深部富水破碎矿体开采技术试验

2021-05-27赵泽虎李祥龙徐培良王建国

有色金属（矿山部分） 2021年3期

赵泽虎，李祥龙，徐培良，王建国

(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明 650093；2.昆明理工大学国土资源与工程学院，昆明 650093；3.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室(筹)，昆明 650093；4.云南锡业股份有限公司，云南个旧 661000)

矿产资源作为人类社会赖以生存的物质基础，也是国民经济可持续发展的重要保障。但随着浅层空间以及浅部矿产资源的不断枯竭，矿产资源勘探及开采工作逐渐由浅层转向深部。据不完全统计，未来十年以内，我国三分之一的地下金属矿山开采深度将达到或超过1 000 m[1]。随着开采深度的不断增加，地下金属矿山将会面临一系列难题[2]，如冲击地压频发、地应力增大、涌水加剧等[3-4]。而西南地区因地下水运动活跃，易导致地下金属矿山形成富水破碎矿体，富水破碎矿体具有形态复杂多变[5-6]、矿体内穿插着废石夹层、顶底板起伏幅度大、巷道和采场地应力增大[7]、支护稳定性较弱、易发生地压灾害等特点。因此研究富水破碎矿体开采及涌水治理[8]已成为解决该问题的关键。

诸多学者对富水破碎矿体开采与治理水害展开了较为深入的研究。门建兵等[9]结合矿体胶结充填采区的回采技术以及体积较大充填体环境下的回采次序相结合展开对现场的试验性探究，明确了下向进路分层胶结充填法。张立等[10]对深部矿井涌水采用注浆封堵。韩贵兴等[11]对破碎含水巷道采用注浆加固。曾月松等[12]对涌水巷道周边半封闭注浆。杨腾等[13]引流慢渗注浆工艺对巷道围岩进行加固等。

本文以云南锡业集团松树脚锡矿为研究背景，针对深部采空区冒落、巷道塌陷和片帮、采空区大型塌方等[14]情况，采用尾砂胶结充填处理采空区。文中涉及的矿体地质环境相对较为复杂，针对富含水量极易破碎式矿体[15]的地质特点，以现场试验的方式优化了采场参数，以此来改善深部富水破碎矿体的开采和矿岩裂隙水的治理。

1 采矿方法的初步确定

1.1 工程概况

云南锡业集团松树脚锡矿30-14矿体厚度较薄，矿体赋存标高为+1 330～+1 400 m，沿走向长度约为200 m、120 m宽，铅垂厚度1～18 m，矿体较为零散、破碎，位置在侵蚀基准层面以下，含水率高，属地下深部的富水破碎类矿体，回采作业极其困难。矿体上部穿过+1 360 m中段的运输巷道以及排水巷道，运输巷道是采区内的重要运输通道，排水巷道则为大箐东区域深部开挖的重要排水巷道(图1和图2)，其全年平均日涌水量为2.5万m3，为了不产生极为严重的渗水事故，30-14矿体回采时需确保其顶板围岩不发生移动变形。

图1 矿体与巷道投射关系Fig.1 Projection relation between ore body and roadway

图2 矿体与巷道位置关系Fig.2 Position relation between ore body and roadway

1.2 采矿方法的初步确定

通过分析以往学者对房柱法[16]、下向进路式分层胶结充填采矿法的相关技术指标对比和数据模拟分析研究可知，房柱法在生产水平方面稍有优势，除此以外，其他的技术指标都不如下向进路式分层胶结充填法。通过对矿体进行试验性开采，对下向进路式分层胶结充填法在深部富水破碎矿体中的可适用性进行验证。两种矿体的主要技术经济指标见表1。

表1 两种采矿方法的主要技术经济指标

2 涌水治理

2.1 富水岩石理论

裂隙水主要是矿井水的来源之一，随着矿井开采深度的增加，地下水量也会有所增加，矿体中存在构造裂隙、地表水与地下通道联通、节理和溶岩裂隙水，使得矿井水突出，近年来，国内对矿井裂隙水治理研究取得很大的成效[17]。

2.2 治理方案

试验开采方案实施前，首先应控制富水地层的涌水。一些学者[18-19]通过现场试验、理论分析和数值模拟对矿井岩体裂隙水进行注浆封堵技术治理，在分析矿体的水文地质因素后可知，开采矿体时突水事故主要来源于其上部的排水通道，在前人研究的基础上，针对本矿的实际情况给出了治理涌水的三种方案：1)采用帷幕注浆技术；2)在矿体的底部修建大型的水仓进行排水；3)浇灌排水通道防渗。以上方案中，对其工程量大小、施工困难程度、经济成本等各方面的指标计算后，最为经济合理的是方案三。采取对巷道的底板和两帮进行灌浆浇筑，同时铺设预防渗漏的塑料膜以及橡胶止水带，如图3所示。需要防渗治理的总长为800 m，其中需全部施工的总长为582 m，已支护两帮仅需浇筑底板的长度为218 m。在对排水巷道进行浇筑时，首先将其与运输巷道相连的接口进行灌浆封堵，巷道内的排水泵转移至运输通道中，以供临时排水使用，排水巷道注浆封堵施工工期为35 d，工程施工完成后，30-14矿体的主斜坡道处的涌水量显著下降，由最初的2 000下降至1 100 m3/d。由此可见，此方法治理涌水的成效显著。

图3 排水巷道堵水方案断面图(单位：mm)Fig.3 Water shut off plan of drainage roadway(Unit：mm)

3 试验过程

3.1 开采顺序

为了提高矿石的出矿量，优化开采施工顺序，现场工业试验具备对南盘区第一、二层进行回采的条件。南盘区进路高度为3.5～4.5 m，作为切顶层，为了保证回采能力，共对9条进路进行了回采，采出矿石1.875万t，共充填混凝土4 817 m3。为达到生产能力及满足开采和充填之间的平衡，将第一层的回采循环备用工作面作为第二层的回采联络巷道进行施工，其生产能力较为均衡，能够达到日产量200～250 t。最后对北盘区进行施工投产，依据矿体的储存量以及回采安全的需要，使贫富矿结合回采，首先用与第一次进路方向相同的方法开采储量较小的第五层矿石，回采的进路共有三条，共采出0.577万t矿石，混凝土充填料高达1 485 m3；在第五层回采、充填完成后，开始回采资源储量高且品位良好的第六层矿体。实现矿体回采能力达到450～500 t/d，最终，使南北两盘区实现同时回采。

为满足南北两盘区的回采、充填平衡所需，增加两台运输混凝土车辆，使日充填量达到200 m3。为满足每个盘区能正常开采，需要对开采顺序进行优化，至少保证每个盘区两个回采工作面，同时保障每个盘区有一个充填作业面和一个备用作业面。

3.2 施工技术及解决措施

铺设底筋时，为了能使相邻进路充填后连成一体，在进路两侧预留0.5 m，为了增强充填体的稳固性和整体性，在敷设邻近进路的底筋时应与预留的主筋相连。在完成(214+7)m进路的充填以及(214+11)m进路的回采时，发现其预留的底筋无法找到，难以将其相连，为了使两条进路连接一体，则需重新穿过圆铁进行打眼，显然增加了施工成本。对现场情况进行理论试验分析，应采用直径在12 mm及以上的钢筋和预留0.5 m底筋相连使其连为一体。在回采相邻两侧进路时，能够快速地找到预留的主筋，同时，将其与即将充填的进路连成一个完整的整体，从而使邻近进路的底筋与预留的主筋相连，达到设计的要求，回采进路的吊筋详见图4。

图4 回采进路吊筋图Fig.4 Steel hanger figure of stoping approach

在矿体进行回采初期，每一条充填进路的长度应控制在20～25 m，并采用C20规格的混凝土作为承载层和接顶层，分别对5、6、7、8、10 m长的接顶层做了现场试验，根据相关文献资料和实际现场经验，采用水泥砂浆对接顶层进行充填，对C20混凝土料对应的长度进行现场试验，将两种充填效果分析对比。经过软件对实验数据分析，得出如图5所示的两种充填材料对应的各接顶长度与接顶率关系。

图5 混凝土、水泥砂浆接顶率分布关系图Fig.5 Distribution diagram of concrete and mortar connection

从图5可以看出，水泥砂浆的接顶效果在很大程度上比混凝土充填料好，在采用水泥砂浆对接顶层充填时，接顶长度l控制在5～7 m才能保证接顶效果好，且接顶率η超过了70%，为下一层矿体的回采提供了安全保障。

4 现场实施效果评价

采用下向进路式分层胶结充填法，在回采过程中，矿体的涌水量变化情况如下：7月前日均涌水量为500 m3，7月后日均涌水量为800～1 000 m3。在采矿过程中，顶板围岩未监测到发生移动形变的情况。从图6统计的出矿量可以看出，从矿体回采开始(3～10月)，矿体出矿量从0.33万t逐渐增加到1.582万t，日出矿量也从100 t逐渐增长到500 t，基本满足矿山生产能力的要求。