貴州喀斯特地區(qū)磷礦充填開采研究

李勇 韓朝應(yīng) 鄭凱 李杰瑞 陳肖虎

摘 要：磷礦井下充填采礦技術(shù)高效、環(huán)保，已被貴州磷化工企業(yè)廣泛采納。研究巖溶發(fā)育類型的多種巖溶形態(tài)，礦洞的各項(xiàng)邊界條件，洞體圍巖性質(zhì)和充填情況等;對(duì)貴州喀斯特地區(qū)3個(gè)磷礦采空礦洞實(shí)體的洞體斷面、巖性和地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了分析探討。研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化礦井開采環(huán)境，提高磷礦井下充填采礦的工作效率，以及保證礦井開采安全等方面有積極意義。

關(guān)鍵詞：巖溶;磷礦;充填采礦

中圖分類號(hào)：TD87;TQ126.31;X78 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

貴州磷礦資源儲(chǔ)量豐富，居全國第二，主要分布在開陽—息烽，甕安—福泉和織金片區(qū)[1]。磷礦巖石主要成份為白云石型磷灰?guī)r，礦區(qū)呈現(xiàn)較為典型的喀斯特地貌特征，地表多為復(fù)雜陡峭山體。在風(fēng)化和水侵蝕作用下，節(jié)理裂隙斷層多，礦體完整和穩(wěn)固性較差。開陽磷礦采用深孔房柱空?qǐng)霾傻V法開采，礦石回收率70%左右[2];采后形成了大量的采空區(qū)，局部采空地段存在頂板冒落、覆巖層沉降等安全隱患[3]，導(dǎo)致礦區(qū)地表山體坍塌和滑坡，極大威脅礦山地表工業(yè)設(shè)施和安全生產(chǎn)。同時(shí)，多年生產(chǎn)造成的磷石膏渣大量堆積，造成資源大量浪費(fèi)，并且威脅到當(dāng)?shù)亓谆て髽I(yè)的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)與生存。當(dāng)?shù)亓谆て髽I(yè)推行充填式采礦工藝，實(shí)施了以磷石膏作充填骨料的井下膠結(jié)充填技術(shù)[4]。

本文研究了我省喀斯特地區(qū)磷礦巖溶類型特點(diǎn)及磷礦井下充填采礦工藝，對(duì)喀斯特地貌環(huán)境下的礦洞邊界條件、巖石特征、洞體形成和充填情況等進(jìn)行了探討。在優(yōu)化礦井開采環(huán)境及保證礦井開采安全等方面，具有一定的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 巖溶地貌特征

1.1 巖溶的類型及形態(tài)

喀斯特（karst）即巖溶，是對(duì)可溶性巖的水溶蝕現(xiàn)象，以及水對(duì)可溶性巖的沖蝕、潛蝕和崩塌等地質(zhì)作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。由喀斯特作用形成的地貌，稱為喀斯特地貌（巖溶地貌）。根據(jù)巖溶的發(fā)育形態(tài)一般將其分為地表巖溶和地下巖溶兩類。地表巖溶主要指表面裸露于地面以上的各類巖體，這類巖溶以峰林、石林、石芽、盲谷、峽谷等形態(tài)顯現(xiàn)[5];而地下巖溶是指埋藏于地表以下的巖體，這類巖溶主要表現(xiàn)為地下河、地下湖、地下沉淀物以及溶洞等形態(tài)[6]，其中地下溶洞問題是巖石工程中亟需解決的首要難題。

巖溶地下的溶洞一般都是由地下水的流動(dòng)及水與巖體的相互作用而形成的。地下水通過與地下可溶巖中的巖層、裂隙等的水化作用，最后形成大小不一、形態(tài)各異的洞穴[7]。

1.2 巖溶的分布特點(diǎn)

巖溶區(qū)域廣泛分布于世界各地。歐洲的阿爾卑斯山地區(qū)、法國東南部阿爾卑斯—羅納地區(qū)[8]、亞洲的越南山區(qū)及澳大利亞南部地區(qū)都是比較典型的巖溶地質(zhì)區(qū)域，總面積約占全球的十分之一。不同的地域環(huán)境、氣候環(huán)境都有相應(yīng)的巖溶地質(zhì)特征。巖溶地貌區(qū)域內(nèi)存在大量的可溶性巖石。

我國的巖溶地質(zhì)區(qū)域分布相對(duì)較廣，主要集中在西南地區(qū)的貴州、云南和廣西等地，地質(zhì)形態(tài)復(fù)雜，所產(chǎn)生的類型也多;據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，巖溶地質(zhì)區(qū)域總體面積約占全國領(lǐng)土總面積的三分之一[9]，構(gòu)成了獨(dú)特的巖溶地質(zhì)地貌特征。

1.3 巖溶的形成和演變

巖溶的形成在很大程度上是由一系列的巖體內(nèi)部構(gòu)造作用及外界作用通過逐年的演化生成的。從世界構(gòu)造板塊來看，地下的巖層不斷地相互擠壓和碰撞改變了地區(qū)地貌環(huán)境，形成了地下巖體內(nèi)部的裂隙空間[10]。外界的雨水和地下水的流動(dòng)、沖刷、風(fēng)化，與巖溶中的可溶性巖石產(chǎn)生化學(xué)作用形成了地表及地下的巖溶地形[11]。

2 巖溶地區(qū)磷礦開采

2.1 磷礦及磷石膏渣

磷礦多為海相沉積礦，也有部分產(chǎn)于變質(zhì)巖。一般情況下，磷礦石的組成成分中主要以硅酸鹽型磷塊巖和碳酸鹽型磷塊巖礦的形式存在;磷賦存在膠磷礦和細(xì)晶磷灰石中，被白云質(zhì)膠結(jié)成礦。磷礦不僅是制造磷肥和農(nóng)藥的重要原料、也是生產(chǎn)磷酸鹽等各類民生資源的重要原料[12]。磷塊巖的磷酸鹽含量變化很大，高的可達(dá)30%以上，低的僅百分之幾。喀斯特地區(qū)的磷礦中，碳酸鹽型磷塊巖礦的占比較大。

貴州開陽地區(qū)磷礦的礦石平均品位高達(dá)33%以上。目前，磷化工企業(yè)采用濕法磷酸生產(chǎn)工藝，用硫酸浸出磷礦提取磷酸，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的固體廢棄物磷石膏;主要成分是二水硫酸鈣和未完全分解的磷礦，殘余的磷酸、氟化物、酸不溶物以及有機(jī)質(zhì)等[13]。長期的生產(chǎn)造成的磷石膏渣堆存，不僅導(dǎo)致土地資源浪費(fèi)[14]，還會(huì)污染地下水源，嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[15]。合理處理磷石膏渣，是磷化工工業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問題。貴州某企業(yè)磷石膏渣堆場(chǎng)如圖1所示。

2.2 礦洞邊界條件

貴州屬高原巖溶地形地貌。已探明的幾個(gè)主要的大型磷礦幾乎都位于典型的喀斯特地區(qū)，磷礦層埋深數(shù)百～數(shù)千米不等。因此，磷礦洞采成為當(dāng)?shù)亓谆て髽I(yè)實(shí)施工業(yè)采礦工藝首選。傳統(tǒng)采用深孔房柱空?qǐng)霾傻V法開采。復(fù)雜的地下巖體和可溶性巖石特性[16]，決定了在喀斯特地區(qū)的磷礦開采的過程中，需要通過相關(guān)試驗(yàn)來確定磷礦礦洞的穩(wěn)定性和安全性。洞室大小、地應(yīng)力、巖性以及高寬比等，是影響礦洞開挖的邊界的主要因素[17]。洞室的大小及高寬比可以通過直接測(cè)量得到;地應(yīng)力通過試驗(yàn)洞體內(nèi)常規(guī)水壓致裂法進(jìn)行測(cè)量[18];洞體邊界巖性的最終參數(shù)可以通過采集巖石試樣化驗(yàn)得到。本文對(duì)貴州某企業(yè)自有磷礦區(qū)域內(nèi)的3個(gè)礦洞邊界條件和地應(yīng)力進(jìn)行了分析，參數(shù)測(cè)量結(jié)果見表1和表2。礦洞邊界巖石采集分析結(jié)果表明，巖性主要以石灰石巖和白云石巖為主。

由表1和表2可以看出，不同尺寸、巖性及高寬比的礦洞在同等條件下的變形結(jié)果具體為：01號(hào)礦洞的尺寸最小，沒有明顯的結(jié)構(gòu)變形，主體表現(xiàn)為應(yīng)力控制型變形，局部表現(xiàn)為應(yīng)力結(jié)構(gòu)型變形;02號(hào)礦洞的變形形式主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)型和應(yīng)力結(jié)構(gòu)型變形，例如張拉破裂、側(cè)面滑落等;03號(hào)礦洞的尺寸最大，其變形情況相對(duì)比較復(fù)雜，以結(jié)構(gòu)型變形為主，部分表現(xiàn)為應(yīng)力結(jié)構(gòu)型，應(yīng)力型破壞較為少見。

2.3 礦渣處理與井下充填

出于環(huán)保的考慮，開采過程中采用礦渣井下充填，不僅可以大幅提高礦石產(chǎn)出率，還能最大限度地保護(hù)環(huán)境。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)有井下充填采礦技術(shù)還有更多提升的空間。工業(yè)實(shí)施中，結(jié)合井下開采技術(shù)和礦洞實(shí)際情況，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礦常用的方法。干式充填法一般將采礦過程中產(chǎn)生的碎石、廢渣及地下開采出的廢石作為充填材料，利用碎石機(jī)對(duì)這些材料進(jìn)行震碎處理，形成充填骨料，最后再對(duì)井下進(jìn)行充填。干式充填法多用于圍巖不穩(wěn)而礦石穩(wěn)固的礦體、缺乏水源或水量過大的礦山、廉價(jià)干充填料等[20]。

碎石水泥充填法一般是在干式充填的基礎(chǔ)上利用尾砂[21]對(duì)填空區(qū)的碎石進(jìn)行膠結(jié)[22]，這樣做的目的是強(qiáng)化充填材料的強(qiáng)度，保證地基的穩(wěn)定。

貴州喀斯特地區(qū)磷化工企業(yè)，傳統(tǒng)工藝采用深孔房柱空?qǐng)霾傻V工藝，礦石回收率低，造成資源大量浪費(fèi);采后形成的采空區(qū)存在礦區(qū)地表山體坍塌和滑坡、覆巖層沉降等安全隱患，極大地威脅礦山地表工業(yè)設(shè)施和安全生產(chǎn)。同時(shí)，多年生產(chǎn)造成的磷石膏渣大量堆積，已經(jīng)威脅到當(dāng)?shù)亓谆て髽I(yè)的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)與生存。

充填式采礦工藝已被當(dāng)?shù)亓谆て髽I(yè)廣泛采納。某企業(yè)磷石膏填充料預(yù)處理系統(tǒng)，利用尾礦和磷石膏進(jìn)行膠結(jié)，不僅提高了充填料的強(qiáng)度，還消納了大量的磷石膏，如圖2所示。

由貴州省磷化工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口制定的《磷礦開采磷石膏充填采礦技術(shù)規(guī)范》DB 52/T 1179—2017已于2017年起實(shí)施[23]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了磷礦開采磷石膏充填采礦技術(shù)的采礦系統(tǒng)布置、磷石膏充填系統(tǒng)、采場(chǎng)充填工藝和磷石膏充填水質(zhì)監(jiān)測(cè)的規(guī)范。

3 磷礦井下充填采礦新技術(shù)應(yīng)用

3.1 數(shù)字技術(shù)在巖溶地貌井下充填采礦中的應(yīng)用

目前，企業(yè)對(duì)于井下礦產(chǎn)開采實(shí)施的有效監(jiān)控為后期礦產(chǎn)開采奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如：現(xiàn)有磷礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)井下傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)礦井下移動(dòng)設(shè)備、人員及礦山災(zāi)害的分布式監(jiān)測(cè)均采用無線網(wǎng)絡(luò)，包括無線語音、無線數(shù)據(jù)、無線視頻等信息的傳輸[24];功能包括設(shè)備工況監(jiān)測(cè)監(jiān)控、災(zāi)害環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、人員定位、機(jī)車管理、語音通信以及工業(yè)電視等;形成一個(gè)完整的無線感知平臺(tái)[25]。同時(shí)，井下傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息傳入服務(wù)器還能與井上管理分支進(jìn)行信息共享，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中信息的處理及應(yīng)用。這些技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)了信息的有效溝通，保證了開采過程的順利和安全。

3.2 巖溶地區(qū)井下充填采礦機(jī)械設(shè)備的技術(shù)更新

現(xiàn)有采礦設(shè)備主要分為兩類，一類是用于井下開采原礦的采礦設(shè)備，另一類是原礦的運(yùn)輸設(shè)備。采礦設(shè)備一般常用的是鑿巖機(jī)，有時(shí)也會(huì)用到鑿巖鉆車，具體要根據(jù)采挖區(qū)的地質(zhì)情況而決定。運(yùn)輸設(shè)備包括電耙運(yùn)搬、無軌搬運(yùn)機(jī)械、平裝轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、巷道運(yùn)輸設(shè)備以及提升設(shè)備等[26]。

貴州某企業(yè)實(shí)施的“磷化工全廢料自膠凝充填采礦技術(shù)”，采用數(shù)字化自動(dòng)控制結(jié)合大型無軌采掘設(shè)備和大型、長距離磷石膏渣干法管狀皮帶運(yùn)輸?shù)染C合技術(shù)，以改性磷石膏和采礦廢渣為主料注入充填采掘后的礦井，每年可消納數(shù)百萬噸磷石膏渣。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用避免了采礦區(qū)山體開裂、地表塌陷，極大地提高了磷礦開采的安全性，同時(shí)大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，充填式采礦工藝已經(jīng)被貴州磷化工企業(yè)廣泛采納。貴州某企業(yè)的磷石膏渣干法管狀皮帶運(yùn)輸線如圖3所示。該運(yùn)輸線長度超6.1 km，是目前世界最長的磷石膏渣輸送皮帶。

常規(guī)的開采磷礦設(shè)備在一些大斷面、頂幫穩(wěn)定的巷道[27]項(xiàng)目開采中存在一定的問題，掘錨機(jī)[28]可有效解決這些問題，如在保證巷道空頂距圍巖暴露后及時(shí)安裝錨桿支護(hù)頂板及兩幫，大大提高錨桿的支護(hù)質(zhì)量，改善圍巖的控制效果，有利于保障巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及施工難度[29]。而且，掘錨機(jī)施工的重要優(yōu)勢(shì)在于巷道成型好，施工后無需其他機(jī)械對(duì)其進(jìn)行輔助作業(yè)，對(duì)底板的破壞作用小，有利于保證巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

由于喀斯特巖溶地質(zhì)環(huán)境的特殊性，包括巖溶的多種組合成分，巖石及構(gòu)成巖體的各向異性以及巖溶地貌所處環(huán)境下的賦存條件，如：地下水對(duì)巖體的分割，可溶性巖石與水形成的膠結(jié)形態(tài)等多方面內(nèi)外因素，都會(huì)使得巖溶地貌環(huán)境下的圍巖情況更加復(fù)雜多變[30]。從生產(chǎn)過程來看，喀斯特地區(qū)的磷礦巖溶地質(zhì)環(huán)境中實(shí)施井下充填采礦前，應(yīng)綜合分析磷礦巖溶組成類別及特點(diǎn)，圍巖的不穩(wěn)定性因素（例如地下水的防滲工作，圍巖易發(fā)生破壞區(qū)域的預(yù)判等），并對(duì)磷礦巖溶內(nèi)部可溶性巖石的占比進(jìn)行試驗(yàn)分析。對(duì)于不同的巖溶地質(zhì)特征，要通過試驗(yàn)對(duì)該區(qū)域礦洞的開挖進(jìn)行準(zhǔn)確合理的選擇。在此基礎(chǔ)上新型數(shù)控技術(shù)在作業(yè)中的應(yīng)用和管理以及對(duì)采礦設(shè)備的技術(shù)更新可以更大限度地提高井下充填采礦的工作效率，保證井下充填開采的安全性。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

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