滿足要求，為此，谷家臺鐵礦在充填采礦方面不斷進行探索和改進，先后應用過上向水平分層點柱式充填采礦法、長錨索預控頂上向分段充填采礦法等采礦方法，但這些方法都存在一定弊端，后來借鑒金川公司經(jīng)驗，形成了適合本礦山的下向進路似膏體充填采礦法。

下向分層進路似膏體充填采礦法和上向進路充填法一樣，把礦體劃分為合適大小的盤區(qū)，然后以盤區(qū)為單位，采用成套的機械化設備進行回采，兩者不同之處在于，下向采礦是在充填體頂板的保護下，自上而下分層進行進路采充作業(yè)。該方法成功的關鍵在于形成高強度的穩(wěn)定充填體頂板。該方法具有空頂面積小、空頂持續(xù)時間短、每次爆破藥量小、產(chǎn)生的爆破振動小等特點，非常有利于保護注漿帷幕體，并具有礦石回采率高、貧化損失小、頂板安全可靠等優(yōu)點。

4 機械化盤區(qū)下向分層進路膠結充填采礦法

4.1 盤區(qū)劃分和采場工藝參數(shù)

4.1.1 盤區(qū)劃分

沿礦體走向每 100～150 m 劃分為一個盤區(qū)，盤區(qū)厚度為礦體厚度；以盤區(qū)作為回采單元組織生產(chǎn)，盤區(qū)之間留有10～15 m寬礦柱，以加強對頂板的支撐及地壓控制。

4.1.2 采場工藝參數(shù)

中段垂直高度為50 m，劃分成3個分段，分段高度為15～18 m，各分段沿脈巷道施工并通過分段斜坡道聯(lián)通；每分段水平服務 3～4個分層（上 1層，平1層，下1～2 層），層高為4.0～4.5 m，通過分層斜坡道聯(lián)系。進路寬度為4.0～5.0 m，高度為分層高度，進路長度為 30～50 m。薄礦體采用沿脈方向布置，厚礦體采用上下分層回采方向交錯布置。中段水平沿脈方向每隔100 m 布置一條溜井和一條通風井，兩井和各分段巷道聯(lián)通，溜井用于出礦巖，通風井兼做泄水、充填管道井。

4.2 回采工藝

4.2.1 回采順序

盤區(qū)回采是按分層從上到下回采，上一分層采、充填結束后再采下一層，回采方式為“隔二采一”或者“隔三采一”。 每盤區(qū)3～4條同時開采，控制各條進路進度，保持近似一起結束，集中進行封堵充填，減少采礦和充填的工序并保證充填充分接頂，使充填體在具備一定強度后充當相鄰回采進路的支柱和下一層的人工假頂，可減小采空區(qū)暴露面積，有效控制采場地壓。

4.2.2 鑿巖爆破

采用鑿巖臺車鑿巖，孔徑Φ45 mm，孔深2.6 m，采用含大空孔直眼筒形掏槽方式，炮孔數(shù)量根據(jù)兩幫和頂板是否為充填體而不同，一般布置 45～63個。采用2號巖石乳化炸藥，毫秒微差塑料導爆管起爆。掏槽和輔助孔采用Φ38 mm卷狀 2號巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥，周邊孔采用Φ27 mm 卷狀乳化炸藥不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.67。使用運藥皮卡車運送爆破器材，使用在裝藥平臺車人工裝藥。平均裝藥系數(shù)為62.86%。平均炮孔利用率為87.1%，炸藥單耗為 0.52 kg/t。

4.2.3 出礦

采用3 m3電動鏟運機出礦，礦石通過脈外溜礦井到達下部運輸中段大巷，通過有軌電機車牽引2 m3礦車運輸，卸載到破碎站，破碎后裝箕斗提升到地表。

4.2.4 支護

頂板若充填體穩(wěn)固性好，一般不需要額外支護，只對兩幫破碎或無假頂區(qū)域才采取素噴或者噴錨網(wǎng)支護。噴漿采用實施噴漿，谷家臺鐵礦在地表建有濕噴配套混凝土攪拌站，采用2臺混凝土攪拌運輸車從主斜坡道經(jīng)各分段、分層巷道運輸噴砼料到達各作業(yè)面，采用混凝土濕噴臺車進行噴漿支護。地表混凝土制備通過添加合成纖維來提高混凝土的強度和韌性，防止噴漿層開裂，提高噴漿支護質(zhì)量，其效果較好。局部破碎處采用錨桿臺車進行打錨桿和掛網(wǎng)施工。通過噴漿和錨網(wǎng)支護工序的機械化設備的更新應用，提高了支護質(zhì)量，同時避免了傳統(tǒng)人工支護時，人員需在不安全圍巖下作業(yè)的弊端，從而在本質(zhì)上保障了施工人員的安全。

4.3 充填

采用全尾砂膠結似膏體充填工藝，公司自產(chǎn)膠固粉作為充填膠凝材料，選礦全尾砂作為充填料。由于尾礦含泥量過高，細度-400目含量達63.02%，當充填料漿濃度達到55%左右，能滿足似膏體充填需要時，為減少尾砂處置費用和節(jié)約膠固粉用量，通過添加巴斯夫 MF505流變劑來提高充填料漿流變性能。現(xiàn)場實踐表明，應用充填料漿濃度達到60%后，流變性能仍能滿足井下充填需要。

4.3.1 充填料漿制備

充填材料為選礦廠選鐵全尾砂，尾砂密度為2.63 t/m3，礦物組成以硅酸鐵為主，有少量赤褐鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦、碳酸鐵、方解石、綠泥石、金云母等。全尾砂采用兩級濃縮，選廠尾砂進入Φ32 m高效濃密機濃縮后，由底部渣漿泵泵送至充填車間無動力深錐濃密機進行再次濃縮，兩次濃縮都需添加絮凝劑加速沉降。每臺深錐濃密機可儲存尾砂1200 m3，為穩(wěn)定獲得高濃度料漿，采用3臺深錐濃密機交替進行充填作業(yè)。濃縮的尾砂通過濃密機底部濃漿泵輸送至雙軸攪拌機，同時膠固粉倉的膠固粉經(jīng)螺旋給料機和計量稱進入雙軸螺旋攪拌機進行一段攪拌，然后混合料漿添加巴斯夫 MF505流變劑后，進入立式螺帶攪拌槽進行二段攪拌活化，制備成濃度為60%的充填料漿。

4.3.2 充填料漿輸送

制備好的充填料漿，采用高密度固體泵通過充填管路泵送至井下采空區(qū)進行充填。輸送泵選用 3臺PM公司制造的型號為HPS25100的高密度固體泵，2臺互為備用。

4.3.3 采空區(qū)平場鋪網(wǎng)

（1）采用小型挖掘機進行采空區(qū)平場，形成150 mm厚的碎礦石層，作為下分層采礦時的頂板緩沖層來保護充填體。

（2）在底板碎礦石層上，縱向鋪設間距為 1米的三角桁架，在三角桁架上鋪設網(wǎng)度為Φ6.5 mm，200 mm×400 mm 的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)周邊要長出0.3 m用來和相鄰進路的鋼筋網(wǎng)進行焊接，最終整個分層水平鋼筋網(wǎng)連接形成一個整體。

（3）在采空區(qū)施工1.0 m×1.0 m網(wǎng)度的吊掛筋，用來連接上下分層充填體。吊筋采用Φ12 mm螺紋鋼筋，每根吊筋下端安裝吊環(huán)預埋至碎礦石中，上端連接在上層預埋的吊環(huán)上，首采水平需要頂板施工固定錨桿來連接吊筋。

4.3.4 井下充填

（1）封堵墻由無縫鋼管、鋼筋網(wǎng)片及濾布構成，支撐結構借鑒地表腳手架，采用Φ75 mm無縫鋼管作為立柱，用Φ50 mm的無縫鋼管為橫撐，立柱和橫撐用卡扣連接，在空區(qū)內(nèi)部用鋼絲繩把橫撐拉緊固定在兩幫錨桿上。鋼筋網(wǎng)片用鐵絲固定在立柱內(nèi)側，上邊敷設濾布，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5 mm，100 mm×100 mm，濾布由兩層構成，內(nèi)層用蚊帳布，外層用麻袋片。

（2）根據(jù)空區(qū)長度，每隔15 m設置一條充填進料管，為保證接頂質(zhì)量，在每個獨立高點設置一條排氣管。空區(qū)一般分3次進行充填，第1次為打底充填，膠固粉添加濃度為 230 kg/m3，第2次和接頂充填膠固粉濃度為180 kg/m3，平均為200 kg/m3。目前井下充填體試塊單軸抗壓強度為：7 d為 2.0 MPa，28 d為3.5 MPa，能夠滿足下向采礦需要。

5 主要經(jīng)濟技術指標

主要經(jīng)濟技術指標為：盤區(qū)生產(chǎn)能力：12000～15000 t/月；礦石回收率：95%；原礦貧化率：5%；千噸采準比：4.46 m/kt。

6 結論

（1）谷家臺鐵礦應用機械化盤區(qū)下向分層進路膠結充填采礦法，已回采鐵礦石近 500萬 t，通過運用光纖傳感技術對已采礦房頂板帷幕層進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測（地壓、巖移、溫度等），未發(fā)現(xiàn)有大的沉降變形，現(xiàn)場跟蹤觀察上盤觀察鉆孔，也無涌水等異常現(xiàn)象。

（2）機械化盤區(qū)下向分層進路膠結充填采礦法，進路采礦避免了大爆破對頂板帷幕的破壞，高強度接頂充填體與預留礦柱對礦體頂板及上盤圍巖實施了有效支撐，從而避免了帷幕保護層的斷裂破壞，滿足了大水礦山傾斜帷幕下的采礦要求。