注漿加固松散覆巖干式充填體技術研究與應用

陳南海 王 志 程祝祥 鐘國鴻 唐志超

（1.紫金礦業(yè)集團股份有限公司；2.龍興有限責任公司；3.紫金(長沙)工程技術有限公司）

隨著礦山開采的不斷進行，資源量減少，松散覆巖充填體下的殘礦資源以及淺部殘留礦柱資源的開發(fā)利用受到礦山的普遍重視。對這些資源進行回采，普遍存在諸如頂板不穩(wěn)固等方面的安全風險。

為了最大限度地回收松散覆巖充填體下的殘礦資源，擬采用注漿法，通過漿液滲透將碎石集料顆粒膠結成體，以提高松散體的強度，形成具有一定承載性能和強度的完整固結體，即人工假頂，從而保障回采的頂板安全［1-2］。

1 工程概況

某金礦已開采多年，目前礦井采深超過1 000 m，并逐年遞增，礦石品位也呈下降趨勢，而礦山前期受采礦方法的局限，上部中段基本采用空場法回采，遺留了大量高品位礦柱，這些殘礦資源周圍空區(qū)都進行了廢石干式充填，若想回收這部分殘礦資源，則必須考慮干式充填體的控制和處理措施。

根據(jù)對殘留礦柱資源的調查與統(tǒng)計，這些資源平均金品位為9.87 g/t，可回收金金屬量高達233.85 kg。這些資源主要為頂?shù)字V，部分原有采場留有間柱，礦柱相鄰原采場均采用干式充填方法，進行了未接頂充填。為了保障殘留礦柱資源的安全回采，研究確定采用注漿加固松散覆巖充填體，使之形成具有一定強度與穩(wěn)固性的人工假頂，保障回收過程的頂板安全。

殘留礦塊主要由井下350 m 中段原350-7#采場頂柱及400 m 中段原400-7#采場底柱構成，采場實測平面圖見圖1，試驗采場長50 m，350-7#采場頂柱厚5～7 m，400-7#采場底柱厚5.5 m，寬度為礦塊厚度，平均4.4 m?；夭蓵r為了保障頂板安全，視散體固結情況及人工假頂穩(wěn)定性留點柱。采礦方法示意見圖2。

2 膠結體與底柱圍巖相互作用模型

松散覆巖注漿膠結體形成的人工假頂層與圍巖的力學環(huán)境直接影響底柱的回采，它的單元形態(tài)確定膠結體的承載性能和變形特性，成形方式?jīng)Q定凝結體的膠結強度［3-4］。結石率、注漿材料的膠結強度和彈性模量等宏觀因素影響膠結體的穩(wěn)定性［5-6］。

注漿膠結充填體假頂作用于底柱之上，具有較高強度，其假頂?shù)氖芰η闆r見圖3。底柱回采時起到承載上覆充填體的作用，同時作為梁、板支撐限制圍巖變形，采場圍巖的變形引起注漿膠結體內的應力變化，以阻礙圍巖的變形［7-8］。

3 注漿加固方案與應用

3.1 現(xiàn)有干式充填體特征

礦山經(jīng)過30 余年的開采，上部中段干式充填體在爆破震動和裂隙水的作用下，碎石細顆粒在充填體底部形成了板結，板結層密度高、裂隙少，厚度在6.2～12.6 cm，注漿充填時可作為天然的阻漿墻，有利于漏漿的控制。

3.2 注漿孔布置

根據(jù)350 m 中段試驗采場結構參數(shù)與干式充填體的現(xiàn)場充填特征，結合漿液的流動性能，在脈內巷設計注漿鉆孔，如圖4 所示。在脈內巷頂部布置5 個注漿孔，在巷道左右拱肩各布置1 個注漿孔，沿脈內巷方向每10 m 設置1排，每排設置3個鉆孔直至采場長度。施工時采用φ42 mm 風鉆鉆頭打孔，鉆孔角度根據(jù)現(xiàn)場礦體傾角實際進行調整，孔深8～12 m，注漿厚度經(jīng)計算為8 m。

3.3 注漿工藝及流程

3.3.1 注漿設備

注漿施工時主要用到的設備有注漿泵、花管、注漿槍、封堵材料等，其主要設備性能參數(shù)見表1。

3.3.2 注漿材料

試驗采場上部覆巖松散體注漿材料主要包括425#普通硅酸鹽水泥、水玻璃和水。雖然被注充填體經(jīng)長年累月沉降固結，但散體間裂隙不均勻性較大，個別鉆孔可能存在注漿量較大卻沒有明顯壓力增長，此時應加注水玻璃，縮短膠凝時間，提高注漿效率［9］。

3.3.3 漿液配比

（1）純水泥漿液：水泥種類為425#普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比以（質量比）0.6∶1和0.8∶1，共2種。

（2）水泥-水玻璃雙液注漿：水泥為425#普通硅酸鹽水泥，水玻璃為液態(tài)水玻璃，其配比為水泥與水比例為0.8∶1（質量比），水泥漿液與水玻璃比例為5∶1（體積比）。

3.3.4 注漿施工流程

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件，為了保障松散覆巖充填體內的成孔率，施工流程如下：①注漿前先施工第1 排共3個注漿孔；②先對巷道左右拱肩處的注漿孔進行注漿施工作業(yè)，再對中間孔進行注漿作業(yè)；③施工第2排鉆孔，完成第2排孔注漿，鉆孔注漿交替作業(yè)直至完成全部孔的注漿作業(yè)。注漿固結工藝流程見圖5。

4 注漿固結穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算與分析

根據(jù)礦山試驗采場的實際情況，利用COMSOL物理場仿真計算軟件，以試驗采場底柱、注漿固結體、松散覆巖和上下盤作為模型計算組件，建立模型長、寬、高分別為50、18和40 m，模型見圖6。

在回采底柱殘礦時，試驗采場底柱厚度為5.5 m，礦房長度50 m，礦體平均寬度4.4 m，第一次回采高度為2.5 m，第二次回采高度為3 m。本次模擬計算嚴格按照注漿固結、養(yǎng)護、回采、充填的步驟進行，模型計算時，記錄回采過程中圍巖與膠結充填體的應力應變狀態(tài)和位移情況，輸入礦巖力學參數(shù)及初始條件，模擬計算結果見圖7。

根據(jù)圖7可知，試驗采場頂部出現(xiàn)了3 cm的最大位移，底部沒有出現(xiàn)位移情況。說明底柱在注漿膠結松散體厚度為8 m 時的回采過程中較為安全，為了充分保障最后一層回采時頂板的可靠性，可采取一定的支護措施。

5 應用及效果

注漿工業(yè)試驗實施過程中，注漿初期散體裂隙率較大，漿液流通性能好，注漿壓力基本維持在2.4 MPa 左右，為了更好地控制漿液流動范圍，避免漿液充填到非目標區(qū)域，造成漿液浪費，增加成本，同時提高注漿質量，在注漿初期提高漿液濃度，采用添加水玻璃雙液注漿的方式間歇性注漿來控制漿液的流動范圍［10］。注漿材料消耗費用見表2。

350 m 中段試驗采場廢石散體注漿加固過程中，總共設置了注漿孔32 個，補孔5 個。在散體鉆孔因廢石塊度較大，充填體在長年爆破振動過程中整體密實性較好，部分鉆孔底部出現(xiàn)了塌孔。但整體上注漿固結后人工假頂保持了較好的穩(wěn)固性，為回采底柱提供了良好的頂板安全，提高了礦石回采率，減少了廢石混入率，降低了礦石貧化，為礦山企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。

6 結論

（1）針對礦山空場嗣后干式充填的殘留礦柱回收技術難題，提出采用注漿的方式固結干式散體充填料，使之形成具有一定強度與穩(wěn)固性的整體，保障礦柱回采的頂板安全，可為類似殘留礦柱的回采提供借鑒。

（2）礦柱在回采過程中，沒有出現(xiàn)冒頂、垮塌現(xiàn)象，固結完整性較好。如果采場跨度較大，可預留點柱，減小頂板暴露面積，保證回采過程中的頂板安全。

（3）試驗采場上部散體覆巖注漿后，礦柱回收了1 223.4 t 高品位金礦石，回采率高達78.53%，減少了上部廢石的混入，礦石貧化率控制在12%以內，干式散體覆巖注漿固結取得了較好的效果，提高了經(jīng)濟效益。