贵州喀斯特地区磷矿充填开采研究

李勇 韩朝应 郑凯 李杰瑞 陈肖虎

摘 要：磷矿井下充填采矿技术高效、环保，已被贵州磷化工企业广泛采纳。研究岩溶发育类型的多种岩溶形态，矿洞的各项边界条件，洞体围岩性质和充填情况等;对贵州喀斯特地区3个磷矿采空矿洞实体的洞体断面、岩性和地应力参数进行了分析探讨。研究结果对优化矿井开采环境，提高磷矿井下充填采矿的工作效率，以及保证矿井开采安全等方面有积极意义。

关键词：岩溶;磷矿;充填采矿

中图分类号：TD87;TQ126.31;X78  文献標志码：A

贵州磷矿资源储量丰富，居全国第二，主要分布在开阳—息烽，瓮安—福泉和织金片区[1]。磷矿岩石主要成份为白云石型磷灰岩，矿区呈现较为典型的喀斯特地貌特征，地表多为复杂陡峭山体。在风化和水侵蚀作用下，节理裂隙断层多，矿体完整和稳固性较差。开阳磷矿采用深孔房柱空场采矿法开采，矿石回收率70%左右[2];采后形成了大量的采空区，局部采空地段存在顶板冒落、覆岩层沉降等安全隐患[3]，导致矿区地表山体坍塌和滑坡，极大威胁矿山地表工业设施和安全生产。同时，多年生产造成的磷石膏渣大量堆积，造成资源大量浪费，并且威胁到当地磷化工企业的持续稳定生产与生存。当地磷化工企业推行充填式采矿工艺，实施了以磷石膏作充填骨料的井下胶结充填技术[4]。

本文研究了我省喀斯特地区磷矿岩溶类型特点及磷矿井下充填采矿工艺，对喀斯特地貌环境下的矿洞边界条件、岩石特征、洞体形成和充填情况等进行了探讨。在优化矿井开采环境及保证矿井开采安全等方面，具有一定的学术意义和应用价值。

1 岩溶地貌特征

1.1 岩溶的类型及形态

喀斯特（karst）即岩溶，是对可溶性岩的水溶蚀现象，以及水对可溶性岩的冲蚀、潜蚀和崩塌等地质作用所产生的现象的总称。由喀斯特作用形成的地貌，称为喀斯特地貌（岩溶地貌）。根据岩溶的发育形态一般将其分为地表岩溶和地下岩溶两类。地表岩溶主要指表面裸露于地面以上的各类岩体，这类岩溶以峰林、石林、石芽、盲谷、峡谷等形态显现[5];而地下岩溶是指埋藏于地表以下的岩体，这类岩溶主要表现为地下河、地下湖、地下沉淀物以及溶洞等形态[6]，其中地下溶洞问题是岩石工程中亟需解决的首要难题。

岩溶地下的溶洞一般都是由地下水的流动及水与岩体的相互作用而形成的。地下水通过与地下可溶岩中的岩层、裂隙等的水化作用，最后形成大小不一、形态各异的洞穴[7]。

1.2 岩溶的分布特点

岩溶区域广泛分布于世界各地。欧洲的阿尔卑斯山地区、法国东南部阿尔卑斯—罗纳地区[8]、亚洲的越南山区及澳大利亚南部地区都是比较典型的岩溶地质区域，总面积约占全球的十分之一。不同的地域环境、气候环境都有相应的岩溶地质特征。岩溶地貌区域内存在大量的可溶性岩石。

我国的岩溶地质区域分布相对较广，主要集中在西南地区的贵州、云南和广西等地，地质形态复杂，所产生的类型也多;据相关统计，岩溶地质区域总体面积约占全国领土总面积的三分之一[9]，构成了独特的岩溶地质地貌特征。

1.3 岩溶的形成和演变

岩溶的形成在很大程度上是由一系列的岩体内部构造作用及外界作用通过逐年的演化生成的。从世界构造板块来看，地下的岩层不断地相互挤压和碰撞改变了地区地貌环境，形成了地下岩体内部的裂隙空间[10]。外界的雨水和地下水的流动、冲刷、风化，与岩溶中的可溶性岩石产生化学作用形成了地表及地下的岩溶地形[11]。

2 岩溶地区磷矿开采

2.1 磷矿及磷石膏渣

磷矿多为海相沉积矿，也有部分产于变质岩。一般情况下，磷矿石的组成成分中主要以硅酸盐型磷块岩和碳酸盐型磷块岩矿的形式存在;磷赋存在胶磷矿和细晶磷灰石中，被白云质胶结成矿。磷矿不仅是制造磷肥和农药的重要原料、也是生产磷酸盐等各类民生资源的重要原料[12]。磷块岩的磷酸盐含量变化很大，高的可达30%以上，低的仅百分之几。喀斯特地区的磷矿中，碳酸盐型磷块岩矿的占比较大。

贵州开阳地区磷矿的矿石平均品位高达33%以上。目前，磷化工企业采用湿法磷酸生产工艺，用硫酸浸出磷矿提取磷酸，生产过程中产生了大量的固体废弃物磷石膏;主要成分是二水硫酸钙和未完全分解的磷矿，残余的磷酸、氟化物、酸不溶物以及有机质等[13]。长期的生产造成的磷石膏渣堆存，不仅导致土地资源浪费[14]，还会污染地下水源，严重破坏当地的生态环境[15]。合理处理磷石膏渣，是磷化工工业可持续发展迫切需要解决的问题。贵州某企业磷石膏渣堆场如图1所示。

2.2 矿洞边界条件

贵州属高原岩溶地形地貌。已探明的几个主要的大型磷矿几乎都位于典型的喀斯特地区，磷矿层埋深数百～数千米不等。因此，磷矿洞采成为当地磷化工企业实施工业采矿工艺首选。传统采用深孔房柱空场采矿法开采。复杂的地下岩体和可溶性岩石特性[16]，决定了在喀斯特地区的磷矿开采的过程中，需要通过相关试验来确定磷矿矿洞的稳定性和安全性。洞室大小、地应力、岩性以及高宽比等，是影响矿洞开挖的边界的主要因素[17]。洞室的大小及高宽比可以通过直接测量得到;地应力通过试验洞体内常规水压致裂法进行测量[18];洞体边界岩性的最终参数可以通过采集岩石试样化验得到。本文对贵州某企业自有磷矿区域内的3个矿洞边界条件和地应力进行了分析，参数测量结果见表1和表2。矿洞边界岩石采集分析结果表明，岩性主要以石灰石岩和白云石岩为主。

由表1和表2可以看出，不同尺寸、岩性及高宽比的矿洞在同等条件下的变形结果具体为：01号矿洞的尺寸最小，没有明显的结构变形，主体表现为应力控制型变形，局部表现为应力结构型变形;02号矿洞的变形形式主要表现为结构型和应力结构型变形，例如张拉破裂、侧面滑落等;03号矿洞的尺寸最大，其变形情况相对比较复杂，以结构型变形为主，部分表现为应力结构型，应力型破坏较为少见。

2.3 矿渣处理与井下充填

出于环保的考虑，开采过程中采用矿渣井下充填，不仅可以大幅提高矿石产出率，还能最大限度地保护环境。随着技术的进步和发展，现有井下充填采矿技术还有更多提升的空间。工业实施中，结合井下开采技术和矿洞实际情况，采用的充填方式主要有干式充填、碎石水泥充填等[19]。

干式充填法是井下充填采矿常用的方法。干式充填法一般将采矿过程中产生的碎石、废渣及地下开采出的废石作为充填材料，利用碎石机对这些材料进行震碎处理，形成充填骨料，最后再对井下进行充填。干式充填法多用于围岩不稳而矿石稳固的矿体、缺乏水源或水量过大的矿山、廉价干充填料等[20]。

碎石水泥充填法一般是在干式充填的基础上利用尾砂[21]对填空区的碎石进行胶结[22]，这样做的目的是强化充填材料的强度，保证地基的稳定。

贵州喀斯特地区磷化工企业，传统工艺采用深孔房柱空场采矿工艺，矿石回收率低，造成资源大量浪费;采后形成的采空区存在矿区地表山体坍塌和滑坡、覆岩层沉降等安全隐患，极大地威胁矿山地表工业设施和安全生产。同时，多年生产造成的磷石膏渣大量堆积，已经威胁到当地磷化工企业的持续稳定生产与生存。

充填式采矿工艺已被当地磷化工企业广泛采纳。某企业磷石膏填充料预处理系统，利用尾矿和磷石膏进行胶结，不仅提高了充填料的强度，还消纳了大量的磷石膏，如图2所示。

由贵州省磷化工标准化技术委员会归口制定的《磷矿开采磷石膏充填采矿技术规范》DB 52/T 1179—2017已于2017年起实施[23]。标准规定了磷矿开采磷石膏充填采矿技术的采矿系统布置、磷石膏充填系统、采场充填工艺和磷石膏充填水质监测的规范。

3 磷矿井下充填采矿新技术应用

3.1 数字技术在岩溶地貌井下充填采矿中的应用

目前，企业对于井下矿产开采实施的有效监控为后期矿产开采奠定了坚实的基础。如：现有磷矿安全物联网监控系统井下传感网络，设计矿井下移动设备、人员及矿山灾害的分布式监测均采用无线网络，包括无线语音、无线数据、无线视频等信息的传输[24];功能包括设备工况监测监控、灾害环境信息监测、人员定位、机车管理、语音通信以及工业电视等;形成一个完整的无线感知平台[25]。同时，井下传感网络的数据信息传入服务器还能与井上管理分支进行信息共享，进而完成对整个系统中信息的处理及应用。这些技术的应用加强了信息的有效沟通，保证了开采过程的顺利和安全。

3.2 岩溶地区井下充填采矿机械设备的技术更新

現有采矿设备主要分为两类，一类是用于井下开采原矿的采矿设备，另一类是原矿的运输设备。采矿设备一般常用的是凿岩机，有时也会用到凿岩钻车，具体要根据采挖区的地质情况而决定。运输设备包括电耙运搬、无轨搬运机械、平装转运设备、巷道运输设备以及提升设备等[26]。

贵州某企业实施的“磷化工全废料自胶凝充填采矿技术”，采用数字化自动控制结合大型无轨采掘设备和大型、长距离磷石膏渣干法管状皮带运输等综合技术，以改性磷石膏和采矿废渣为主料注入充填采掘后的矿井，每年可消纳数百万吨磷石膏渣。这项技术的应用避免了采矿区山体开裂、地表塌陷，极大地提高了磷矿开采的安全性，同时大大降低了劳动强度。因此，充填式采矿工艺已经被贵州磷化工企业广泛采纳。贵州某企业的磷石膏渣干法管状皮带运输线如图3所示。该运输线长度超6.1 km，是目前世界最长的磷石膏渣输送皮带。

常规的开采磷矿设备在一些大断面、顶帮稳定的巷道[27]项目开采中存在一定的问题，掘锚机[28]可有效解决这些问题，如在保证巷道空顶距围岩暴露后及时安装锚杆支护顶板及两帮，大大提高锚杆的支护质量，改善围岩的控制效果，有利于保障巷道支护的结构强度及施工难度[29]。而且，掘锚机施工的重要优势在于巷道成型好，施工后无需其他机械对其进行辅助作业，对底板的破坏作用小，有利于保证巷道围岩结构的稳定性。

4 结语

由于喀斯特岩溶地质环境的特殊性，包括岩溶的多种组合成分，岩石及构成岩体的各向异性以及岩溶地貌所处环境下的赋存条件，如：地下水对岩体的分割，可溶性岩石与水形成的胶结形态等多方面内外因素，都会使得岩溶地貌环境下的围岩情况更加复杂多变[30]。从生产过程来看，喀斯特地区的磷矿岩溶地质环境中实施井下充填采矿前，应综合分析磷矿岩溶组成类别及特点，围岩的不稳定性因素（例如地下水的防渗工作，围岩易发生破坏区域的预判等），并对磷矿岩溶内部可溶性岩石的占比进行试验分析。对于不同的岩溶地质特征，要通过试验对该区域矿洞的开挖进行准确合理的选择。在此基础上新型数控技术在作业中的应用和管理以及对采矿设备的技术更新可以更大限度地提高井下充填采矿的工作效率，保证井下充填开采的安全性。参考文献：

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（责任编辑：周晓南）

Abstract： The technology of filling mining under phosphorus mine is highly efficient and environmental friendly， which has been widely adopted by Guizhou phosphorus chemical enterprises.In this paper， various karst forms， boundary conditions， surrounding rock properties and filling conditions of the caverns are studied， and the section， lithology and in-situ stress parameters of the caverns of three phosphate deposits in karst area of Guizhou are analyzed and discussed.The results have positive significance in optimizing mining environment， improving the working efficiency of filling mining under phosphorus mine and ensuring mine mining safety，etc.

Key words： karst; phosphate rock; filling mining