地下开采的矿山在生产过程中常会遇到受断层破碎带严重影响的难采矿块。这种难采矿块由于地压大, 采场大量片邦冒顶, 巷道变形, 回采和放矿都十分困难。随采而动随放而垮的难采矿块, 给安全生产带来很大威胁, 使采场采不上或采下矿石放不出来甚至根本无法回采。矿山遇到这种情况通常是采多少算多少。当采场损失的矿量较多时, 则掘付中段, 做二次切割工程回采。若安全问题大而又处理不了时, 就弃而不采, 任其损失。

画眉坳钨矿在距主破碎带10~15米范围内的难采矿块就属于这种类型。根据工程地质分析, 该矿的难采矿块主要是受构造破坏造成的。由于断层纵横交错, 受破碎带的影响, 构造、节理、裂隙极为发育, 普遍存在片理, 岩体呈碎裂结构, 力学强度低, 围岩破碎极不稳固, 采场回采时地压大, 安全问题很多。处于这种地质条件下的矿块, 若不采取加固围岩的措施, 而按常规方法回采是十分困难的, 即使能上采一定的高度, 其采下矿石也难以放出。过去, 该矿此类矿块回采率仅有34.7%~55.2%, 损失率很高。据统计, 该矿由此损失钨金属量累计达700余吨, 而在此范围内的地质储量尚有金属量1500余吨, 愈难采的矿块品位愈高。因此, 进行针对性的试验研究工作是很有意义的。

当前, 急倾斜薄矿脉钨矿普遍应用的采矿方法仍然是留矿法。而留矿法的使用条件之一是采场上下盘围岩稳固, 否则难以实现安全回采和顺利放矿。当围岩不稳固而要用好留矿法时, 采用注浆技术加固围岩是有效的途径之一。

一 试验采场地质概况及开采技术条件

试验采场位于375米中段17^#勘探线903₁巷(3₁脉)向东6米至51米之间。其长度为45米, 垂直高度49米, 平均脉宽0.43米, 倾角82°~85°, 倾向南, 脉石品位1.474%, 脉石量2528吨, 金属量37.26吨。

采场北邦距F₁主破碎带8~10米, 破碎带宽12米以上。东端与17N903²采空区相距6米, 南端为18N904采空区, 与试验采场相距10米。采场矿脉西段变化复杂, 被断层错动。采场上部中段为17N803°采空区, 即试验采场处于三面临空区, 一面临破碎带的空间位置, 如图 1、图 2所示。

采场围岩系震旦纪浅变质石英云母片岩与云母石英片岩互层。由于受主破碎带影响, 除有沿脉走向断层外, 伴有逆层而上的小断层, 其产状与层、片理基本一致, 倾向南东, 倾角缓且多有断层泥出现, 裂隙发育, 密度为11~27条/米, 平均裂隙宽度0.38毫米。就难采程度来说, 903₁试验采场是该矿典型的难采矿块。

二 试验技术方案

试验方案立足于加固采场围岩, 改善围岩的物理力学性能和稳定状态, 为难采矿块顺利使用留矿法创造条件。针对难采矿块主要是受构造破坏的特征, 采用以压力注浆为主、长锚索为辅的加固方案来加固破碎不稳固的围岩。为降低成本和防止对井下造成环境污染, 注浆材抖选用高标号水泥作胶结材料。通过钻孔用专用设备将浆液压入岩层裂隙, 然后安装长锚索, 将围岩加固。为达到顺利回采与放矿要求, 注浆加固方案考虑了以下工程特点。

1.钨矿留矿法采场的主要作业是回采和放存窿矿石。完成这两项作业一般需时8~12个月左右, 强采快放则短一些。因此, 采场对围岩稳定性的要求是:在回采和放矿作业的一年左右的叶间内, 不出现影响正常作业的片邦冒顶安全威胁就满足了工程要求, 不需要永久工程那样的高强度。

2.允许存在加固空白段。采场围岩加固后允许出现不影响正常作业的小的片邦冒顶现象。这就不需形成连续的帷幕, 也不需要岩体维持长时间的稳定。华据这一工程特点, 注浆浆液灼有效扩散半径不必设计交厚圈, 允许存在浆液扩散的空白段。这样可以减少注浆工程的难度, 有利于施工, 也可减少注浆孔数, 节省注浆材料, 降低成本。

3.着重加固采场中上部围岩。矿山生产实践的经验是, 难采矿块上采10米左右就开始出现威胁安全生产的片邦冒顶现象, 距破碎带越近就越难采, 随上采高度的增加安全威胁越大。因此, 对采场围岩的加固重点是采场的中上部位。应力分析及电算结果证实, 难采矿块在无加固的情况下安全采高为11米左右。据此, 将注浆孔布置为下向孔, 这对止浆是有利的, 但在上部中段的采空区下面施工增加了施工的难度。

4.空区顺层方向的岩层易出现片邦的安全威胁。破碎带附近的岩层倾向稳定, 倾角17°~24°, 矿脉倾角82°~85°, 当上采形成空区后, 对采场安全威胁较大的一般是顺层方向的岩层。这种岩层有沿层面向采场滑移的条件, 易出现片邦。逆层方向的岩层对采场的影响主要是三角岩柱。岩层倾角不变时, 矿脉倾角愈陡三角岩柱影响愈小。顺层岩层一般是矿脉上盘, 与空区上盘是一致的。当矿脉反向时岩层倾向不变, 顺层岩层是矿脉下盘, 但仍是采场的主要安全威胁。因此, 对围岩的加固重点是顺层方向滑移空区的岩层。

5.采场不同地段构造发育程度不同, 应注重局部破坏剧烈段的加固。在实施注浆方案时必须查清加固范围内有无溶洞, 浆液是否会扩散到采空区去, 否则会造成注浆失败。

三 注浆加固 (一) 注浆方案

单液水泥浆预注浆方案。采场回采之前完成注浆施工。

(二) 注浆方式

全段一次下行注浆。

(三) 注浆参数

1.注浆压力。根据多种因素设计确定注浆压力。试验采场水文地质情况简单, 没有承压含水层, 仅有少量裂隙水, 不能以静水压力来确定注浆压力。试验采场的注浆是界于地面注浆和工作面注浆之间的一种类型。为使注浆达到预期效果, 根据工程要求和注浆泵的能力, 设计确定了较高的注浆压力。共有三个级别的压力:初始压力5~6公斤\厘米²；正常注浆压力15~20公斤/厘米²；结束压力35~40公斤/厘米²。

2.浆液有效扩散半径。浆液的有效扩散半径取决于裂隙的连通性和注浆压力。浆液胶结范围应满足采场作业对围岩稳定性的要求。根据矿山生产实践, 留矿法采场之间的夹墙厚度达4~6米时就可基本保持其稳定, 这就要求注浆后结石体的厚度须达4~6米。设计扩散半径3~4米。注浆后通过检查孔验证, 扩散半径达到了3米。

3.浆液浓度。浆液浓度分起始浓度和正常浓度两种。起始浓度由注水时测得的岩层吸水率确定。注浆过程中其浓度根据吸浆量的大小及时进行调整, 吸浆量小时用低浓度, 反之用高浓度。注浆施工时使用的浓度变化范围从8:1或4:1逐渐过渡到1:1或0.5:1。

4.注浆孔数。在满足采场围岩稳固要求前题下的最少孔数才是最优的孔网参数。钻孔数量根据加固要求, 工程地质条件和施工条件确定。在确定了扩散半径和注浆孔浆液扩散间距之后可通过计算得出注浆孔数。试验采场共设计6个注浆孔, 一个检查孔。注浆孔与锚索孔同孔, 钻孔距矿脉1.5~2米。

(四) 注浆施工及长锚索安装

注浆施工包括钻孔、建立注浆系统、安装止浆塞、注水、注浆几个方面。注浆系统由供料、供水、搅拌桶、注浆泵、高压输浆管路、孔口装置、止浆系统、稳压回路及计量装置等组成。注水与注浆为同一系统。注浆系统见图 3。在注浆施工中, 稳定孔口注浆压力, 防止返浆和漏浆十分重要, 否则, 会严重影响注浆效果。

长锚索安装, 在注浆结束、止浆塞取出后立即进行。长锚索用φ28毫米旧钢丝绳制成, 使用前经过除油和扎头处理后, 靠自重放入孔内, 再注入水泥砂浆封好孔口即成。

整个试验采场围岩加固工程量及材料消耗:钻孔, 注浆孔150.22米, 检查孔20.15米; 注水12.68立方米; 注浆8.77立方米; 水泥消耗量4.15吨; 长锚索127.5米。每米注浆孔耗浆67升, 耗水泥32公斤。

注浆加固后改善了围岩的物理力学性能, 提高了支撑能力, 稳定状态得到改善。检查孔布在浆液扩散的有效范围内, 测其岩芯采取率, 加固后比加固前提高了45%, RQD值提高了21.7%。

四 回采放矿 (一) 回采

注浆加固围岩的目的是为了安全顺利地采矿、放矿, 把没加固就进行采矿所损失的那部份矿量采出来, 提高回采率。回采放矿效果是对加固效果的直接验证。回采作业在注浆后待水泥达终凝期进行。采矿方法仍沿用矿山现行的浅孔留矿法, 其工艺完全相同。采准、切割、回采都按常规进行, 定额指标仍执行矿山的统一规定。在历时8个月左右的采矿作业过程中, 没有出现影响正常作业的片邦冒顶安全威胁, 实现了安全回采。在上采过程中因采场西头采幅太窄, 仅0.7米左右, 致使连续出现空洞影响了回采进度。跨年度生产、停电、停产也延长了回采时间。整个采场的回采时间与矿山其它留矿法采场耗时相当。采高超过设计高度1.06米。采完后经过验收才结束作业。该采场在三面临采空区一面临破碎带, 地质条件复杂, 矿脉变化剧烈, 回采时间又较长的情况下能采上去, 这说明加固围岩是起到了安全生产的作用的。

(二) 放矿

留矿法采场的采下矿石在上采过程中只放出40%, 余留的存窿矿石在采矿作业结束后集中放出。放矿是留矿法采场的一项主要作业, 对难采矿块来说只将矿石采下来还没达到目的, 必须将采下矿石都放出来才能说明加固围岩的最终效果。在放矿过程中, 我们进行了全过程观察, 该采场没出现其它难采矿块采场大面积垮邦, 使矿石放不出来的现象。但也出现过卡斗和炸斗现象, 有的漏斗好放一些, 有的难放一些, 这属正常情况。采场存窿矿石3282吨, 实际放出3429吨, 放出量稍大于存窿量, 这是由于放矿过程中出现了小的片邦所致。整个放矿过程是顺利的。这是对加固效果的进一步验证。

五 加固费用与经济效益

一个采场的围岩加固费用, 按摊入成本的费用统计为1.68万元。加固后多回收的钨金属量, 以矿山难采矿块的平均脉宽0.67米, 平均品位1.054%计算, 50×45米的标准矿块钨金属量为44吨, 回采率实际提高45%, 按提高43%计算, 则可多回收价值34.2万元的资源, 扣除加固费和生产成本仍可获利2万元左右。加固采场围岩回采难采矿块目的在于减少资源损失, 提高资源利用率, 保证作业人员的安全, 社会效益是显著的。画眉坳钨矿约有60%的难采矿块可推广应用此项技术, 若能实现, 则效益更为显著。

每个矿块的脉宽和品位都不同, 采用加固技术将增加工程量及费用, 成本也将相应增加。因此, 在品位较高的矿块应用经济效益才显著。以出矿品位≥0.35%为临界值, 可使矿山采用此项技术而不造成亏损。

六 效果及评价

该项试验按设计进行加固、回采和放矿, 达到了预期目的, 效果较好。设计采矿量5057吨, 实际采矿量5471吨；设计上采高度46米, 实际采高47.06米, 比周围采场的平均上采高度高25米；设计回采率87%, 实际达90.2%, 比不加固就进行回采的同类矿块的回采率提高45%左右；采下矿石全部放出。

该项研究成果已通过中国有色金属工业总公司委托南昌公司主持的专家鉴定。

鉴定认为, 该项试验研究是成功的。采用高压注浆长锚索加固采场不稳固围岩, 改善了围岩物理力学性能, 提高了其支撑能力, 工艺是成功的, 属国内金属矿山首创, 应用于围岩不稳定矿块, 扩大了留矿法的应用范围, 对其它采矿方法类似情况亦有参考意义。