深部富水破碎礦體開采技術試驗

趙澤虎，李祥龍，徐培良，王建國

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，昆明 650093；2.昆明理工大學 國土資源與工程學院，昆明 650093；3.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發利用重點實驗室(籌)，昆明 650093；4.云南錫業股份有限公司，云南 個舊 661000)

礦產資源作為人類社會賴以生存的物質基礎，也是國民經濟可持續發展的重要保障。但隨著淺層空間以及淺部礦產資源的不斷枯竭，礦產資源勘探及開采工作逐漸由淺層轉向深部。據不完全統計，未來十年以內，我國三分之一的地下金屬礦山開采深度將達到或超過1 000 m[1]。隨著開采深度的不斷增加，地下金屬礦山將會面臨一系列難題[2]，如沖擊地壓頻發、地應力增大、涌水加劇等[3-4]。而西南地區因地下水運動活躍，易導致地下金屬礦山形成富水破碎礦體，富水破碎礦體具有形態復雜多變[5-6]、礦體內穿插著廢石夾層、頂底板起伏幅度大、巷道和采場地應力增大[7]、支護穩定性較弱、易發生地壓災害等特點。因此研究富水破碎礦體開采及涌水治理[8]已成為解決該問題的關鍵。

諸多學者對富水破碎礦體開采與治理水害展開了較為深入的研究。門建兵等[9]結合礦體膠結充填采區的回采技術以及體積較大充填體環境下的回采次序相結合展開對現場的試驗性探究，明確了下向進路分層膠結充填法。張立等[10]對深部礦井涌水采用注漿封堵。韓貴興等[11]對破碎含水巷道采用注漿加固。曾月松等[12]對涌水巷道周邊半封閉注漿。楊騰等[13]引流慢滲注漿工藝對巷道圍巖進行加固等。

本文以云南錫業集團松樹腳錫礦為研究背景，針對深部采空區冒落、巷道塌陷和片幫、采空區大型塌方等[14]情況，采用尾砂膠結充填處理采空區。文中涉及的礦體地質環境相對較為復雜，針對富含水量極易破碎式礦體[15]的地質特點，以現場試驗的方式優化了采場參數，以此來改善深部富水破碎礦體的開采和礦巖裂隙水的治理。

1 采礦方法的初步確定

1.1 工程概況

云南錫業集團松樹腳錫礦30-14礦體厚度較薄，礦體賦存標高為+1 330～+1 400 m，沿走向長度約為200 m、120 m寬，鉛垂厚度1～18 m，礦體較為零散、破碎，位置在侵蝕基準層面以下，含水率高，屬地下深部的富水破碎類礦體，回采作業極其困難。礦體上部穿過+1 360 m中段的運輸巷道以及排水巷道，運輸巷道是采區內的重要運輸通道，排水巷道則為大箐東區域深部開挖的重要排水巷道(圖1和圖2)，其全年平均日涌水量為2.5萬m3，為了不產生極為嚴重的滲水事故，30-14礦體回采時需確保其頂板圍巖不發生移動變形。

圖1 礦體與巷道投射關系Fig.1 Projection relation between ore body and roadway

圖2 礦體與巷道位置關系Fig.2 Position relation between ore body and roadway

1.2 采礦方法的初步確定

通過分析以往學者對房柱法[16]、下向進路式分層膠結充填采礦法的相關技術指標對比和數據模擬分析研究可知，房柱法在生產水平方面稍有優勢，除此以外，其他的技術指標都不如下向進路式分層膠結充填法。通過對礦體進行試驗性開采，對下向進路式分層膠結充填法在深部富水破碎礦體中的可適用性進行驗證。兩種礦體的主要技術經濟指標見表1。

表1 兩種采礦方法的主要技術經濟指標

2 涌水治理

2.1 富水巖石理論

裂隙水主要是礦井水的來源之一，隨著礦井開采深度的增加，地下水量也會有所增加，礦體中存在構造裂隙、地表水與地下通道聯通、節理和溶巖裂隙水，使得礦井水突出，近年來，國內對礦井裂隙水治理研究取得很大的成效[17]。

2.2 治理方案

試驗開采方案實施前，首先應控制富水地層的涌水。一些學者[18-19]通過現場試驗、理論分析和數值模擬對礦井巖體裂隙水進行注漿封堵技術治理，在分析礦體的水文地質因素后可知，開采礦體時突水事故主要來源于其上部的排水通道，在前人研究的基礎上，針對本礦的實際情況給出了治理涌水的三種方案：1)采用帷幕注漿技術；2)在礦體的底部修建大型的水倉進行排水；3)澆灌排水通道防滲。以上方案中，對其工程量大小、施工困難程度、經濟成本等各方面的指標計算后，最為經濟合理的是方案三。采取對巷道的底板和兩幫進行灌漿澆筑，同時鋪設預防滲漏的塑料膜以及橡膠止水帶，如圖3所示。需要防滲治理的總長為800 m，其中需全部施工的總長為582 m，已支護兩幫僅需澆筑底板的長度為218 m。在對排水巷道進行澆筑時，首先將其與運輸巷道相連的接口進行灌漿封堵，巷道內的排水泵轉移至運輸通道中，以供臨時排水使用，排水巷道注漿封堵施工工期為35 d，工程施工完成后，30-14礦體的主斜坡道處的涌水量顯著下降，由最初的2 000下降至1 100 m3/d。由此可見，此方法治理涌水的成效顯著。

圖3 排水巷道堵水方案斷面圖(單位：mm)Fig.3 Water shut off plan of drainage roadway(Unit：mm)

3 試驗過程

3.1 開采順序

為了提高礦石的出礦量，優化開采施工順序，現場工業試驗具備對南盤區第一、二層進行回采的條件。南盤區進路高度為3.5～4.5 m，作為切頂層，為了保證回采能力，共對9條進路進行了回采，采出礦石1.875萬t，共充填混凝土4 817 m3。為達到生產能力及滿足開采和充填之間的平衡，將第一層的回采循環備用工作面作為第二層的回采聯絡巷道進行施工，其生產能力較為均衡，能夠達到日產量200～250 t。最后對北盤區進行施工投產，依據礦體的儲存量以及回采安全的需要，使貧富礦結合回采，首先用與第一次進路方向相同的方法開采儲量較小的第五層礦石，回采的進路共有三條，共采出0.577萬t礦石，混凝土充填料高達1 485 m3；在第五層回采、充填完成后，開始回采資源儲量高且品位良好的第六層礦體。實現礦體回采能力達到450～500 t/d，最終，使南北兩盤區實現同時回采。

為滿足南北兩盤區的回采、充填平衡所需，增加兩臺運輸混凝土車輛，使日充填量達到200 m3。為滿足每個盤區能正常開采，需要對開采順序進行優化，至少保證每個盤區兩個回采工作面，同時保障每個盤區有一個充填作業面和一個備用作業面。

3.2 施工技術及解決措施

鋪設底筋時，為了能使相鄰進路充填后連成一體，在進路兩側預留0.5 m，為了增強充填體的穩固性和整體性，在敷設鄰近進路的底筋時應與預留的主筋相連。在完成(214+7)m進路的充填以及(214+11)m進路的回采時，發現其預留的底筋無法找到，難以將其相連，為了使兩條進路連接一體，則需重新穿過圓鐵進行打眼，顯然增加了施工成本。對現場情況進行理論試驗分析，應采用直徑在12 mm及以上的鋼筋和預留0.5 m底筋相連使其連為一體。在回采相鄰兩側進路時，能夠快速地找到預留的主筋，同時，將其與即將充填的進路連成一個完整的整體，從而使鄰近進路的底筋與預留的主筋相連，達到設計的要求，回采進路的吊筋詳見圖4。

圖4 回采進路吊筋圖Fig.4 Steel hanger figure of stoping approach

在礦體進行回采初期，每一條充填進路的長度應控制在20～25 m，并采用C20規格的混凝土作為承載層和接頂層，分別對5、6、7、8、10 m長的接頂層做了現場試驗，根據相關文獻資料和實際現場經驗，采用水泥砂漿對接頂層進行充填，對C20混凝土料對應的長度進行現場試驗，將兩種充填效果分析對比。經過軟件對實驗數據分析，得出如圖5所示的兩種充填材料對應的各接頂長度與接頂率關系。

圖5 混凝土、水泥砂漿接頂率分布關系圖Fig.5 Distribution diagram of concrete and mortar connection

從圖5可以看出，水泥砂漿的接頂效果在很大程度上比混凝土充填料好，在采用水泥砂漿對接頂層充填時，接頂長度l控制在5～7 m才能保證接頂效果好，且接頂率η超過了70%，為下一層礦體的回采提供了安全保障。

4 現場實施效果評價

采用下向進路式分層膠結充填法，在回采過程中，礦體的涌水量變化情況如下：7月前日均涌水量為500 m3，7月后日均涌水量為800～1 000 m3。在采礦過程中，頂板圍巖未監測到發生移動形變的情況。從圖6統計的出礦量可以看出，從礦體回采開始(3～10月)，礦體出礦量從0.33萬t逐漸增加到1.582萬t，日出礦量也從100 t逐漸增長到500 t，基本滿足礦山生產能力的要求。

圖6 30-14礦體3～10月份出礦量Fig.6 Output of 30-14 ore body from March to October

5 結論

針對云錫松礦30-14深部礦體水量富集破碎情況，采用澆灌排水通道防滲治水有效地治理了巖石裂隙水，通過優化回采順序和采用下向分層膠結充填采礦法，保證了礦山的生產能力。

1)通過對30-14礦體的試驗性開采，證明了采用下向進路式分層膠結充填采礦法對類似于云錫松礦30-14礦體的深部水量富集的破碎礦體進行開采具有很強的適用性，實現了礦體生產能力目標。

2)治理滲水的措施及采切工程布局技術既能確保經濟適用、安全施工，又能使各礦層的安全開采得到保障，具有較強的廣闊應用前景。

3)開采試驗過程中仍然存在回采成本高、生產率較低等缺陷，在今后的研究中應加強對采礦技術和其他經濟指標的研究，提高礦石的生產率并降低經濟成本。