王興旺

（大冶市大紅山礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435100）

大冶市大紅山礦業(yè)有限公司石頭咀銅鐵礦原屬湖北省冶金局的國有礦山企業(yè)，于1985年建成投產(chǎn)。礦山前期采用露天開采，露天開采范圍位于礦區(qū)中部，已于1995年停采。露天開采結束后，采礦權人大冶市石頭咀銅鐵礦采用合作與承包形式轉(zhuǎn)入地下開采，-200m以上承包給幾家民企小規(guī)模開采,-200m以上由于承包開采單位各自為戰(zhàn)，相互爭采，井下巷道縱橫密布，上、下、左、右相互貫通、擊穿、越界開采等，最終因揭露了突水點造成淹井，根據(jù)政府要求從2003年6月起停產(chǎn)。2000年8月，大冶市大紅山礦業(yè)有限公司獲得該礦-220m以下采礦權，并于2004年完成一期工程基建取得安全生產(chǎn)許可證后進行開采，2014年大冶市大紅山礦業(yè)有限公司整合了-220m以上幾家民營企業(yè)，并取得了-220m以上采礦權平面范圍內(nèi)的礦權。

石頭咀銅鐵礦-220m以上至今已經(jīng)開采30多年，露天開采轉(zhuǎn)入地下開采，礦山民采亂采濫挖留下了大量不明的采空區(qū)[1]，曾誘發(fā)了井下突水、淹井，地面巖溶塌陷，井巷圍巖不穩(wěn)固，冒頂、片幫底鼓等問題，后期開采存在復雜空區(qū)、地下水害、地表塌陷等諸多開采難題，開采條件十分惡劣。文章就上述問題進行探討，以期安全高效開采-220m以上礦體。

1 礦床地質(zhì)和開采現(xiàn)狀

1.1 礦床特征

石頭咀銅鐵礦床是一接觸交代高—中溫熱液矽卡巖型礦床，礦體主要賦存于石英閃長巖與大理巖接觸帶之間，礦體的空間分布、形態(tài)和產(chǎn)狀嚴格受接觸帶（伴隨有破碎帶）和破碎帶兩種構造控制。以前者為主，后者次之。接觸構造以北西方向的接觸帶控制成礦為主，主礦體均分布在此接觸構造線上，全長900m（3線～20線），傾向北東，傾角40°～85°。礦床主要由七個銅鐵礦體（鐵礦體）和單獨的輝鉬礦體組成。礦體賦存標高+36m～-784m。

圖1 大冶市石頭咀礦區(qū)礦體水平投影圖

1.2 水文地質(zhì)

石頭咀銅鐵礦體絕大部分位于當?shù)厍治g基準面標高13.0m以下，礦床賦存于花崗閃長巖（γδ）與三迭系中統(tǒng)大理巖（MT1-2）構造接觸帶中。礦體頂板為富水性中等的第四系砂礫石孔隙含水層和三迭系中下統(tǒng)嘉陵江組（MT2j）大理巖溶洞裂隙含水層以及富水性較弱的三迭系下統(tǒng)大冶組（MT1d）大理巖巖溶裂隙含水層，底板為相對隔水的花崗閃長巖體（γδ）及三迭系下統(tǒng)大冶組（MT1d）大理巖體；第四系砂礫石孔隙含水層和三迭系中統(tǒng)嘉陵江組大理巖裂隙巖溶含水層以及三迭系下統(tǒng)大冶組大理巖（MT1-2）巖溶裂隙含水層為礦區(qū)主要含水層，是礦坑充水的主要來源?；◢忛W長巖、銅鐵礦、矽卡巖（γδ、CuFesk）風化裂隙水及構造接觸帶裂隙水是礦坑充水的重要因素。洪水期大冶湖水有可能漫過湖堤通過巖溶塌陷坑、地下采空區(qū)地面塌陷坑和裂隙進入礦坑突水。開采前期礦坑多次發(fā)生溶洞突水及淹井事故。大冶石頭咀銅鐵礦區(qū)水文地質(zhì)條件勘探類型是以大理巖溶洞裂隙水充水為主的中等-復雜類型（II-III）。

1.3 開采現(xiàn)狀

1.3.1 -200m以上地面露采開采現(xiàn)狀

石頭咀銅鐵礦早期用露天開采，開采礦區(qū)中部自5線～12線間的礦體，露采面積約19.80萬m2，最低坑底標高為-44m。

1.3.2 -200m以上地下坑采現(xiàn)狀

露天開采結束后，采礦權人采用合作與承包形式轉(zhuǎn)入地下開采，分別承包給民企勤緣、春華、漢華公司小規(guī)模開采。原勤緣公司開采5線～9線間-60m～-200m的礦體，-160m以上已經(jīng)采完；原春華公司開采5～9A線間-60m以上礦體和9線-140m中段的一個單獨小礦體（Ⅳ號礦體）；原漢華公司開采5線～9線間-60m～-200m礦體。各家公司累計掘進豎井7條，斜井1條，最深豎井底標高達到-200m。采礦方法基本為淺孔留礦法。開采中段有13個（從-60m～-199m），共形成23個采場，采場面積為91.56m2～2522m2；采場高5.33m～20m。由于承包開采單位的無序開采揭露了突水點造成淹井，從2003年6月起停產(chǎn)至今。

1.3.3 -200m～-220m開采現(xiàn)狀

根據(jù)長沙有色冶金設計研究院地下開采工程設計，-200m～-220m留作隔離保安礦柱，可供后期開采?，F(xiàn)已將該部分于2014年9月劃入礦區(qū)范圍，但至今未進行開采。

1.3.4 -220m以下采區(qū)開采現(xiàn)狀

2000年8月由石頭咀銅鐵礦將采礦權轉(zhuǎn)讓給大冶市大紅山礦業(yè)有限公司。2000年11月，大冶市大紅山礦業(yè)有限公司委托長沙有色冶金設計研究院完成了地下開采工程設計，之后按照設計完成基建并取得安全生產(chǎn)許可證，目前正常開采。

2 開采技術難題分析

（1）地表巖溶塌陷：石頭咀銅鐵礦早期進行露天開采，形成一個面積約19.80萬m2的露天采坑，后期露天轉(zhuǎn)地下開采過程中由于無序開采多次發(fā)生巖溶突水，造成淹井事故，突水后，沒有采取有效措施，而是盲目抽水疏干，短時間內(nèi)造成地下水位急劇下降，引發(fā)了較大范圍、較大規(guī)模的地面塌陷。

（2）復雜采空區(qū)：-200m以上前期開采承包給幾家民營企業(yè)，由于無序開采導致井下巷道密布、采空區(qū)錯綜復雜?？諈^(qū)規(guī)模大，空區(qū)頂板帽落，存在掉塊傷人和沖擊氣浪危害[2]。

（3）礦床突水危害：-220m以上開采過程中地表存在巖溶塌陷區(qū)，井下存在大量的采空區(qū)，在回采過程中既存在降雨和地表水通過塌陷區(qū)灌入井下的危害，同時也存在采空區(qū)貫通突水造成的危害。

（4）分區(qū)開采相互影響：-220m以上前期由多家民營企業(yè)聯(lián)合開采，-220m以下由大紅山礦業(yè)有限公司開采，形成兩個獨立的采區(qū)，現(xiàn)大紅山礦業(yè)公司對礦權進行了整合，-220m以上后期回采過程中既要保證自身的開采安全，同時要兼顧-220m以下的開采安全及資源的充分利用。

3 防治水技術措施

3.1 礦山已采取的防治水措施

針對礦山水文地質(zhì)條件復雜及開采過程中多次發(fā)生井下突水淹井。2003年5月大紅山礦業(yè)公司委托長沙有色冶金設計研究院對礦區(qū)水文地質(zhì)條件進行綜合研究；推薦了帷幕注漿防治水方案。由中南勘查基礎工程總公司承擔帷幕注漿防治水工程設計、勘查、及帷幕注漿工程施工。帷幕注漿防治水工程2004年6月開工～2006年6月竣工，歷時25個月。完成施工鉆孔56個，總進尺18975.20m，實際注入漿量76860.113m3。按照中南勘查基礎工程總公司提交的《湖北省大冶市大紅山礦業(yè)有限公司帷幕注漿防治水工程帷幕注漿施工竣工報告》結論：帷幕注漿防治水工程防治水效果顯著，主要表現(xiàn)在帷幕墻內(nèi)外水位差大、（礦坑）排水量減少、地面塌陷穩(wěn)定。

2007年6月大紅山礦業(yè)有限公司委托長沙礦山研究院對-200m以上采空區(qū)積水編制了《大紅山礦業(yè)有限公司-200m以上采空區(qū)疏排水方案的設計》，從2007年6月18日開始帷幕內(nèi)疏排水至2009年11月19日，帷幕內(nèi)-200m以上采空區(qū)積水基本疏干，深部采區(qū)之上的“水帽”已經(jīng)摘掉。-200m以上礦段也恢復進行開采。

2017年5月大冶市大紅山礦業(yè)有限公司委托湖北中南勘查基礎工程有限公司編制了《大紅山礦有限公司-200m以上開采防治水措施工程加密孔注漿設計》。2017年6月中旬中南勘查基礎工程有限公司進場進行-200m以上開采防治水措施工程加密孔注漿施工，至2018年4月2日完成全部野外施工任務。共施工了28個加密孔，累計鉆探進尺7097.46m，累計注漿量11325.148m3，鉆孔平均單位注漿量1.596m3/m。本次施工見溶洞鉆孔13個，鉆孔見溶洞率為46.4%，見大小溶洞26個，溶洞累計高度為50.42m，平均巖溶率為0.82%。共進行了212段壓水試驗，其中注漿前透水率小于5Lu的段次有191段，占總段次的90.1%，說明前期帷幕施工質(zhì)量較好，大大降低了帷幕的透水性。本次施工加密孔注漿前綜合平均透水率為2.108Lu，較前期帷幕三序孔遞減44.7%，本次鉆孔平均單位注漿量為1.564m3/m，較前期帷幕三序孔遞減51.5%，遞減明顯。說明前期帷幕注漿漿液沿帷幕線方向有效擴散，前后施工鉆孔注漿體搭接良好，分序注漿效果明顯。根據(jù)礦區(qū)水文觀測及井巷排水量數(shù)據(jù)分析可知：本次加密孔施工前后，同期3月份帷幕外水位均有了一定的上漲，特別是靠近帷幕線的觀9孔水位上漲了10.3m，上漲明顯。此外，本次在CK18-1～CK24-1孔注漿期間，觀9孔水位出現(xiàn)了幾次明顯上漲，又迅速回落的現(xiàn)象，說明該段與觀9孔聯(lián)系緊密，目前觀9孔水位仍未恢復到開采前水平，說明此次注漿封堵了部分觀9孔與幕內(nèi)孔的聯(lián)系通道，但仍有小部分通道未封堵。1月份～3月份勤緣主井-200m以上排水量減少率為17.12%，說明本次注漿施工效果明顯，封堵了帷幕線上大部分過水通道。

3.2 礦山后期開采需采取的防治水措施

3.2.1 礦區(qū)地表水的防治

（1）回采時應回填露天采坑，對采坑底部裂隙發(fā)育地段采取噴漿封灌處理，預防露天采坑匯集強暴雨通過露天采坑底裂隙及塌陷坑滲入井下發(fā)生突水。

（2）必須做好巖溶塌陷的監(jiān)測預警工作，防止發(fā)生災害。對發(fā)生的塌陷必須及時規(guī)范回填，阻止降雨和地表水灌入地下而造成礦坑突水。

（3）地面防排水利用山坡地形條件自流排水為主，并需修建適當?shù)牡孛媾潘こ?。沿場地東側(cè)坡下開挖截水溝，沿場地西側(cè)地表崩落范圍邊界線外修建一條高度0.5m的漿砌片石墻。再在場地南東端部向山坡下方修建一條排水明溝與礦區(qū)南北側(cè)的大冶湖相連接。

（4）在露天坑底設置排水系統(tǒng)，并配備水泵抽排露天坑集水。

3.2.2 礦區(qū)地下水的防治

礦體位于當?shù)厍治g基準面以下，礦區(qū)屬水文地質(zhì)勘查類型是以大理巖溶洞裂隙水充水為主的中等-復雜類型（IIIII）。

除了在-200m中段豎井車場旁設置永久排水泵站，泵站內(nèi)設置有防水門，將坑內(nèi)涌水排出地面外，礦山還需采取以下有效措施：

（1）礦井必須按照相關條例和規(guī)范配備探水鉆和專門水文地質(zhì)人員，制定探放水制度，堅持“有疑必探、先探后掘”的原則，在基巖風化裂隙含水層和構造破碎裂隙含水帶中掘進施工時，必須先打超前探水鉆孔。

（2）加強涌水量及地下水位的動態(tài)觀測，掌握、研究其變化規(guī)律。

（3）如果礦坑涌水量顯著增大，在采礦之前應先疏干后采礦；必要時可采用大口徑深孔對礦體開采部位超前疏干；或在井下打放水鉆孔進行疏干。

4 開采技術措施

由于-220m以上礦體經(jīng)民采多年，情況復雜，曾誘發(fā)一系列的環(huán)境地質(zhì)問題，如井下突水、涌泥、淹井等問題。在大紅山一期工程設計時，為了避免上部礦體開采過程中對下部的干擾和影響，-200m～-220m之間的礦體已作為隔離礦柱暫不回采。雖然大紅山礦業(yè)公司采取了帷幕注漿防治水工程和-200m以上疏干工程，水患問題已基本解決，但是由于帷幕墻在巖石崩落范圍內(nèi)，仍存在一定的安全隱患，而目前礦山-220m中段以下在正常生產(chǎn)中，為確保礦山下部的安全生產(chǎn)，后期開采對-220m標高上、下礦體實行分區(qū)開采，對-220m以上礦體采用獨立的開拓系統(tǒng)，-200m～-220m之間的礦體仍作為隔離保安礦柱處理。

4.1 -220m以上采區(qū)采礦方法

根據(jù)不同礦段，不同地質(zhì)條件和影響因素，可采用多種采礦方法或多種采礦方法的組合，即組合采礦法[3，4]。組合采礦方法不但利用了多種采礦方法的優(yōu)點，而且避免了它們的缺點，使方案更加高效、經(jīng)濟、安全。根據(jù)礦體埋藏深、礦體產(chǎn)狀和開采技術條件，并考慮到礦區(qū)地表平坦，建構筑物密集，不允許陷落，崩落采礦法不合適，可供選擇的采礦方法為淺孔留礦嗣后充填采礦法和分段空場采礦嗣后充填法，同時采用防水帷幕加5m厚護壁開采方案，確保采礦安全。

對于礦體水平厚度大于15m的礦段，采用垂直走向布置的分段空場嗣后充填采礦法；而對礦體水平厚度5m～15m、平均厚度約10m左右的礦段，采用沿走向布置的分段空場嗣后充填采礦法；對礦體水平厚度小于5m的礦段，采用淺孔留礦嗣后充填采礦法。

4.2 采空區(qū)的治理

（1）-220m以上前期開采過程中井下巷道密布、采空區(qū)錯綜復雜，重新開采前應對老采空區(qū)進行充填處理，以保證安全生產(chǎn)。老采空區(qū)采用低膠固料含量的尾砂膠結充填，砂漿灰砂比1：20。

（2）后期開采礦房回采結束后，采空區(qū)用尾砂膠結充填，砂漿灰砂比1：10，同時可充入部分廢石。為便于間柱回采及頂?shù)字幕厥?，底部結構及以上4m和空區(qū)頂部4m左右采用膠固料含量較高的尾砂膠結充填，進行澆底和接頂，砂漿灰砂比1：4。

4.3 礦柱的回采

（1）-200m以上礦柱待采場嗣后充填達到設計強度后，將充填體作為人工礦柱，可采用嗣后充填法對原有礦柱進行回采，礦柱的回采工藝與礦房的回采工藝相同，礦柱回采結束后，及時采用低膠固料含量的尾砂進行膠結充填砂漿灰砂比1：20。

（2）-200m～-220m之間的保安隔離礦柱在礦山尾期進行開采，采用垂直走向布置的分段空場嗣后充填法回采，在對上下采區(qū)全部采空區(qū)膠結充填后，膠結體固結以后進回采。開采利用-220m以下開拓系統(tǒng)的-220m中段開拓巷道進行，回風通過通風人行天井與-220m以上采區(qū)-200m中段相通，利用-220m以上采區(qū)勤緣回風井排出污風。

5 結論

石頭咀銅鐵礦開采技術條件復雜，-220m以上發(fā)生多次地表塌陷和突水淹井事故，使得該礦區(qū)的開采難度加大。既要保護地表不致塌陷，采場頂板回采安全[5]，還要保證-220m以下回采不受影響。在此環(huán)境條件下，礦山按照本文提出的技術措施實施，保證了-220m以上礦體高效安全回采。這些措施也可在其它類似條件的礦山推廣應用。