深部富水破碎矿体试验开采技术研究

1、深部富水破碎矿体试验开采技术研究赵泽虎i,李祥龙2,3,徐培良4,王建国2,3,(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明6500932. 昆明理工大学国土资源与工程学院，昆明650093；3. 云南省中一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)摘要：云锡松矿+1360 m中段以下的30.14#矿体特点是含水率高、围岩松散破碎、回采率低。 为达到深部矿体安全、科学、经济的回采要求，根据矿山现有的设备配置和富水破碎矿体特殊开 采条件，提出下向进路式分层胶结充填采矿技术方案和坑道涌水治理措施，并进行现场试验验证。 现

2、场试验与应用结果表明，该采矿方法在实现采充平衡方面能够应用的很好，同时最大限度减少了涌水对井下采矿作业的影响。生产能力、贫化率、损失率与设计指标有20%30%的差异，但 都处于可接受的范围，采场安全性好，矿石损失少，说明采用向下分层胶结充填采矿技术可以较好地解决该矿体的开采问题。feu关键词:深部开采，含水破碎矿体，下向进路式分层胶结充填法，涌水治理中图分类号:文献标识码：a文章编号:research on experimental mining technology of deep water-bearing crushing orezhao zehu1, li xianglong2'

3、;3, wang jianguo2-3, xu peiliang4,(1. faculty of public safety and emergency management, kunming university of science and technology,kunming 650093, yunnan china; 2. school of land resources engineering, kunming university of science andtechnology, kunming 650093, yunan china;3 yunnan key laborator

4、y of sino-german blue mining and utilizationof special underground space;4. yunnan tin co.ltd, gejiu 661000, yunnan, china)abstract: the 30-14# ore body below the +1360 m middle section of yunxisong mine is characterized by high water content, loose and broken surrounding rocks, and low recovery rat

5、e. in order to meet the requirements of safe, scientific and economical mining in deep ore bodies, according to the existing equipment configuration of the mine and the special mining conditions of the water-rich crushed ore body, a downward approach layered cemented filling mining technology plan a

6、nd tunnel water gushing treatment measures are proposed. and conduct field test verification. field test and application results show that the mining method can be applied very well in realizing the balance of mining and charging, while minimizing the impact of water inrush on underground mining ope

7、rations- production capacity, dilution rate, loss rate and design indicators are 20% to 30% different, but they are all within acceptable ranges, stope safety is good, and ore loss is small, indicating that the down-layered cemented filling mining technology can be used. it can better solve the prob

8、lem of ore body mining.keywords: deep mining, water-bearing crushing ore body, method of downward direction layered cementing and filling mining technology, water flow treatment引言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开采转向 深部开采，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

9、过1000m。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，如冲击地压频 发、地应力增大、涌水加剧等34】。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k6i、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、支护稳定性较弱、易发生地压灾害等特点，因此研究含富水 破碎矿体开采及治理水冏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，门建兵等结合矿体胶 结填充采区的回采技术以及体积较大填充体环境下的回采次序相结合展开对现场的实验性探 究，明确了下向进路分层胶结填充方法。对地下涌水巷道的治理

10、主要有：张立时】等对深部矿 井涌水采用注浆封堵，韩贵兴等对破碎含水巷道采用注浆加固，曾月松等对涌水巷道周 边半封闭注浆和杨腾i等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，对于地下深部矿山的采区冒落、巷道塌陷 和片帮、采空区大型塌方等ml各种情况，文中对于采空区域运用尾砂胶结填充处理之法，对 采空区域、矿石回采作业时引起的地压扰动使井下作业受到的损坏得到了高效的治理，使矿 区回采得以安全、经济的展开。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s的地质特点，以现场实验的方式优化了采场的参数，获得了切实、有效的回 采计划，以此来改善深部富水

11、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+ 1330m+ 1400m,沿走 向长度约为200m, 120多m宽，铅垂厚度118m,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，回采作业及其困难。矿体上部穿过+1360 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，排水巷道则为大警东 区域深部开挖的重要排水巷道（详见图1和图2）,其全年平均日涌水量为2.5万n?,为了不 会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。30

12、-14矿体 水平投影图:_o 一c'、136(me股加a1图1矿体与巷道投射关系fig.l projection relation between orebody and roadway1.2采矿方法的初步确定通过分析已往学者对房柱法泌1、向下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填充法。下文通过对矿体进行试验性开采，对下向进路式分层胶结充 填法各工艺在深部富水破碎矿体中的可适用性进行验证。表1两种矿体的主要技术经济指标tab.l main technical and econ

13、omic indicators of the two ore bodies采矿方法矿石储量/t矿石品位/%金属量/t贫化 率/%采出矿量/t生产能力/t.d工程投资/万元总成本/元销售总 额/万元利润/万元sncusncu房柱法2865503.3980.88697372539152647506005772117024966837966下向进路分层2865503.3980.8869737253982647504007526123875576143374充填法2涌水治理1.1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

14、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的研究得到很大的控制el,对于富含水破碎矿体的矿山是及其危 险的，因此有效治理裂隙是非常关键的。1.2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。一些学者庭91通过现场实验、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，在分析矿体的水文等地质因素后 可知，开采矿体时突水事故主要来源于其上部的排水通道，并且在前人研究的基础上，对于 本矿的实际情况给出了治理涌水的以下三种方案：（1）采用帷幕注浆技术治水；（2）在矿 体的底部修建大型的水仓进行排水；（3）浇灌排水通道防渗治水。在以上几种方案中，对其 工程量大

15、小、施工困难程度、经济成本等各方面的经济指标计算后，最为经济合理的方案是 方案三，所以对排水巷道的涌水治理选择为方案三。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800m,其 中需全部施工的总长为582m,己支护两帮仅需浇筑底板的长度为218m。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，紧接着把其巷道内的排水泵转移至 运输通道中，以供临时排水使用，排水巷道灌浆封堵施工工期为35天，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2000m3/d下降至1100m3/d,由此可见,

16、 此方法治理涌水的成效显著，保障了矿体的安全开采。巷道中心线橡胶止水带防渗膜250_2502500图3排水巷道堵水方案断面（单位：mm）fig.3 water shutoff plan of drainage roadway3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3.5m4.5m,把它作为切顶层，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 4817na为了达到生产能力所需，以 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

17、，其生产能力较为均衡，能够达到日产量200250“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，为了使贫富矿结合回采，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的矿石，混 凝土填充料高达1485m3；在第五层回采、填充完成后，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 t/d500t/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、填充平衡所需，现将增加两台运输混凝土车辆，使日填充量 达到200m3o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

18、面，其中一个打眼、一个出矿，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0.5m,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+7m进路的 填充以及214+llm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，则需从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实 验分析，应采用直径在12mm及以上的钢筋和预留0.5m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

19、一个完整的整 体，从而使邻近进路的底筋时应与预留的主筋相连，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，对每一条充填进路的长度应控制在2025m的范围内，并采用c20规格的混凝土来浇筑承载层和接顶层，分别对5m、6m、7m、8m、10m长的接顶层做了现场实验，通过混凝土、砂浆接顶率关系图分析，只有接顶长度/二5m时的接顶率超过了 70%, 其余的接顶长度均不能满足矿石安全开采的要求。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，对其c20混泥土料对应的

20、长度进行现场实验，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：000000000987654321012345678910 11 12接顶长度临5混凝土、砂浆接顶率分布关系fig.5 distribution diagram of concrete and mortar connection从上图可以看出，水泥砂浆的接顶效果在很大程度上比混凝土充填料的好，在采用水泥砂浆对接顶层充填时，接顶长度/应控制在57m范围内，才能保证接顶效果好，且接顶率 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

21、层胶结充填法，给矿山开采带来了安全和减少环境污染，截止2015年10月底，完成各类工程量共计1244m,第一、五层的矿石得到了回采填充，回采出的矿石量 高达6.993万t,其中：锡金属2148t,金属铜547t,充填水泥砂浆1.8万m3,利润达到7341 万元。在回采过程中，矿体的涌水量变化情况如下：在7月之前日均涌水量为50011?, 7月以后日均涌水量为8001000m3,在采矿过程中，其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（310月），矿体出矿量从0.3万t逐渐增加到 1.582万t,日出矿量也从100t逐渐增长到500t,基本上满足了矿山生产

22、能力的要求。180001600010000匚二i各月出矿量140001200080006000400020000456单位/月图6 30-14矿体310月份出矿量(吨)fig.6 output of 30-14 orebody from march to october (tons)5结论针对云锡松矿30-14#深部矿体水量富集破碎情况，采用浇灌排水通道防渗治水有效地治 理了岩石裂隙水，通过优化回采顺序和采用下向分层胶结充填采矿法，保证了矿山的生产能 力。(1) 通过对30-14#矿体的试验性开采，证明了采用下向进路式分层胶结充填采矿法对类 似于云锡松矿30-14#矿体的深部水量富集的破碎矿体

23、进行开采具有很强的适用价值，实现了 矿体生产能力目标，有效地缓解了矿山当前金属价格下滑带来的经营困境。(2) 治理渗水的措施及采切工程布局技术既能确保经济适用、安全施工，又能使各矿层 的安全开采得到保障，具有较强的广阔应用前景。(3) 开采试验过程中仍然存在回采成本高、生产率较低等缺陷，在今后的研究当中应加 强对采矿技术和其他经济指标的研究，提高矿石的生产率并降低经济成本。参考文献1蔡美峰，薛鼎龙，任奋华.金属矿深部开采现状与发展战略j.工程科学学报,2019, 41(04): 417-426.cai meifeng, xue dinglong, ren fenhua. current sta

24、tus and development strategy of deep mining in metalminesjj. journal of engineering science, 2019,41(04): 417-426.12孟繁华，石长岩.金属矿山深部开采若干问题及思考j.有色矿冶,2017,33(5):11.13,18.meng fanhua, shi changyan. some problems of deep mining in metal minesj. non-ferrous mining and metallurgy, 2017, 33(5): 11-13,18.3 谢和

25、平.深部岩体力学与开采理论研究进展j.煤炭学报,2019,44(5): 1283-1305.xie heping. research review of the state key research development program of china:deep rock mechanics and mining theory j j. journal of china coal society, 2019, 44(5): 1283-1305.4 李敬鹏.浅析深部开采围岩的力学特征j.机械管理开发,2016, 31(2): 124-125,132.li jingpeng. mechanic

26、al characteristics of deep surrounding rocksj. mechanical management and development, 2016,31(2): 124-125,132.5 徐培良.破碎、含水复杂条件矿体开采技术研究d.昆明理工大学,2015.xu peiliang. research on mining technology of mining body with broken and complicated conditionsd. kunming: kunming university of science and technology,

27、 2015.6 徐培良，王建国，石飞，等.深部松散矿体开采技术数值模拟研究j.中国钧业,2017, 32(5): 37-41.xu peiliang, wang jianguo, shi fei, et al. numerical simulation on the mining technology for deep loose ore bodyj. china tungsten industry, 2017, 32(5): 37-41.7 彭瑞东，薛东杰，孙华飞，等.深部开采中的强扰动特性探讨j.煤炭学报,2019,44(5): 1359-1368.peng ruidong, xue do

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29、pport technology of deep coal roadway in huainan mining areafj. coal engineering, 2018, 50(10): 14-18.9门建兵，齐炎，任建平.下向进路胶结充填采矿法在某矿山的应用j.有色冶金设计与研究,2019, 40(3): 6-9. men jianbing, qi yan, ren jianping. application of downward drift cementeol filling mining method in a copper minej. nonferrous metals eng

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32、d grouting method to tunnel water gushing treatment in beishan minejj. metal mine, 2016,43(2): 146-150.13 杨腾，张庆松，张霄，等.引流慢渗注浆作用下巷道顶板围岩变形规律与控制技术j.煤炭工程,2017,49(9): 23-26.yang teng, zhang qingsong, zhang xiao, et al. deformation regularity and control of surrounding rock under the effect of roadway roof drainage and slow penetration groutingj. coal engineering, 2017, 49(9): 23-26.114杨清林，王星，孙国权，等.极破碎矿床开采的数值模拟与实践j.现代矿业,2014, 30(5): 1-3,27.yang qinglin, wang xing, sun guoquan, et al. application and numerical simulation of extremely fractured ore deposit miningj. modem mining, 2014, 30(5): 1-3,