注漿固結(jié)法在殘礦回收中的應(yīng)用

摘要：針對某黃金老礦山資源衰減問題，為合理利用淺部高品位殘礦資源，提出采用預(yù)留頂柱和不預(yù)留頂柱2種回采方案。預(yù)留頂柱分為預(yù)留1 m頂柱和0.5 m頂柱；不預(yù)留頂柱分為注漿膠結(jié)厚度5 m和10 m。根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定采用預(yù)留部分頂柱與注漿固結(jié)干式充填料的綜合護(hù)頂措施，即預(yù)留頂柱厚度1 m，注漿膠結(jié)厚度5 m。詳細(xì)介紹了殘礦回收工藝流程。通過對試驗采場上部采空區(qū)已有松散充填料進(jìn)行注漿固結(jié)，成功回收礦石量4 500 t，金金屬量24 kg，獲得經(jīng)濟(jì)效益661.98萬元。該試驗的成功經(jīng)驗將指導(dǎo)礦山后續(xù)殘礦的回收工作。

關(guān)鍵詞：高品位；殘礦；松散充填料；注漿；固結(jié)法；頂板；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD853.34 文章編號：1001-1277（2024）09-0027-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240906

引 言

隨著國內(nèi)地下礦山開采深度的逐年遞增，淺部高品位易開采礦產(chǎn)資源量日漸退減。當(dāng)?shù)V山面對保有儲量不足，三級礦量不平衡或在深部礦產(chǎn)資源回采方面存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等問題時，淺部殘礦的回收優(yōu)勢更加凸顯［1-2］。

某地下開采黃金礦山已有40多年的開采歷史，開拓方式為平硐+豎井聯(lián)合開拓，現(xiàn)主要采礦方法為上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填采礦法、淺孔留礦采礦法和深孔落礦采礦法。經(jīng)過較長時間開采，該礦區(qū)已進(jìn)入保有資源儲量逐漸減少的困境。為保證企業(yè)持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，礦區(qū)決定加大對淺部殘礦資源的回收力度。

該礦山淺部殘礦資源周圍多為老采空區(qū)，部分中段采空區(qū)進(jìn)行了廢石干式充填處理，充填普遍未接頂。如果回采，勢必引起上覆巖層的沉降與移動，因此，上覆巖層的穩(wěn)定性是保證殘采安全的關(guān)鍵所在。此次殘礦回收工作必須與采空區(qū)處理同步進(jìn)行，特別要充分考慮干式充填體的控制和處理措施。

1 工程概況

該礦山淺部中段主要為采用空場采礦法回采留下的底柱和頂柱及被視為廢石的未回采貧礦等。由于近年金價持續(xù)攀升，原來低于可采品位的資源量逐漸具備了開采價值。

1.1 試驗采場確定

為保證回采安全，特別是為礦區(qū)以后頂?shù)字夭商峁┖侠淼牟傻V方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)頂?shù)字Y源條件及分布狀況，以及現(xiàn)有的工程條件，選擇916-42采場頂柱、816-42采場底柱作為試驗采場，采場位置見圖1。

1.2 試驗采場基本情況

916-42采場、816-42采場位于-17中段至063中段16勘探線—18勘探線，均采用淺孔留礦采礦法回采，礦體真厚度為4～5 m，礦房長度約35 m，金品位5.6 g/t。2個采場頂?shù)字g留有中段水平沿脈運(yùn)輸巷道，該運(yùn)輸巷道位于試驗采場礦塊內(nèi)，斷面規(guī)格為2.0 m×2.0 m。916-42采場頂柱厚度為5～7 m，與其對應(yīng)的上部816-42采場底柱厚度為5.5 m，采場總厚度為10.5～12.5 m（含巷道高度），礦石量約為5 000 t，金金屬量27 kg。

試驗采場兩端均留有礦壁，因礦體負(fù)變不具備回收價值，因此試驗采場暫不考慮礦壁的回收工作。采場兩端16勘探線和18勘探線行人天井均可正常使用，天井?dāng)嗝嬉?guī)格為2.0 m×2.0 m。

1.3 礦區(qū)充填系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦區(qū)地表充填站位于罐籠井東側(cè)100 m，距尾砂排放點(diǎn)約3 km，充填站利用山體地形采用階梯式布置，充填系統(tǒng)主要建筑物由1個尾砂濾餅儲存車間、2個尾砂造漿池、1個水泥倉、1個充填車間及其配套的配電儀表室等組成。

充填材料選用礦山不含氰化物的浮選尾砂作為充填料，浮選尾砂經(jīng)陶瓷過濾機(jī)過濾，含水率10 %～12 %，尾砂密度2.73 t/m3，排入尾礦庫作為充填系統(tǒng)的充填料，膠結(jié)劑采用強(qiáng)度等級32.5硅酸鹽水泥。

充填系統(tǒng)服務(wù)范圍為-137～-57 m。充填系統(tǒng)充填能力：①充填料漿制備輸送能力5～40 m3/h；②充填料漿濃度62 %～64 %；③充填系統(tǒng)一次最大充填量120～200 m3；④灰砂比1∶4～1∶15。

2 殘礦回收方案

2.1 方案的提出

結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)有成熟的技術(shù)經(jīng)驗條件，殘礦回收方案確定為利用916-42采場未接頂?shù)某涮蠲婧驮卸嗡窖孛}運(yùn)輸巷道作為回采空間，施工上向深孔，同時分段爆破；利用新掘進(jìn)的下向斜坡道作為出礦巷道，通過遙控電鏟，將爆下礦石倒入916-42采場行人天井改造成的溜井，從-17中段水平運(yùn)出。該方案的關(guān)鍵在于回采和出礦過程中試驗采場頂板的穩(wěn)定性，主要考慮在深孔鑿巖爆破和出礦過程中，上部松散狀態(tài)的充填料對礦石貧化的影響。根據(jù)以往充填經(jīng)驗，確定采用超前注漿固結(jié)干式充填料，使干式充填料形成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)體作為采場頂板，具有一定的承載能力。待試驗采場大量出礦結(jié)束后，再通過膠結(jié)充填的方式將試驗采場接頂充填密實。

2.2 頂板穩(wěn)定性模擬

為最大程度保證試驗采場頂板的穩(wěn)定性，假設(shè)模擬現(xiàn)場作業(yè)人員在頂板下的直接作業(yè)環(huán)境來進(jìn)行模擬試驗。本方案前期采用有限元分析軟件COMSOL Mutiphysics建立模型，對保留礦柱、注漿厚度等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

選取注漿試驗的基礎(chǔ)模擬數(shù)值，選用強(qiáng)度等級32.5硅酸鹽水泥，對該環(huán)境下的底柱進(jìn)行開挖，分為預(yù)留頂柱及不預(yù)留頂柱2種情況，主要確定是否預(yù)留頂柱及預(yù)留頂柱的厚度，以及不預(yù)留頂柱時，需要膠結(jié)廢石充填體的高度。

根據(jù)現(xiàn)場，按采空區(qū)面積最大值建立試驗礦房三維仿真模型，長×寬×高=40 m×18 m×40 m，分別建立了上下盤、預(yù)留頂柱和膠結(jié)體等部分，試驗礦房三維仿真模型見圖2。

依據(jù)要求，本次分為預(yù)留頂柱和不預(yù)留頂柱2種情況，其中預(yù)留頂柱分為預(yù)留1 m頂柱和0.5 m頂柱；不預(yù)留頂柱分為注漿膠結(jié)厚度5 m和10 m［3］。

2.3 結(jié)果及分析

2.3.1 預(yù)留1 m頂柱

回收底柱殘礦，試驗采場底柱厚度3.5 m，預(yù)留1 m頂柱，回采高度2.5 m，礦房長度40 m，寬度5 m。通過模擬得出，預(yù)留頂柱頂面施加的載荷為6.17 MPa，模擬結(jié)果見圖3。

由圖3可知：預(yù)留1 m頂柱時最大位移為0.001 m，為頂面中點(diǎn)，位移量較小，可認(rèn)為此時穩(wěn)定，但在回采過程中，必須時刻注意頂板的變化，以保證回采過程的安全。

2.3.2 預(yù)留0.5 m頂柱

回收底柱殘礦，試驗采場底柱厚度3.5 m，預(yù)留0.5 m頂柱，回采高度3 m，礦房長度40 m，寬度5 m。通過模擬得出，預(yù)留頂柱頂面施加的載荷為6.17 MPa，模擬結(jié)果見圖4。

由圖4可知：預(yù)留0.5 m頂柱時最大位移約為0.537 m，為頂面中點(diǎn)，位移量超過預(yù)留頂柱厚度，可認(rèn)為此時頂柱已垮，故此預(yù)留厚度無法滿足實際需要。

2.3.3 不預(yù)留頂柱，注漿膠結(jié)厚度5 m

回收底柱殘礦，試驗采場底柱厚度3.5 m，不預(yù)留頂柱，回采高度3.5 m，礦房長度40 m，寬度5 m。通過模擬得出，預(yù)留頂柱頂面施加的載荷為5.15 MPa，模擬結(jié)果見圖5。

由圖5可知：不預(yù)留頂柱，注漿膠結(jié)厚度5 m時，最大位移約為0.061 m，可認(rèn)為此時回采頂板有較大移動，對回采安全有較大的影響。

2.3.4 不預(yù)留頂柱，注漿膠結(jié)厚度10 m

回收底柱殘礦，試驗采場底柱厚度3.5 m，不預(yù)留頂柱，回采高度3.5 m，礦房長度40 m，寬度5 m。通過模擬得出，預(yù)留頂柱頂面施加的載荷為4.45 MPa，模擬結(jié)果見圖6。

由圖6可知：不預(yù)留頂柱，注漿膠結(jié)厚度10 m時，最大位移約為0.030 m，為頂柱頂面中點(diǎn)，膠結(jié)體底面位移為0 m，可認(rèn)為此時回采過程較為安全［4-6］。

2.4 方案的確定

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)分析，當(dāng)采用不注漿預(yù)留1 m頂柱和注漿膠結(jié)厚度為10 m時，均可保證殘礦回收方案的安全性。但基于此次試驗的特殊性，為最大限度保證頂板安全，設(shè)計采用預(yù)留部分頂柱與注漿固結(jié)干式充填料的綜合護(hù)頂措施，預(yù)留頂柱厚度為1 m，注漿膠結(jié)厚度為5 m。

3 頂柱殘礦回收

3.1 充 填

根據(jù)現(xiàn)場輸送水平距離和高度，計算充填倍線范圍，利用自有充填系統(tǒng)和已有井巷，確定試驗采場采用自流輸送的充填方式［7］。

用水泥擋墻對各分層聯(lián)絡(luò)巷道進(jìn)行封堵，同時在水平擋墻留有濾水孔，保障濾水通暢。

3.2 鑿巖爆破

因為漿液流動的隱蔽性，很難直觀通過數(shù)據(jù)描述充填效果，故在充填養(yǎng)護(hù)完成一個月后，在中段水平沿脈運(yùn)輸巷道靠近礦壁的位置，先用鉆桿鉆鑿5個4 m鉆孔穿透底柱厚度，然后以該鉆孔作為掏槽孔，在其周圍施工3.5 m深的上向孔，嚴(yán)格控制爆破藥量，分2次進(jìn)行爆破（2次爆破時間不小于7 d），爆破后禁止無關(guān)人員入內(nèi)。設(shè)專人每天觀察膠結(jié)體頂板的變化，同時在中段水平沿脈運(yùn)輸巷道頂板，采用單通道聲發(fā)射監(jiān)測+多通道聲發(fā)射監(jiān)測+應(yīng)力監(jiān)測+位移監(jiān)測系統(tǒng)對頂板變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測。

最后利用礦區(qū)成熟的采礦技術(shù)條件，采用YSP-45型鑿巖機(jī)施工孔徑50 mm的上向孔，一次性對頂?shù)字M(jìn)行爆破。為減少沖擊波對膠結(jié)體的影響，增加爆破分段段數(shù)，通過對數(shù)碼雷管的設(shè)置，控制沖擊波在膠結(jié)充填體承壓范圍內(nèi)。

3.3 出 礦

為防止出礦過程中作業(yè)人員靠近試驗采場，在整個出礦階段采用遙控電鏟出礦，將礦石經(jīng)916-42采場溜井倒運(yùn)至-17中段水平，然后提升至地表，進(jìn)入選礦廠。

3.4 采場接頂充填

試驗采場大量出礦結(jié)束后，在留有充填進(jìn)路和濾水口的前提下，封堵試驗采場采空區(qū)其他透口，然后對試驗采場進(jìn)行接頂膠結(jié)充填。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)試驗采場頂?shù)字夭杉夹g(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及礦區(qū)實際情況，可回收金金屬量24 kg、礦石量4 500 t，采礦成本212元/t，掘進(jìn)成本1 000元/m，充填成本120元/m3，注漿成本1 000元/m3，選礦成本150元/t，充填管路成本4萬元，地壓監(jiān)測成本30萬元。經(jīng)計算：產(chǎn)值970.08萬元，采礦成本95.4萬元，采切掘進(jìn)成本6萬元，選礦成本67.5萬元，充填成本25.2萬元，注漿成本80萬元，充填管路成本4萬元，地壓監(jiān)測成本30萬元。因此，試驗采場頂?shù)字夭煽色@得經(jīng)濟(jì)效益661.98萬元。

4 結(jié) 語

此次試驗采場的回收工作歷時周期較長，各項數(shù)據(jù)較為保守，但整個過程成功的安全回采為殘礦回收工作起了一個好的開端。這些殘礦資源的回收工作在延長礦山服務(wù)年限的同時，增加了企業(yè)效益，后續(xù)將在試驗過程中持續(xù)優(yōu)化參數(shù)，在保證安全的前提下，合理有效回收更多礦產(chǎn)資源。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Application of grouting consolidation method in the recovery of residual ore

Shi Yuening1，Wei Cheng1，Gong Jianguo2

（1.Hebei Zhongjin Gold Co.，Ltd.; 2.Hebei Jinchangyu Mining Co.，Ltd.）

Abstract：In response to the issue of resource depletion in an old gold mine，this study proposes 2 recovery schemes to effectively utilize shallow high-grade residual ore resources：one with reserved crown pillars and one without.The reserved crown pillar scheme includes options for 1 m and 0.5 m pillars，while the no reserved pillar scheme involves grouting consolidation with thicknesses of 5 m and 10 m.Based on the results of numerical simulations，the joint support method of partial crown pillar reservation and grouting consolidation of dry backfill materials was selected，withgfB4WIje/UViqbcqnla0fA== a reserved crown pillar thickness of 1 m and grouting consolidation thickness of 5 m.The process flow for residual ore recovery is detailed.By grouting and consolidating the existing loose backfill material in the upper voids of the trial stope，4 500 t ores containing 24 kg gold were successfully recovered，yielding an economic benefit of 6.619 8 million yuan.The success of this trial will continue to guide future residual ore recovery efforts in the enterprise.

Keywords：high-grade;residual ore;loose backfill material;grouting;consolidation method;roof;numerical simulation