趙澤虎，李祥龍，徐培良，王建國(guó)

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源與工程學(xué)院，昆明 650093；3.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，昆明 650093；4.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個(gè)舊 661000)

礦產(chǎn)資源作為人類社會(huì)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。但隨著淺層空間以及淺部礦產(chǎn)資源的不斷枯竭，礦產(chǎn)資源勘探及開采工作逐漸由淺層轉(zhuǎn)向深部。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，未來(lái)十年以內(nèi)，我國(guó)三分之一的地下金屬礦山開采深度將達(dá)到或超過(guò)1 000 m[1]。隨著開采深度的不斷增加，地下金屬礦山將會(huì)面臨一系列難題[2]，如沖擊地壓頻發(fā)、地應(yīng)力增大、涌水加劇等[3-4]。而西南地區(qū)因地下水運(yùn)動(dòng)活躍，易導(dǎo)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(tài)復(fù)雜多變[5-6]、礦體內(nèi)穿插著廢石夾層、頂?shù)装迤鸱却蟆⑾锏篮筒蓤?chǎng)地應(yīng)力增大[7]、支護(hù)穩(wěn)定性較弱、易發(fā)生地壓災(zāi)害等特點(diǎn)。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(wèn)題的關(guān)鍵。

諸多學(xué)者對(duì)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(jié)合礦體膠結(jié)充填采區(qū)的回采技術(shù)以及體積較大充填體環(huán)境下的回采次序相結(jié)合展開對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)性探究，明確了下向進(jìn)路分層膠結(jié)充填法。張立等[10]對(duì)深部礦井涌水采用注漿封堵。韓貴興等[11]對(duì)破碎含水巷道采用注漿加固。曾月松等[12]對(duì)涌水巷道周邊半封閉注漿。楊騰等[13]引流慢滲注漿工藝對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固等。

本文以云南錫業(yè)集團(tuán)松樹腳錫礦為研究背景，針對(duì)深部采空區(qū)冒落、巷道塌陷和片幫、采空區(qū)大型塌方等[14]情況，采用尾砂膠結(jié)充填處理采空區(qū)。文中涉及的礦體地質(zhì)環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，針對(duì)富含水量極易破碎式礦體[15]的地質(zhì)特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式優(yōu)化了采場(chǎng)參數(shù)，以此來(lái)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(yè)集團(tuán)松樹腳錫礦30-14礦體厚度較薄，礦體賦存標(biāo)高為+1 330～+1 400 m，沿走向長(zhǎng)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(zhǔn)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(yè)極其困難。礦體上部穿過(guò)+1 360 m中段的運(yùn)輸巷道以及排水巷道，運(yùn)輸巷道是采區(qū)內(nèi)的重要運(yùn)輸通道，排水巷道則為大箐東區(qū)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(wàn)m3，為了不產(chǎn)生極為嚴(yán)重的滲水事故，30-14礦體回采時(shí)需確保其頂板圍巖不發(fā)生移動(dòng)變形。

圖1 礦體與巷道投射關(guān)系Fig.1 Projection relation between ore body and roadway

圖2 礦體與巷道位置關(guān)系Fig.2 Position relation between ore body and roadway

1.2 采礦方法的初步確定

通過(guò)分析以往學(xué)者對(duì)房柱法[16]、下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比和數(shù)據(jù)模擬分析研究可知，房柱法在生產(chǎn)水平方面稍有優(yōu)勢(shì)，除此以外，其他的技術(shù)指標(biāo)都不如下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填法。通過(guò)對(duì)礦體進(jìn)行試驗(yàn)性開采，對(duì)下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填法在深部富水破碎礦體中的可適用性進(jìn)行驗(yàn)證。兩種礦體的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 兩種采礦方法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 涌水治理

2.1 富水巖石理論

裂隙水主要是礦井水的來(lái)源之一，隨著礦井開采深度的增加，地下水量也會(huì)有所增加，礦體中存在構(gòu)造裂隙、地表水與地下通道聯(lián)通、節(jié)理和溶巖裂隙水，使得礦井水突出，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)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(yàn)開采方案實(shí)施前，首先應(yīng)控制富水地層的涌水。一些學(xué)者[18-19]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬對(duì)礦井巖體裂隙水進(jìn)行注漿封堵技術(shù)治理，在分析礦體的水文地質(zhì)因素后可知，開采礦體時(shí)突水事故主要來(lái)源于其上部的排水通道，在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)本礦的實(shí)際情況給出了治理涌水的三種方案：1)采用帷幕注漿技術(shù)；2)在礦體的底部修建大型的水倉(cāng)進(jìn)行排水；3)澆灌排水通道防滲。以上方案中，對(duì)其工程量大小、施工困難程度、經(jīng)濟(jì)成本等各方面的指標(biāo)計(jì)算后，最為經(jīng)濟(jì)合理的是方案三。采取對(duì)巷道的底板和兩幫進(jìn)行灌漿澆筑，同時(shí)鋪設(shè)預(yù)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(zhǎng)為800 m，其中需全部施工的總長(zhǎng)為582 m，已支護(hù)兩幫僅需澆筑底板的長(zhǎng)度為218 m。在對(duì)排水巷道進(jìn)行澆筑時(shí)，首先將其與運(yùn)輸巷道相連的接口進(jìn)行灌漿封堵，巷道內(nèi)的排水泵轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸通道中，以供臨時(shí)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(jiàn)，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(yàn)過(guò)程

3.1 開采順序

為了提高礦石的出礦量，優(yōu)化開采施工順序，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)具備對(duì)南盤區(qū)第一、二層進(jìn)行回采的條件。南盤區(qū)進(jìn)路高度為3.5～4.5 m，作為切頂層，為了保證回采能力，共對(duì)9條進(jìn)路進(jìn)行了回采，采出礦石1.875萬(wàn)t，共充填混凝土4 817 m3。為達(dá)到生產(chǎn)能力及滿足開采和充填之間的平衡，將第一層的回采循環(huán)備用工作面作為第二層的回采聯(lián)絡(luò)巷道進(jìn)行施工，其生產(chǎn)能力較為均衡，能夠達(dá)到日產(chǎn)量200～250 t。最后對(duì)北盤區(qū)進(jìn)行施工投產(chǎn)，依據(jù)礦體的儲(chǔ)存量以及回采安全的需要，使貧富礦結(jié)合回采，首先用與第一次進(jìn)路方向相同的方法開采儲(chǔ)量較小的第五層礦石，回采的進(jìn)路共有三條，共采出0.577萬(wàn)t礦石，混凝土充填料高達(dá)1 485 m3；在第五層回采、充填完成后，開始回采資源儲(chǔ)量高且品位良好的第六層礦體。實(shí)現(xiàn)礦體回采能力達(dá)到450～500 t/d，最終，使南北兩盤區(qū)實(shí)現(xiàn)同時(shí)回采。

為滿足南北兩盤區(qū)的回采、充填平衡所需，增加兩臺(tái)運(yùn)輸混凝土車輛，使日充填量達(dá)到200 m3。為滿足每個(gè)盤區(qū)能正常開采，需要對(duì)開采順序進(jìn)行優(yōu)化，至少保證每個(gè)盤區(qū)兩個(gè)回采工作面，同時(shí)保障每個(gè)盤區(qū)有一個(gè)充填作業(yè)面和一個(gè)備用作業(yè)面。

3.2 施工技術(shù)及解決措施

鋪設(shè)底筋時(shí)，為了能使相鄰進(jìn)路充填后連成一體，在進(jìn)路兩側(cè)預(yù)留0.5 m，為了增強(qiáng)充填體的穩(wěn)固性和整體性，在敷設(shè)鄰近進(jìn)路的底筋時(shí)應(yīng)與預(yù)留的主筋相連。在完成(214+7)m進(jìn)路的充填以及(214+11)m進(jìn)路的回采時(shí)，發(fā)現(xiàn)其預(yù)留的底筋無(wú)法找到，難以將其相連，為了使兩條進(jìn)路連接一體，則需重新穿過(guò)圓鐵進(jìn)行打眼，顯然增加了施工成本。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行理論試驗(yàn)分析，應(yīng)采用直徑在12 mm及以上的鋼筋和預(yù)留0.5 m底筋相連使其連為一體。在回采相鄰兩側(cè)進(jìn)路時(shí)，能夠快速地找到預(yù)留的主筋，同時(shí)，將其與即將充填的進(jìn)路連成一個(gè)完整的整體，從而使鄰近進(jìn)路的底筋與預(yù)留的主筋相連，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，回采進(jìn)路的吊筋詳見(jiàn)圖4。

圖4 回采進(jìn)路吊筋圖Fig.4 Steel hanger figure of stoping approach

在礦體進(jìn)行回采初期，每一條充填進(jìn)路的長(zhǎng)度應(yīng)控制在20～25 m，并采用C20規(guī)格的混凝土作為承載層和接頂層，分別對(duì)5、6、7、8、10 m長(zhǎng)的接頂層做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，采用水泥砂漿對(duì)接頂層進(jìn)行充填，對(duì)C20混凝土料對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將兩種充填效果分析對(duì)比。經(jīng)過(guò)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出如圖5所示的兩種充填材料對(duì)應(yīng)的各接頂長(zhǎng)度與接頂率關(guān)系。

圖5 混凝土、水泥砂漿接頂率分布關(guān)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(duì)接頂層充填時(shí)，接頂長(zhǎng)度l控制在5～7 m才能保證接頂效果好，且接頂率η超過(guò)了70%，為下一層礦體的回采提供了安全保障。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果評(píng)價(jià)

采用下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填法，在回采過(guò)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(guò)程中，頂板圍巖未監(jiān)測(cè)到發(fā)生移動(dòng)形變的情況。從圖6統(tǒng)計(jì)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(wàn)t逐漸增加到1.582萬(wàn)t，日出礦量也從100 t逐漸增長(zhǎng)到500 t，基本滿足礦山生產(chǎn)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(jié)論

針對(duì)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(guò)優(yōu)化回采順序和采用下向分層膠結(jié)充填采礦法，保證了礦山的生產(chǎn)能力。

1)通過(guò)對(duì)30-14礦體的試驗(yàn)性開采，證明了采用下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法對(duì)類似于云錫松礦30-14礦體的深部水量富集的破碎礦體進(jìn)行開采具有很強(qiáng)的適用性，實(shí)現(xiàn)了礦體生產(chǎn)能力目標(biāo)。

2)治理滲水的措施及采切工程布局技術(shù)既能確保經(jīng)濟(jì)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(qiáng)的廣闊應(yīng)用前景。

3)開采試驗(yàn)過(guò)程中仍然存在回采成本高、生產(chǎn)率較低等缺陷，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)采礦技術(shù)和其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的研究，提高礦石的生產(chǎn)率并降低經(jīng)濟(jì)成本。