强富水灰岩区下矿体绿色开采理念与实践

刘培正 孙向远 周 伟 张传信 胡永泉

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.徐州铁矿集团有限公司，江苏 徐州 221000)

强富水灰岩区下矿体绿色开采理念与实践

刘培正1,2孙向远3周 伟3张传信1,2胡永泉1,2

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.徐州铁矿集团有限公司，江苏 徐州 221000)

针对吴庄铁矿井下涌水量大，地表有村庄，农田不允许塌陷，尾矿库已饱和等复杂的开采环境，提出了适合该矿的绿色开采理念及技术措施。采取“地表井下联合以帷幕注浆为主的外截内排”的防治水方案，即在地表灌溉渠浇筑、锚喷以阻断地表水体对井下的间接补给，地面帷幕注浆封堵富水断层，阻断水源通道，以及井下浇筑堵水墙防止注浆液从突水点涌出、流失的地面井下联合防治水措施。选用分段空场采矿嗣后充填法，利用尾砂胶结料及时对空区进行充填，为空区顶板和注浆帷幕的稳定性提供了保障，避免了地表塌陷。 研制了一种适合2种进料方式的地表充填站，取自尾矿库的干料采用自卸汽车运输至充填站，由大倾角皮带机输送至砂仓，而选厂排放的尾砂，直接经管道泵送。项目实施后，井下正常涌水量由原来的1 260 m3/h减少到300 m3/h，降低了76%，节省了排水费用，并且保护了地下水资源；采用的充填采矿法避免了地表塌陷，减少了征地及迁村的费用，同时将回采率由原来的67%提高到89%；而选用尾砂作为充填料，又有效解决了尾砂堆放的问题。

绿色开采 帷幕注浆 联合防治水措施 嗣后充填法 大倾角皮带

1 绿色开采理念

资源的开采规模迅速增加，凸显了对环境的影响。如资源开采造成地表良田、村庄塌陷，废石及尾砂等固体废弃物的大量堆置，井下涌水的排放造成地下水源干枯等。至今，与我国资源粗放型和超产能生产相伴的矿难事故还没有完全得到控制，而同样十分严峻的资源浪费及环境破坏也亟待从开采的源头上解决[1]。针对煤矿开采引起的矿难灾害、资源浪费和环境破坏问题，钱鸣高院士[2-3]率先提出实现煤矿绿色开采的理念，并相继发表了一系列旨在建立煤矿绿色开采基础理论和技术框架的论文，突破了传统的采煤技术，为煤炭行业的发展指明了方向。绿色开采的内涵是减少资源开采对环境的破坏，实现资源-经济-环境三者统一协调的开发过程。其目的是以采取相应的开采技术，从广义资源的角度认识和对待尾砂、废石、水、土地等一切可以利用的资源，取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。煤矿绿色开采的技术措施主要包括减沉开采、煤与瓦斯共采、保水开采、矸石减排等。

与煤矿不同，冶金矿山一方面在选矿过程中产生大量的细粒尾砂，甚至贵金属矿山选矿产出绝大部分为尾砂。大量细粒尾砂的堆置不仅占用过量的土地和破坏堆置场原有的生态环境，而且随着尾矿量的不断增加，尾矿库坝体逐渐加高，不安全隐患随之增加。另一方面，鉴于冶金矿山矿体形态、产状和地质条件复杂多变，且开采多属于非充分开采，矿体开采引起的地表塌陷具有突然性、局域性与随机性的交叉作用特点，国内外尚未形成较成熟、系统和准确的方法来研究地面塌陷的形成机理以及控制对策。

本研究结合吴庄铁矿井下涌水量大，地表有村庄、农田不允许塌陷，尾矿库已饱和等复杂的开采环境，提出了采用地表井下联合帷幕注浆、空场采矿全尾砂嗣后充填法等绿色开采技术，在现场取得很好的应用效果。

2 吴庄铁矿的开采环境及存在问题

(1)开采技术条件。矿体埋深标高-264～-520 m。主矿体总的走向为130°～140°，倾向北东。矿体于4线向北东凹折，使4线两侧产状有所变化：4线～10线矿体走向约110°，倾角43°～35°，4线～1线走向145°，倾角25°～15°，可见自西向东矿体产状逐渐平缓。从矿体厚度变化来看，沿矿体走向方向矿体厚度变化较大，总的趋势是向端部变薄，厚度变化范围为几米至几百米不等，属缓倾斜至倾斜厚大矿体。矿体及顶底板围岩除接触带多为破碎、稳固性较差外，其余区域稳固性均较好。矿体主要产于下奥陶系灰岩区，岩溶裂隙发育普遍，岩溶水非常丰富。根据对井下实际涌水量统计，平均涌水量在1 260 m3/h，最大1 600 m3/h。矿区地表为农田和村庄，不允许塌陷。同时，矿山面临着尾矿库库容已饱和、选厂尾砂无处堆放的难题。

(2)开采现状。矿山现采用下盘竖井开拓系统、生产规模50万t/a。为了防止地下水突然涌入采场及巷道，在矿区北部-480 m标高以上1#和2#矿体区域留有部分矿量(457.17万t)作为防水矿柱。根据矿体赋存条件及地表情况设计分段采矿法和无底柱分段崩落法。矿山在回采3#矿体时采用分段采矿法回采，沿矿体走向布置矿房、矿柱，矿房宽15 m，矿柱宽10 m。4#矿体-330 m中段现正在进行回采准备工作，设计采用无底柱分段崩落法。

(3)开采存在的问题。现有或设计采矿方法不能满足要求，主要表现在：首先若继续采用空场法或崩落法开采，岩溶水涌入空区或随着上覆岩体崩落涌入覆盖层，极易造成突水和泥石流事故，且该2种方法易造成地表塌陷，尤其是无底柱分段崩落法，进而影响到地表大量良田和民房；其次，采用的分段采矿法留有大量矿柱支撑顶板，造成大量资源的损失，现分段采矿法的回采率仅为67%，原设计推荐的无底柱分段崩落法回采率和贫化率指标更差。吴庄铁矿矿石品位较高且品质好，不宜采用高损失、高贫化率的采矿方法。

3 绿色开采理念在吴庄铁矿的研究与实践

3.1 联合防治水措施

采取“地表井下联合以帷幕注浆为主的外截内排”防治水方案。即地表灌溉渠浇筑、锚喷以阻断矿区地表水体微山湖水与该矿区地下水的联系；地面帷幕注浆封堵富水断层，阻断水源通道；并且在井下浇筑堵水墙。通过以上措施改变矿区水文地质条件，使矿区井下得不到或得到较少的水源补给，减小矿坑涌水量，进而结合现有的排水设施排放。

(1)地表灌溉渠浇筑、锚喷隔水处理。义和庄北侧开挖的灌溉渠道常年有水，且渠底低于微山湖湖面，渠道部分地段灰岩裸露、岩溶裂隙发育，水体对矿区地下水具有直接的渗透补给作用。在地面修建工程设施，减少矿坑排水及地表水体对地下水的渗漏补给作用。包括2项工作，一是修建防渗渠道，地面灌溉渠采用浇筑和锚喷隔水处理，将从矿坑中排出的水调往矿区北部的伊家河，消除其对矿区对地下水的补给；二是在矿区南部和西部的排洪大沟，采用混凝土浇筑河床防渗层，防止其内的地表水渗漏至井下。

(2)地面帷幕注浆。根据水文地质物探成果及其他资料分析，矿坑地下水的补给来源主要来自矿床的西部、南部和东部3个方向。西部方向：分析矿区西部的来水通道主要有F5、F3、F1 计3条断层含水带，断层走向近东西，上部被石炭纪地层覆盖，下部尖灭于岩浆岩接触带上，推算垂直高度300 m左右，南北控制宽度90 m；断层带内裂隙、岩溶发育，充填物很少，与矿床内标高-380 m突水点水力联系较密切。东部方向：F1断层在矿区东部地段裂隙岩溶均较发育，透水性好，并与富水性较好的北东向构造破碎带连通，是矿区东部需要封堵的主要含水、导水带。南部和西南部方向：矿区南部和西南部奥陶系灰岩分布面积较大，在矿区排水的影响下，该区域地下水均向矿床径流，包括矿区东南部的北东向构造破碎带也接受南部地区地下水的径流补给，所以该区段封堵对象为南部和西南部地区的地下水侧向径流。结合矿区的地形地貌条件，选择在吴庄矿区以西、义和庄以东布置水文孔及注浆孔。钻孔根据断层平面投影宽度进行布置，F1、F3、F20平面投影宽度84～250 m，钻孔剖面总长约1 190 m，钻孔数33个。其中：F3断层带布置钻孔12个，F3～F1布置钻孔3个，F1～F1-1布置钻孔2个，F0布置钻孔13个，F20布置钻孔3个，水文观测孔1个。钻孔最深583.24 m、最浅242.85 m，实际完成钻孔总工作量为14 677.42 m。

(3)井下浇筑堵水墙。为配合地面注浆工作，防止水泥浆液从突水点涌出、流失，吴庄铁矿在井下标高-430 m中段、-380 m中段和-330 m中段巷道等突水点浇筑了堵水墙。

(4)堵水效果。吴庄铁矿地面帷幕注浆工程划分为南、北2个区，北区以封堵断层导水为主，南区则以封堵岩溶裂隙为主。北区注浆效果：北区的注浆以封堵F3和F5断层为主。在F3断层上共布置了ZK02等7个注浆孔。注浆结束后-330 m中段涌水量由注浆前的180 m3/h降至现在的50 m3/h，水量减少130 m3/h。在F5断层含水通道上对ZK53等8个注浆孔进行了注浆。注浆前-380 m水平巷道平均出水量为167.27 m3/h，经注浆封堵后出水量为83 m3/h，水量减少了84.27 m3/h。南区注浆效果：南区在岩溶发育区及F0断层上共施工16个钻孔。通过F0断层钻探揭露情况，断层角砾胶结致密，不漏水，注浆量少，而岩溶裂隙发育区岩溶裂隙较发育，注浆量较大。

配合地面帷幕工程的同时，采取井下浇筑堵水墙，义和庄地表灌溉渠浇筑、锚喷隔水处理等措施，矿区总涌水量由原来的1 260 m3/h减少到300 m3/h，矿井涌水量降低了76%，成功堵截了大部分地下水。

3.2 分段空场嗣后充填法

(1)矿块布置。结合4#矿体走向长度，沿走向划分3个盘区，每个盘区长度为62 m。2个盘区之间布置1条盘区矿柱，矿柱宽10 m，其内布置运输巷及溜井工程，盘区高度为50 m，宽度以矿体水平厚度为准。在每个盘区内，垂直矿体走向方向划分矿块。矿块内划分矿柱采场和矿房采场各1个，先回采矿柱采场，后回采矿房采场。在矿块内每10 m掘分段凿岩巷，各分段凿岩巷采用斜井连通。

(2)采场结构参数。参考类似矿山的开采经验，矿柱采场跨度取8、10和12 m 3个水平，矿房采场跨度取10、12、14 m 3个水平，顶柱厚度为4、6、8 m 3个水平，采用正交试验设计计算方案。从降低采切工程量的角度，在保证采场安全前提下，研究推荐采用矿柱采场跨度8 m、矿房采场跨度12 m、顶柱厚度6 m。

图1为矿房采场回采结束后，采场围岩抗剪安全系数等值线图。从图1可以看出，采场隅角处产生剪应力集中，安全系数等值线在该区域形成了闭合的曲线。同时，由于充填体抗剪强度较小，安全系数最小发生在矿柱采场底部充填体内，只有1.15，在掘进时应进行必要的支护。

图1 抗剪安全系数等值线图

从图2最大主应力分布等值云图可以看出：在采场围岩的顶底板区域出现了拉应力区，最大拉应力为2.91 MPa，小于矿岩的抗拉强度3.64 MPa。

图2 最大主应力分布等值云图

(3)采场底部结构选择优化。结合矿房采场和矿柱采场布置形式，初步选择铲运机出矿的堑沟式底部结构，并根据出矿巷道和堑沟布置位置不同，提出4种不同的堑沟式底部结构方案。

通过详细的技术经济比较，最终研究推荐“适于井下二步骤回采的采场底部结构”。即2个采场划分1个单独的出矿单元，见图3。出矿巷道分别布置矿房采场和矿柱采场的中部，2采场共用1条装矿进路，本采场出矿巷道作为另一个采场的堑沟。具体为：首先回采矿柱采场，堑沟布置其底部中间，出矿巷道布置在矿房采场中部，出矿巷道和堑沟采取装矿进路联通；矿柱采场回采结束后，采用尾砂胶结体充填空区，待充填体强度达到要求后，在充填体内反掘矿柱采场堑沟，并进行喷锚支护，作为矿房采场的出矿巷道，而原矿柱采场出矿巷道作为回采矿房采场的堑沟。

图3 分段空场采矿法底部结构

3.3 充填尾砂来源

充填材料选用选厂尾砂，每年尾砂充填消耗量约17.6万t，而吴庄铁矿尾砂产率为35.8%，每年尾砂产量为17.9万t，基本能保证采充平衡。但是，矿山现正对1#、2#和3#矿体开采形成的老采空区进行充填，选厂尾砂已不能满足充填需求，欠缺的尾砂通过向邻近矿山采购或从尾矿库取砂。

兼顾2种不同的充填材料，研制了一种高效、灵活的充填设备。取自尾砂库或从邻近矿山采购的干料，采取自卸汽车运输至充填站，然后由大倾角皮带机输送至砂仓；选厂排放浓度20%左右的砂浆，经管道直接泵送至砂仓。

4 结 论

针对吴庄铁矿地下涌水量大、地表为村庄和良田、矿体回采率低、尾矿库库容饱和等复杂的开采环境，提出了适合本矿的绿色开采理念，从广义资源的角度对待矿产资源、水、尾砂、土地等一切可以利用的资源，基本出发点是防止或尽可能减轻矿体开采对环境的不良影响。项目的实施，取得了较好的经济效益和社会效益，主要体现在以下几个方面：

(1)根据水文地质物探成果及其他以往资料，因地制宜地提出了“地表井下联合以帷幕注浆为主的外截内排”的防治水方案。联合防治水方案的实施，使井下涌水量由原来的1 260 m3/h减少到300 m3/h，每年排水量减少840.96万m3，并节省排水费用1 214.7万元。

(2)研究采用了分段空场嗣后充填采矿法，回采率由原来的67%提高到89%。同时，由于将选厂排放的尾砂全部用于空区充填，真正实现了无废开采，且避免了矿区地表塌陷和节省了尾矿库征地和建设费用。

(3)在成功堵截了地下水和采用嗣后充填保护了注浆帷幕稳定性的条件下，实现了457.17万t防水矿柱的安全回采。

(4)提出了“适于井下二步骤回采的采场底部结构”。该底部结构既可服务于一步骤回采的矿房采场，又可为二步骤回采矿柱采场服务，大大减少了底部结构工程量，降低了采切比，提高了底部结构的稳定性，节省了二步骤回采的开采成本和准备时间。

(5)根据矿山采用的2种充填材料，研制出一种高效、灵活的充填设备，分别经大倾角皮带和管道送至砂仓。

[1] 缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望 [J].采矿与安全工程学报，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] 许家林，钱鸣高.绿色开采的理论与技术框架 [J].科技导报，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] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术 [J].中国矿业大学学报，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.

(责任编辑 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

刘培正(1984—),男，工程师，硕士研究生。

TD853

A

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