注漿加固松散覆巖干式充填體技術研究與應用

陳南海 王 志 程祝祥 鐘國鴻 唐志超

（1.紫金礦業集團股份有限公司；2.龍興有限責任公司；3.紫金(長沙)工程技術有限公司）

隨著礦山開采的不斷進行，資源量減少，松散覆巖充填體下的殘礦資源以及淺部殘留礦柱資源的開發利用受到礦山的普遍重視。對這些資源進行回采，普遍存在諸如頂板不穩固等方面的安全風險。

為了最大限度地回收松散覆巖充填體下的殘礦資源，擬采用注漿法，通過漿液滲透將碎石集料顆粒膠結成體，以提高松散體的強度，形成具有一定承載性能和強度的完整固結體，即人工假頂，從而保障回采的頂板安全［1-2］。

1 工程概況

某金礦已開采多年，目前礦井采深超過1 000 m，并逐年遞增，礦石品位也呈下降趨勢，而礦山前期受采礦方法的局限，上部中段基本采用空場法回采，遺留了大量高品位礦柱，這些殘礦資源周圍空區都進行了廢石干式充填，若想回收這部分殘礦資源，則必須考慮干式充填體的控制和處理措施。

根據對殘留礦柱資源的調查與統計，這些資源平均金品位為9.87 g/t，可回收金金屬量高達233.85 kg。這些資源主要為頂底柱礦，部分原有采場留有間柱，礦柱相鄰原采場均采用干式充填方法，進行了未接頂充填。為了保障殘留礦柱資源的安全回采，研究確定采用注漿加固松散覆巖充填體，使之形成具有一定強度與穩固性的人工假頂，保障回收過程的頂板安全。

殘留礦塊主要由井下350 m 中段原350-7#采場頂柱及400 m 中段原400-7#采場底柱構成，采場實測平面圖見圖1，試驗采場長50 m，350-7#采場頂柱厚5～7 m，400-7#采場底柱厚5.5 m，寬度為礦塊厚度，平均4.4 m。回采時為了保障頂板安全，視散體固結情況及人工假頂穩定性留點柱。采礦方法示意見圖2。

2 膠結體與底柱圍巖相互作用模型

松散覆巖注漿膠結體形成的人工假頂層與圍巖的力學環境直接影響底柱的回采，它的單元形態確定膠結體的承載性能和變形特性，成形方式決定凝結體的膠結強度［3-4］。結石率、注漿材料的膠結強度和彈性模量等宏觀因素影響膠結體的穩定性［5-6］。

注漿膠結充填體假頂作用于底柱之上，具有較高強度，其假頂的受力情況見圖3。底柱回采時起到承載上覆充填體的作用，同時作為梁、板支撐限制圍巖變形，采場圍巖的變形引起注漿膠結體內的應力變化，以阻礙圍巖的變形［7-8］。

3 注漿加固方案與應用

3.1 現有干式充填體特征

礦山經過30 余年的開采，上部中段干式充填體在爆破震動和裂隙水的作用下，碎石細顆粒在充填體底部形成了板結，板結層密度高、裂隙少，厚度在6.2～12.6 cm，注漿充填時可作為天然的阻漿墻，有利于漏漿的控制。

3.2 注漿孔布置

根據350 m 中段試驗采場結構參數與干式充填體的現場充填特征，結合漿液的流動性能，在脈內巷設計注漿鉆孔，如圖4 所示。在脈內巷頂部布置5 個注漿孔，在巷道左右拱肩各布置1 個注漿孔，沿脈內巷方向每10 m 設置1排，每排設置3個鉆孔直至采場長度。施工時采用φ42 mm 風鉆鉆頭打孔，鉆孔角度根據現場礦體傾角實際進行調整，孔深8～12 m，注漿厚度經計算為8 m。

3.3 注漿工藝及流程

3.3.1 注漿設備

注漿施工時主要用到的設備有注漿泵、花管、注漿槍、封堵材料等，其主要設備性能參數見表1。

3.3.2 注漿材料

試驗采場上部覆巖松散體注漿材料主要包括425#普通硅酸鹽水泥、水玻璃和水。雖然被注充填體經長年累月沉降固結，但散體間裂隙不均勻性較大，個別鉆孔可能存在注漿量較大卻沒有明顯壓力增長，此時應加注水玻璃，縮短膠凝時間，提高注漿效率［9］。

3.3.3 漿液配比

（1）純水泥漿液：水泥種類為425#普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比以（質量比）0.6∶1和0.8∶1，共2種。

（2）水泥-水玻璃雙液注漿：水泥為425#普通硅酸鹽水泥，水玻璃為液態水玻璃，其配比為水泥與水比例為0.8∶1（質量比），水泥漿液與水玻璃比例為5∶1（體積比）。

3.3.4 注漿施工流程

根據現場作業條件，為了保障松散覆巖充填體內的成孔率，施工流程如下：①注漿前先施工第1 排共3個注漿孔；②先對巷道左右拱肩處的注漿孔進行注漿施工作業，再對中間孔進行注漿作業；③施工第2排鉆孔，完成第2排孔注漿，鉆孔注漿交替作業直至完成全部孔的注漿作業。注漿固結工藝流程見圖5。

4 注漿固結穩定性數值模擬計算與分析

根據礦山試驗采場的實際情況，利用COMSOL物理場仿真計算軟件，以試驗采場底柱、注漿固結體、松散覆巖和上下盤作為模型計算組件，建立模型長、寬、高分別為50、18和40 m，模型見圖6。

在回采底柱殘礦時，試驗采場底柱厚度為5.5 m，礦房長度50 m，礦體平均寬度4.4 m，第一次回采高度為2.5 m，第二次回采高度為3 m。本次模擬計算嚴格按照注漿固結、養護、回采、充填的步驟進行，模型計算時，記錄回采過程中圍巖與膠結充填體的應力應變狀態和位移情況，輸入礦巖力學參數及初始條件，模擬計算結果見圖7。

根據圖7可知，試驗采場頂部出現了3 cm的最大位移，底部沒有出現位移情況。說明底柱在注漿膠結松散體厚度為8 m 時的回采過程中較為安全，為了充分保障最后一層回采時頂板的可靠性，可采取一定的支護措施。

5 應用及效果

注漿工業試驗實施過程中，注漿初期散體裂隙率較大，漿液流通性能好，注漿壓力基本維持在2.4 MPa 左右，為了更好地控制漿液流動范圍，避免漿液充填到非目標區域，造成漿液浪費，增加成本，同時提高注漿質量，在注漿初期提高漿液濃度，采用添加水玻璃雙液注漿的方式間歇性注漿來控制漿液的流動范圍［10］。注漿材料消耗費用見表2。

350 m 中段試驗采場廢石散體注漿加固過程中，總共設置了注漿孔32 個，補孔5 個。在散體鉆孔因廢石塊度較大，充填體在長年爆破振動過程中整體密實性較好，部分鉆孔底部出現了塌孔。但整體上注漿固結后人工假頂保持了較好的穩固性，為回采底柱提供了良好的頂板安全，提高了礦石回采率，減少了廢石混入率，降低了礦石貧化，為礦山企業創造了較好的經濟效益。

6 結論

（1）針對礦山空場嗣后干式充填的殘留礦柱回收技術難題，提出采用注漿的方式固結干式散體充填料，使之形成具有一定強度與穩固性的整體，保障礦柱回采的頂板安全，可為類似殘留礦柱的回采提供借鑒。

（2）礦柱在回采過程中，沒有出現冒頂、垮塌現象，固結完整性較好。如果采場跨度較大，可預留點柱，減小頂板暴露面積，保證回采過程中的頂板安全。

（3）試驗采場上部散體覆巖注漿后，礦柱回收了1 223.4 t 高品位金礦石，回采率高達78.53%，減少了上部廢石的混入，礦石貧化率控制在12%以內，干式散體覆巖注漿固結取得了較好的效果，提高了經濟效益。