散體注漿下礦房低貧化回采技術應用研究

楊八九，侯克鵬，王建貴，王永高

(1.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093；3.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個舊 661000)

隨著經(jīng)濟建設的高速發(fā)展和對外開放需要，各種地下工程得到廣泛應用，良好地基條件越來越少，一些建筑和工程不得不坐落在不良場地上，工程中所遇到的軟弱巖土加固補強和地下水災害防治，已成為巖土工程師迫切需要解決的問題，越來越引起學術界和工程界的關注[1-2]。在眾多工程措施中，注漿技術的出現(xiàn)和廣泛推廣應用[3-4]，為該領域問題的解決開辟了新的思路，提出了新的方法，使“散體變塊體”的夢想已不再是神話，巖土工程面貌由此而發(fā)生了全新的改變，當工程穩(wěn)定性達不到要求時，都可以采用注漿方法進行加固。井下松散體通過注漿加固形成人工礦柱或者提高廢石充填體的強度[5-6]，對回采礦柱、減少貧化、充分回收礦石資源有著重要的作用。

云錫老廠錫礦13-2-3#礦體探獲礦體儲量：(C+D級)礦石量200.182萬t，其中：錫銅礦石量194. 541萬t，銅品位2.215%，銅金屬43 100 t；錫品位0.343%，錫金屬6 663 t，鉛硫化礦(D級)礦石量：5.641萬t，鉛品位4.28%，鉛金屬2 414 t，潛在價值巨大。13-2-3#礦體開采時常有廢石混入，貧化嚴重，且大部分礦石無法正常出礦?；谏鲜銮闆r，提出采用注漿的方法對礦房兩側(cè)部分松散體進行加固，減少回采礦房過程中廢石的混入。為此，通過大量理論計算分析，結合現(xiàn)場實際開展了工業(yè)試驗，減少了廢石混入，有效降低了礦石貧化。

1 工程概況

本次試驗塊段位于云錫老廠錫礦13-2-3#礦體中盤區(qū)5#礦房，該礦房礦石類型為硫化礦，上盤為大理巖，下盤為花崗巖和變輝綠巖，礦房長37 m，寬12 m，平均厚度13.5 m，地質(zhì)礦量20 396 t，錫品位0.332%，錫金屬65.588 t；銅品位3.164%，銅金屬644.475 t。由于中5#礦房南部4#礦房和北部6#礦房在回采結束后進行了廢石充填，所以在中5#礦房南北兩側(cè)形成了較大規(guī)模的松散區(qū)域，如不采取處置措施進行回采，勢必大大增加貧化。為了減少廢石混入，降低貧化，研究提出對松散體進行注漿加固，在中5#礦房南北兩側(cè)各形成一個人工礦柱隔離松散廢石，為后續(xù)工作提供良好的工作環(huán)境和空間。松散體與中5#礦房示意圖見圖1。

2 加固方案確定

方案為對礦房兩側(cè)北部和南部空場嗣后廢石充填的碎石松散體進行注漿加固。為此，需要對注漿范圍、加固后注漿體自身的穩(wěn)定性、注漿站與松散體的位置、注漿布孔形式、封堵措施、材料、壓力等進行確定。

2.1 注漿范圍確定及加固體穩(wěn)定性驗算

對圖1所示的碎石松散體，注漿加固的主要目的是對中5#礦房南北兩側(cè)的松散體進行注漿膠結，形成一個穩(wěn)定的隔離體，在后續(xù)采礦過程中，盡量減少相鄰空區(qū)4#、6#礦房內(nèi)松散巖體進入采場。該加固方案的實施，一是可以防止礦石回采過程中廢石混入，降低貧化；二是通過注漿形成的人工礦柱能有效抑制碎石松散體的繼續(xù)移動，增加開采過程的安全性。對松散體進行注漿固結形成的人工礦柱，主要目的在于隔離廢石，強度要求不是太高，能保證5#礦房采礦過程中整體不倒即可。因此，該礦柱的力學功能類似于重力式擋土墻，可按擋土墻的相關理論和方法進行分析和計算。根據(jù)規(guī)范，要求抗滑穩(wěn)定性系數(shù)≥1.3，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)≥1.5，在此基礎上，根據(jù)本工程特點，還需滿足墻身砌體容許壓應力≤1 300 kPa，剪應力≤40.000 kPa，拉應力≤20.000 kPa的條件。分析結果見表1。

從表1可見，擋墻寬度從4 m增加到6 m的過程中，拉應力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，直至寬度為6 m時拉應力徹底消失。擋墻內(nèi)部不出現(xiàn)拉應力是保證擋墻不出現(xiàn)破壞的前提條件，考慮到施工過程中工程的隱蔽性和注漿過程中漿液擴散、松散體膠結程度等的不可預見性，結合礦山的實際，本次注漿設計的注漿寬度為6 m。

表1 擋墻計算結果表Table 1 Calculation results of retaining wall

2.2 注漿站及注漿孔

1)注漿孔方案設計

竹葉山坑13-2-3#礦體中5#礦房南北兩側(cè)松散體不結頂，且空間較大，同時中5#礦房也有通道到達松散體上部，存在松散體上部采用下向式注漿的條件。經(jīng)過多方案論證，最后選用在中5#礦房南北兩側(cè)松散體頂部采用打管注漿施工方案。具體施工設計布孔見圖2。

2)注漿站設計

注漿站設計在中5#礦房二分層平巷，位于中5#礦房中間，注漿施工前對工作區(qū)域進行安全處理。在二分層1#切割井上放置一個體積為0.75 m3的礦兜作為儲漿池，用于存放攪拌機攪拌好的漿液，供連續(xù)注漿使用。水泥儲漿倉周邊做干燥處理，水泥儲漿倉每次堆放量應滿足一個班次注漿需要。注漿站內(nèi)放置雙液注漿泵一臺、攪拌機一備一用共兩臺。

2.3 注漿方案

1)注漿材料

根據(jù)本工程的特點，選用云錫公司古山水泥廠生產(chǎn)的袋裝425普通硅酸鹽水泥作為注漿材料，注漿過程中在個別吸漿量較大且沒有明顯壓力的地點采用水泥-水玻璃類漿液，控制凝膠時間，提高注漿效率。

2)漿液組成及配比

純水泥注漿：水泥種類為普通425硅酸鹽水泥，漿液水灰比以0.7∶1、0.8∶1、1.2∶1三種為主(重量比)。在花管內(nèi)注漿主要采用0.7∶1、0.8∶1兩種，孔內(nèi)注漿結束后采用濃度相對較低的1.2∶1水泥漿液對散體表層進行無壓澆注。

雙液注漿：水泥為普通425硅酸鹽水泥，水玻璃為液態(tài)水玻璃，模數(shù)2.4～3.4，濃度30～45 Be′。水泥∶水=0.8∶1(重量比)，水泥漿∶水玻璃=4∶1(體積比)。

3)注漿方式、注漿次序及注漿段高

結合本工程的特點，松散體中成孔難度較大，采用孔底注漿必須要求先成孔后注漿，在成孔過程中要求進行成孔護壁方法，施工難度大、工作效率低。課題組經(jīng)過反復試驗后確定采用打管注漿法，打管注漿法是使用剛度大、強度高的厚壁無縫鋼管，將其直接打入松散體中，用鋼管成孔，也在鋼管中注漿，使成孔和注漿在工序上緊密結合，操作也較簡單。本次注漿所用注漿花管長度為2.5 m，敲入松散體內(nèi)部2.3 m左右，外露20 cm，利于連接高壓注漿管，其中下部1.3 m在管壁上打眼，孔間距為10 cm，為出漿段，上部1.2 m管周圍不布孔，孔內(nèi)注漿結束后利用澆注對松散體上部2.0 m左右進行固結。打管注漿法施工順序見圖3。

3 注漿加固工業(yè)試驗

3.1 注漿過程及漿液的擴散形式

從注漿工業(yè)試驗開始至結束，共注入水泥210 t，水玻璃5.5 t。注漿初始階段，散體孔隙率相對較大，屬于無壓力情況下的充填注漿，漿液流通性較好，可直達散體底部，底部結構有些位置有漿液滲出。

為了更好地控制漿液的流動范圍，避免漿液的浪費，提高注漿效率和質(zhì)量，注漿初期采用提高漿液濃度、加入水玻璃進行雙液注漿以及間歇注漿等方法來控制漿液流動性。

在破碎、松散巖體中注漿，漿液主要以脈狀形態(tài)擴散，在孔隙中的軌跡是按管道流方式進行，其特點是流動-擴散-固結。因此，漿液自重的擴散是注漿初期的主要方式，漿液進入散體后，即使注漿泵沒有壓力顯示，漿液也會在重力的作用下沿著孔隙流動，見圖4。

根據(jù)注漿地質(zhì)體形態(tài)，并從現(xiàn)場試驗分析，本次松散體內(nèi)滲透灌漿的擴散形式主要如圖4(a)所示。在本次注漿施工中，在北部松散體上部布置18個注漿孔，南部34個，合計52個，在孔內(nèi)注漿結束后，利用澆注對松散體上部2 m左右進行固結。

3.2 漿液的黏度

漿液黏度的測定方法較多，實驗室常用的有旋轉(zhuǎn)黏度計和毛細管黏度計，錐形漏斗是現(xiàn)場最常用的方法之一。表2是現(xiàn)場使用錐形漏斗法測定的水灰比對水泥漿液黏度的影響數(shù)據(jù)。

表2 水灰比對水泥漿液黏度的影響Table 2 Effect of water cement ratio on viscosity of cement slurry

從表2可見，漿液的黏度與濃度呈正比關系，濃度越高，黏度也就越大。因此，注漿初期為了控制漿液的擴散半徑和流動范圍，采用較高水灰比的漿液，注漿后期采用相對較稀的水泥漿液加強滲透，提高注漿效果。

3.3 雙液漿凝膠時間及其特性

結合本工程的特點，在個別吸漿量大的地方以及注漿體四周，為了控制注漿量和漿液的擴散范圍，局部采用了CS(水泥、水玻璃)漿液。CS漿液具有凝膠速度快、結石體強度高等優(yōu)點。表3為CS漿液凝膠時間的影響表。表4為水灰比和水玻璃濃度對凝膠時間的影響。

表3 C∶S對凝膠時間的影響(W∶C=0.7∶1，溫度21 ℃)Table 3 Effect of C∶S on gel time(W∶C =0.7∶1，temperature 21 ℃)

表4 W∶C對凝膠時間的影響(C∶S =1∶0.5，溫度21 ℃)Table 4 Effect of W∶C on gel time(C∶S =1∶0.5，temperature 21 ℃)

從表3、4可以看出，水玻璃的用量并非越多越好，在施工過程中，應根據(jù)現(xiàn)場工程的實際情況及注漿過程中出現(xiàn)的問題不斷調(diào)整漿液的濃度和水玻璃用量，才能取得比較理想的注漿加固效果。

3.4 實施效果

經(jīng)過近40多天的努力和探索，在中5#礦房南北兩側(cè)松散體共注入42.5硅酸鹽水泥210 t、水玻璃約5.5 t，對大約6 000 m3的松散體進行了注漿加固。經(jīng)過45 d的養(yǎng)護后，對中5#礦房進行中深孔爆破，藥量3 816 kg，成功回采15 746 t高品位硫化礦，出礦品位Sn：0.461%，Cu：2.611%，礦柱回采率為77.2%。通過計算，原設計礦柱回采時廢石混入率為48.11%，注漿后，廢石混入率降低到17.78%，注漿有效降低了礦石貧化。

礦柱回采結束后，對注漿效果進行檢查，目測礦柱南北兩側(cè)注漿結實體坡度分別達到約65°和70°，充填較為密實，膠結良好，人工礦柱沒有出現(xiàn)明顯倒塌現(xiàn)象，注漿結實體照片見圖5。

4 結論

針對云錫老廠錫礦先空場嗣后廢石充填再回采中間礦房時貧化嚴重的難題，提出采用注漿的方法在礦房兩側(cè)松散體中形成人工礦柱的方案，來確保礦房開采時減少廢石混入。通過現(xiàn)場工業(yè)試驗得到以下結論：

1)對長37 m、寬12 m、平均厚度13.5 m、礦房兩側(cè)6 m范圍的松散廢石進行了現(xiàn)場加固，利用擋土墻理論進行了注漿范圍設計和驗算，并經(jīng)工程實踐的檢驗，注漿取得了預期的效果，為大體積松散體的注漿施工及理論研究積累了寶貴的素材。

2)礦房回采結束后人工礦柱沒有出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，減少了廢石混入，提高了礦石資源利用率。

3)注漿后礦房采出15 746 t高品位硫化礦，回采率達到77.2%，廢石混入率從原設計時的48.11%降低到17.78%，有效降低了礦石貧化，散體注漿取得了較好的效果。

4)采用注漿方法在廢石松散體結構中形成人工礦柱，降低廢石的混入，對同類型礦體具有一定的指導意義。