強(qiáng)富水灰?guī)r區(qū)下礦體綠色開采理念與實(shí)踐

劉培正 孫向遠(yuǎn) 周 偉 張傳信 胡永泉

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.徐州鐵礦集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000)

強(qiáng)富水灰?guī)r區(qū)下礦體綠色開采理念與實(shí)踐

劉培正1,2孫向遠(yuǎn)3周 偉3張傳信1,2胡永泉1,2

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.徐州鐵礦集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000)

針對吳莊鐵礦井下涌水量大，地表有村莊，農(nóng)田不允許塌陷，尾礦庫已飽和等復(fù)雜的開采環(huán)境，提出了適合該礦的綠色開采理念及技術(shù)措施。采取“地表井下聯(lián)合以帷幕注漿為主的外截內(nèi)排”的防治水方案，即在地表灌溉渠澆筑、錨噴以阻斷地表水體對井下的間接補(bǔ)給，地面帷幕注漿封堵富水?dāng)鄬樱钄嗨赐ǖ?，以及井下澆筑堵水墻防止注漿液從突水點(diǎn)涌出、流失的地面井下聯(lián)合防治水措施。選用分段空場采礦嗣后充填法，利用尾砂膠結(jié)料及時(shí)對空區(qū)進(jìn)行充填，為空區(qū)頂板和注漿帷幕的穩(wěn)定性提供了保障，避免了地表塌陷。 研制了一種適合2種進(jìn)料方式的地表充填站，取自尾礦庫的干料采用自卸汽車運(yùn)輸至充填站，由大傾角皮帶機(jī)輸送至砂倉，而選廠排放的尾砂，直接經(jīng)管道泵送。項(xiàng)目實(shí)施后，井下正常涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，降低了76%，節(jié)省了排水費(fèi)用，并且保護(hù)了地下水資源；采用的充填采礦法避免了地表塌陷，減少了征地及遷村的費(fèi)用，同時(shí)將回采率由原來的67%提高到89%；而選用尾砂作為充填料，又有效解決了尾砂堆放的問題。

綠色開采 帷幕注漿 聯(lián)合防治水措施 嗣后充填法 大傾角皮帶

1 綠色開采理念

資源的開采規(guī)模迅速增加，凸顯了對環(huán)境的影響。如資源開采造成地表良田、村莊塌陷，廢石及尾砂等固體廢棄物的大量堆置，井下涌水的排放造成地下水源干枯等。至今，與我國資源粗放型和超產(chǎn)能生產(chǎn)相伴的礦難事故還沒有完全得到控制，而同樣十分嚴(yán)峻的資源浪費(fèi)及環(huán)境破壞也亟待從開采的源頭上解決[1]。針對煤礦開采引起的礦難災(zāi)害、資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞問題，錢鳴高院士[2-3]率先提出實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的理念，并相繼發(fā)表了一系列旨在建立煤礦綠色開采基礎(chǔ)理論和技術(shù)框架的論文，突破了傳統(tǒng)的采煤技術(shù)，為煤炭行業(yè)的發(fā)展指明了方向。綠色開采的內(nèi)涵是減少資源開采對環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)資源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的開發(fā)過程。其目的是以采取相應(yīng)的開采技術(shù)，從廣義資源的角度認(rèn)識和對待尾砂、廢石、水、土地等一切可以利用的資源，取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。煤礦綠色開采的技術(shù)措施主要包括減沉開采、煤與瓦斯共采、保水開采、矸石減排等。

與煤礦不同，冶金礦山一方面在選礦過程中產(chǎn)生大量的細(xì)粒尾砂，甚至貴金屬礦山選礦產(chǎn)出絕大部分為尾砂。大量細(xì)粒尾砂的堆置不僅占用過量的土地和破壞堆置場原有的生態(tài)環(huán)境，而且隨著尾礦量的不斷增加，尾礦庫壩體逐漸加高，不安全隱患隨之增加。另一方面，鑒于冶金礦山礦體形態(tài)、產(chǎn)狀和地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且開采多屬于非充分開采，礦體開采引起的地表塌陷具有突然性、局域性與隨機(jī)性的交叉作用特點(diǎn)，國內(nèi)外尚未形成較成熟、系統(tǒng)和準(zhǔn)確的方法來研究地面塌陷的形成機(jī)理以及控制對策。

本研究結(jié)合吳莊鐵礦井下涌水量大，地表有村莊、農(nóng)田不允許塌陷，尾礦庫已飽和等復(fù)雜的開采環(huán)境，提出了采用地表井下聯(lián)合帷幕注漿、空場采礦全尾砂嗣后充填法等綠色開采技術(shù)，在現(xiàn)場取得很好的應(yīng)用效果。

2 吳莊鐵礦的開采環(huán)境及存在問題

(1)開采技術(shù)條件。礦體埋深標(biāo)高-264～-520 m。主礦體總的走向?yàn)?30°～140°，傾向北東。礦體于4線向北東凹折，使4線兩側(cè)產(chǎn)狀有所變化：4線～10線礦體走向約110°，傾角43°～35°，4線～1線走向145°，傾角25°～15°，可見自西向東礦體產(chǎn)狀逐漸平緩。從礦體厚度變化來看，沿礦體走向方向礦體厚度變化較大，總的趨勢是向端部變薄，厚度變化范圍為幾米至幾百米不等，屬緩傾斜至傾斜厚大礦體。礦體及頂?shù)装鍑鷰r除接觸帶多為破碎、穩(wěn)固性較差外，其余區(qū)域穩(wěn)固性均較好。礦體主要產(chǎn)于下奧陶系灰?guī)r區(qū)，巖溶裂隙發(fā)育普遍，巖溶水非常豐富。根據(jù)對井下實(shí)際涌水量統(tǒng)計(jì)，平均涌水量在1 260 m3/h，最大1 600 m3/h。礦區(qū)地表為農(nóng)田和村莊，不允許塌陷。同時(shí)，礦山面臨著尾礦庫庫容已飽和、選廠尾砂無處堆放的難題。

(2)開采現(xiàn)狀。礦山現(xiàn)采用下盤豎井開拓系統(tǒng)、生產(chǎn)規(guī)模50萬t/a。為了防止地下水突然涌入采場及巷道，在礦區(qū)北部-480 m標(biāo)高以上1#和2#礦體區(qū)域留有部分礦量(457.17萬t)作為防水礦柱。根據(jù)礦體賦存條件及地表情況設(shè)計(jì)分段采礦法和無底柱分段崩落法。礦山在回采3#礦體時(shí)采用分段采礦法回采，沿礦體走向布置礦房、礦柱，礦房寬15 m，礦柱寬10 m。4#礦體-330 m中段現(xiàn)正在進(jìn)行回采準(zhǔn)備工作，設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法。

(3)開采存在的問題?，F(xiàn)有或設(shè)計(jì)采礦方法不能滿足要求，主要表現(xiàn)在：首先若繼續(xù)采用空場法或崩落法開采，巖溶水涌入空區(qū)或隨著上覆巖體崩落涌入覆蓋層，極易造成突水和泥石流事故，且該2種方法易造成地表塌陷，尤其是無底柱分段崩落法，進(jìn)而影響到地表大量良田和民房；其次，采用的分段采礦法留有大量礦柱支撐頂板，造成大量資源的損失，現(xiàn)分段采礦法的回采率僅為67%，原設(shè)計(jì)推薦的無底柱分段崩落法回采率和貧化率指標(biāo)更差。吳莊鐵礦礦石品位較高且品質(zhì)好，不宜采用高損失、高貧化率的采礦方法。

3 綠色開采理念在吳莊鐵礦的研究與實(shí)踐

3.1 聯(lián)合防治水措施

采取“地表井下聯(lián)合以帷幕注漿為主的外截內(nèi)排”防治水方案。即地表灌溉渠澆筑、錨噴以阻斷礦區(qū)地表水體微山湖水與該礦區(qū)地下水的聯(lián)系；地面帷幕注漿封堵富水?dāng)鄬?，阻斷水源通道；并且在井下澆筑堵水墻。通過以上措施改變礦區(qū)水文地質(zhì)條件，使礦區(qū)井下得不到或得到較少的水源補(bǔ)給，減小礦坑涌水量，進(jìn)而結(jié)合現(xiàn)有的排水設(shè)施排放。

(1)地表灌溉渠澆筑、錨噴隔水處理。義和莊北側(cè)開挖的灌溉渠道常年有水，且渠底低于微山湖湖面，渠道部分地段灰?guī)r裸露、巖溶裂隙發(fā)育，水體對礦區(qū)地下水具有直接的滲透補(bǔ)給作用。在地面修建工程設(shè)施，減少礦坑排水及地表水體對地下水的滲漏補(bǔ)給作用。包括2項(xiàng)工作，一是修建防滲渠道，地面灌溉渠采用澆筑和錨噴隔水處理，將從礦坑中排出的水調(diào)往礦區(qū)北部的伊家河，消除其對礦區(qū)對地下水的補(bǔ)給；二是在礦區(qū)南部和西部的排洪大溝，采用混凝土澆筑河床防滲層，防止其內(nèi)的地表水滲漏至井下。

(2)地面帷幕注漿。根據(jù)水文地質(zhì)物探成果及其他資料分析，礦坑地下水的補(bǔ)給來源主要來自礦床的西部、南部和東部3個(gè)方向。西部方向：分析礦區(qū)西部的來水通道主要有F5、F3、F1 計(jì)3條斷層含水帶，斷層走向近東西，上部被石炭紀(jì)地層覆蓋，下部尖滅于巖漿巖接觸帶上，推算垂直高度300 m左右，南北控制寬度90 m；斷層帶內(nèi)裂隙、巖溶發(fā)育，充填物很少，與礦床內(nèi)標(biāo)高-380 m突水點(diǎn)水力聯(lián)系較密切。東部方向：F1斷層在礦區(qū)東部地段裂隙巖溶均較發(fā)育，透水性好，并與富水性較好的北東向構(gòu)造破碎帶連通，是礦區(qū)東部需要封堵的主要含水、導(dǎo)水帶。南部和西南部方向：礦區(qū)南部和西南部奧陶系灰?guī)r分布面積較大，在礦區(qū)排水的影響下，該區(qū)域地下水均向礦床徑流，包括礦區(qū)東南部的北東向構(gòu)造破碎帶也接受南部地區(qū)地下水的徑流補(bǔ)給，所以該區(qū)段封堵對象為南部和西南部地區(qū)的地下水側(cè)向徑流。結(jié)合礦區(qū)的地形地貌條件，選擇在吳莊礦區(qū)以西、義和莊以東布置水文孔及注漿孔。鉆孔根據(jù)斷層平面投影寬度進(jìn)行布置，F(xiàn)1、F3、F20平面投影寬度84～250 m，鉆孔剖面總長約1 190 m，鉆孔數(shù)33個(gè)。其中：F3斷層帶布置鉆孔12個(gè)，F(xiàn)3～F1布置鉆孔3個(gè)，F(xiàn)1～F1-1布置鉆孔2個(gè)，F(xiàn)0布置鉆孔13個(gè)，F(xiàn)20布置鉆孔3個(gè)，水文觀測孔1個(gè)。鉆孔最深583.24 m、最淺242.85 m，實(shí)際完成鉆孔總工作量為14 677.42 m。

(3)井下澆筑堵水墻。為配合地面注漿工作，防止水泥漿液從突水點(diǎn)涌出、流失，吳莊鐵礦在井下標(biāo)高-430 m中段、-380 m中段和-330 m中段巷道等突水點(diǎn)澆筑了堵水墻。

(4)堵水效果。吳莊鐵礦地面帷幕注漿工程劃分為南、北2個(gè)區(qū)，北區(qū)以封堵斷層導(dǎo)水為主，南區(qū)則以封堵巖溶裂隙為主。北區(qū)注漿效果：北區(qū)的注漿以封堵F3和F5斷層為主。在F3斷層上共布置了ZK02等7個(gè)注漿孔。注漿結(jié)束后-330 m中段涌水量由注漿前的180 m3/h降至現(xiàn)在的50 m3/h，水量減少130 m3/h。在F5斷層含水通道上對ZK53等8個(gè)注漿孔進(jìn)行了注漿。注漿前-380 m水平巷道平均出水量為167.27 m3/h，經(jīng)注漿封堵后出水量為83 m3/h，水量減少了84.27 m3/h。南區(qū)注漿效果：南區(qū)在巖溶發(fā)育區(qū)及F0斷層上共施工16個(gè)鉆孔。通過F0斷層鉆探揭露情況，斷層角礫膠結(jié)致密，不漏水，注漿量少，而巖溶裂隙發(fā)育區(qū)巖溶裂隙較發(fā)育，注漿量較大。

配合地面帷幕工程的同時(shí)，采取井下澆筑堵水墻，義和莊地表灌溉渠澆筑、錨噴隔水處理等措施，礦區(qū)總涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，礦井涌水量降低了76%，成功堵截了大部分地下水。

3.2 分段空場嗣后充填法

(1)礦塊布置。結(jié)合4#礦體走向長度，沿走向劃分3個(gè)盤區(qū)，每個(gè)盤區(qū)長度為62 m。2個(gè)盤區(qū)之間布置1條盤區(qū)礦柱，礦柱寬10 m，其內(nèi)布置運(yùn)輸巷及溜井工程，盤區(qū)高度為50 m，寬度以礦體水平厚度為準(zhǔn)。在每個(gè)盤區(qū)內(nèi)，垂直礦體走向方向劃分礦塊。礦塊內(nèi)劃分礦柱采場和礦房采場各1個(gè)，先回采礦柱采場，后回采礦房采場。在礦塊內(nèi)每10 m掘分段鑿巖巷，各分段鑿巖巷采用斜井連通。

(2)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。參考類似礦山的開采經(jīng)驗(yàn)，礦柱采場跨度取8、10和12 m 3個(gè)水平，礦房采場跨度取10、12、14 m 3個(gè)水平，頂柱厚度為4、6、8 m 3個(gè)水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方案。從降低采切工程量的角度，在保證采場安全前提下，研究推薦采用礦柱采場跨度8 m、礦房采場跨度12 m、頂柱厚度6 m。

圖1為礦房采場回采結(jié)束后，采場圍巖抗剪安全系數(shù)等值線圖。從圖1可以看出，采場隅角處產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，安全系數(shù)等值線在該區(qū)域形成了閉合的曲線。同時(shí)，由于充填體抗剪強(qiáng)度較小，安全系數(shù)最小發(fā)生在礦柱采場底部充填體內(nèi)，只有1.15，在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的支護(hù)。

圖1 抗剪安全系數(shù)等值線圖

從圖2最大主應(yīng)力分布等值云圖可以看出：在采場圍巖的頂?shù)装鍏^(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為2.91 MPa，小于礦巖的抗拉強(qiáng)度3.64 MPa。

圖2 最大主應(yīng)力分布等值云圖

(3)采場底部結(jié)構(gòu)選擇優(yōu)化。結(jié)合礦房采場和礦柱采場布置形式，初步選擇鏟運(yùn)機(jī)出礦的塹溝式底部結(jié)構(gòu)，并根據(jù)出礦巷道和塹溝布置位置不同，提出4種不同的塹溝式底部結(jié)構(gòu)方案。

通過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終研究推薦“適于井下二步驟回采的采場底部結(jié)構(gòu)”。即2個(gè)采場劃分1個(gè)單獨(dú)的出礦單元，見圖3。出礦巷道分別布置礦房采場和礦柱采場的中部，2采場共用1條裝礦進(jìn)路，本采場出礦巷道作為另一個(gè)采場的塹溝。具體為：首先回采礦柱采場，塹溝布置其底部中間，出礦巷道布置在礦房采場中部，出礦巷道和塹溝采取裝礦進(jìn)路聯(lián)通；礦柱采場回采結(jié)束后，采用尾砂膠結(jié)體充填空區(qū)，待充填體強(qiáng)度達(dá)到要求后，在充填體內(nèi)反掘礦柱采場塹溝，并進(jìn)行噴錨支護(hù)，作為礦房采場的出礦巷道，而原礦柱采場出礦巷道作為回采礦房采場的塹溝。

圖3 分段空場采礦法底部結(jié)構(gòu)

3.3 充填尾砂來源

充填材料選用選廠尾砂，每年尾砂充填消耗量約17.6萬t，而吳莊鐵礦尾砂產(chǎn)率為35.8%，每年尾砂產(chǎn)量為17.9萬t，基本能保證采充平衡。但是，礦山現(xiàn)正對1#、2#和3#礦體開采形成的老采空區(qū)進(jìn)行充填，選廠尾砂已不能滿足充填需求，欠缺的尾砂通過向鄰近礦山采購或從尾礦庫取砂。

兼顧2種不同的充填材料，研制了一種高效、靈活的充填設(shè)備。取自尾砂庫或從鄰近礦山采購的干料，采取自卸汽車運(yùn)輸至充填站，然后由大傾角皮帶機(jī)輸送至砂倉；選廠排放濃度20%左右的砂漿，經(jīng)管道直接泵送至砂倉。

4 結(jié) 論

針對吳莊鐵礦地下涌水量大、地表為村莊和良田、礦體回采率低、尾礦庫庫容飽和等復(fù)雜的開采環(huán)境，提出了適合本礦的綠色開采理念，從廣義資源的角度對待礦產(chǎn)資源、水、尾砂、土地等一切可以利用的資源，基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕礦體開采對環(huán)境的不良影響。項(xiàng)目的實(shí)施，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)根據(jù)水文地質(zhì)物探成果及其他以往資料，因地制宜地提出了“地表井下聯(lián)合以帷幕注漿為主的外截內(nèi)排”的防治水方案。聯(lián)合防治水方案的實(shí)施，使井下涌水量由原來的1 260 m3/h減少到300 m3/h，每年排水量減少840.96萬m3，并節(jié)省排水費(fèi)用1 214.7萬元。

(2)研究采用了分段空場嗣后充填采礦法，回采率由原來的67%提高到89%。同時(shí)，由于將選廠排放的尾砂全部用于空區(qū)充填，真正實(shí)現(xiàn)了無廢開采，且避免了礦區(qū)地表塌陷和節(jié)省了尾礦庫征地和建設(shè)費(fèi)用。

(3)在成功堵截了地下水和采用嗣后充填保護(hù)了注漿帷幕穩(wěn)定性的條件下，實(shí)現(xiàn)了457.17萬t防水礦柱的安全回采。

(4)提出了“適于井下二步驟回采的采場底部結(jié)構(gòu)”。該底部結(jié)構(gòu)既可服務(wù)于一步驟回采的礦房采場，又可為二步驟回采礦柱采場服務(wù)，大大減少了底部結(jié)構(gòu)工程量，降低了采切比，提高了底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，節(jié)省了二步驟回采的開采成本和準(zhǔn)備時(shí)間。

(5)根據(jù)礦山采用的2種充填材料，研制出一種高效、靈活的充填設(shè)備，分別經(jīng)大傾角皮帶和管道送至砂倉。

[1] 繆協(xié)興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(1)：1-14. Miao Xiexing，Qian Minggao．Research on green mining of coal resources in China：current status and future prospects [J].Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(1)：1-14.

[2] 許家林，錢鳴高.綠色開采的理論與技術(shù)框架 [J].科技導(dǎo)報(bào)，2007，25(7)：61-65. Xu Jialin，Qian Minggao．Concept of green mining and its technical framework[J]．Science & Technology Review，2007，25(7)：61-65．

[3] 錢鳴高,許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù) [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(4)：343-348. Qian Minggao,Xu Jialin，Miao Xiexing.Green technique in coal mining [J].Journal of China University of Mining Technology，2003，32(4)：343-348.

(責(zé)任編輯 石海林)

TheoryandPracticeofGreenMiningofOre-bodyunderLimestoneDistrictwithAbundantWater

Liu Peizheng1,2Sun Xiangyuan3Zhou Wei3Zhang Chuanxin1,2Hu Yongquan1,2

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.,Maanshan243000,China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine,Maanshan243000,China；3.XuzhouIronMineGroupLtd.,Xuzhou221000,China)

Aiming at the complex mining conditions of heavy water inflow underground,subsidence of village and farmland not allowed,and saturated tailing pond in Wuzhuang Iron Mine,the theory and the related technological measures of green mining for the mine are proposed as follows.Adopting the water prevention and control program of “inner plugging and outer discharging with curtain grouting as main in surface and underground”,that is,stopping indirect water supply from surface to underground by irrigation channel cementing and anchoring.In this process,curtain grouting plugs the water-rich faults to cut off water from surface,at the same time the water-blocked wall at underground is built to prevent from the grouting liquid gushing and washing away from water gushing point.Taking the sublevel open-stoping method with subsequent backfill.Tailing cementing material are timely filled into the mined-out area to ensure the stability of goaf roof and grouting curtain and to prevent surface subsidence.Building the backfill station on surface for two kinds of feeding method.Dry materials from tailing pond are transported to the backfill station by truck and conveyed into sand bunker by large inclined angle belt conveyor,while the tailings from concentration plant are pumped by pipeline directly.After this program put into practice,underground water inflow decreased from 1 260 m3/h to 300 m3/h,lower by 76%,and also the drainage costs are saved and underground resources are protected.The backfill mining method avoids from surface subsidence,decreases land requisition and village relocation,and raises the mining recovery from 67% to 89%.Also,with tailings as backfill materials,the tailing stacking problem is solved.

Green mining,Curtain grouting,Water prevention and control measure,Backfill mining method,Large inclined angle belt conveyor

2014-10-08

劉培正(1984—),男，工程師，碩士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-12-045-04