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1、专论与综述探索无公害采矿模式 提高矿产资源开发利用水平亓俊峰 (莱芜矿业有限公司)摘 要:概述了莱芜矿业有限公司治水采矿的历程、 矿床水文地质条件、 无公害采矿模式的关键技术、 辅 助技术、 应用状况、 预期开采效果,对应用后的企业效益及社会效益进行了评价。关键词:无公害 钻探注浆 胶结充填 采矿0 前言十几年来,莱芜矿业有限公司以“ 探索无公害采矿模式,为钢铁发展贡献精品 ” 为宗旨,积极组织“ 井下注浆堵水不疏干采矿 ” 和“ 全尾砂胶结充填回采 ” 两项技术攻关,以国内外独创的模式,成功探索了无公害采矿新技术;综合利用矿山资源,在循环发展中逐步成为资源节约、 环境友好型企业,实现了良好的
2、经济效益和社会效益。通过井下注浆堵水,使水环境保持固有平衡,水层上部的地质结构保持稳定,避免了疏干塌陷。采用充填技术,利用生产废石和选矿尾砂对采空区实施胶结充填,恢复矿床原有的力学平衡,提高了矿产资源回采率,避免了采空区塌陷。矿床采到最后,地表没有固体废弃物,井下不遗留可能引发地质灾害的采空区。1 原有开采模式及显现的后果莱矿所拥有的矿床系矽卡岩磁铁矿床,分布于莱芜市中心7 km范围内。1958年建设时,首先开采的是马庄铁矿,按照传统的开采模式,进行矿床疏干,采矿方法以崩落法为主,与国内同类矿山一样,随着矿山的开采,连年的疏干放水和废渣排放,对生态环境一度造成较大破坏。1)大量的地下水因开采工
3、艺需要被不断排出,造成一定范围内地下水位大幅度下降,村民水井干涸,生态环境恶化,同时排水消耗大量电能,加大了作者简介:亓俊峰(1958 - ) ,男, 1982年毕业于山东冶金工业学院,现任莱芜矿业有限公司董事长,高级工程师,矿山工程学术委员会副主任委员。长期从事矿山生产管理及技术研究。生产成本。2)矿石开采产生的废石和选矿尾矿随生产的 持续不断增加,占用了大量土地,污染周边环境,同 时增加了生产成本。3)矿石回采率平均60% ,造成大量矿石永久性 损失。4)随着开采深度的增加,上覆岩层不能随之崩 落,形成地表有塌陷区,地下有采空区,留下了突发 恶性地质灾害的隐患。2 矿体赋存条件2. 1 业
4、庄铁矿1)区域位置与构造:矿床处于莱芜盆地中东 部,区内地势平坦,有汶河穿过,为汶河的二级阶地。汶河水通过“ 天窗 ” 直接渗漏地下,成为地下水的重 要补给源。矿区地层自上而下有第四系冲-洪积 层,第三系砂质粘土岩,奥陶系灰岩。2)矿床地质:业庄铁矿属小型隐伏接触交代矽 卡岩磁铁矿床。矿体走向NNE,倾向SE,倾角4045 。走向长350 m,向下延深250 m,平均厚度38m。累计探明矿产资源储量514. 2万t,矿石平均地 质品位TFe 54. 54%。3)水文地质:矿床下盘为闪长岩,一般不透水, 可视为隔水层;上盘灰岩是矿床主要含水层,岩溶裂隙发 育,导 水 性 及 富 水 性 强,平
5、均 渗 透 系 数29. 5 m /d,单位涌水量14. 58 L /sm;第三系砂质 粘土岩厚度约80100 m,一般为良好的隔水层,但 局部缺失形成天窗;第四系冲 洪积层是汶河的二 级阶地,渗透系数为150300 m /d,单位涌水量510 L /sm,含水丰富。补充水源一是孟家庄、 泉河、1莱钢科技 2008年12月汶河三个大的天窗,使第四系孔隙水及汶河等地表 水系,通过垂向补给方式渗漏到矿床含水层。总渗漏量为7. 1万m3/d;二是矿床西南部大面积灰岩裸 露区,由于接受大气降雨的补给,成为矿床西南部侧 向灰岩地下水的主要来源。当矿床排水达到最大 时,西南方向的补给量为78万m3/d。2
6、. 2 谷家台铁矿1)区域位置与构造:矿床处于莱芜盆地内,汶 河由东向西贯穿全区;另有嘶马河与方下河自北向 南经矿区汇入汶河。区域构造以断裂为主,褶皱次 之。地表水通过断裂“ 天窗 ” 渗漏,成为地下水的重 要补给源。矿床范围内大都被第四系和第三系所覆盖,矿体上盘为奥陶系中统马家沟组四、 五、 六段灰 岩、 下盘为燕山期闪长岩。2)矿床地质:谷家台矿床属矽卡岩型磁铁矿 床,储量7 902万t,平均地质品位TFe 47. 98%。矿 体埋深为56962 m,平均厚度15 m,倾角一般为3040,最大64,局部较缓。矿体围岩受接触变 质作用,围岩蚀变严重。3)水文地质:闪长岩是矿体的隔水底板,含水
7、 性微弱,在矿体范围内分布稳定,仅在表面风化带 和构造裂隙中含裂隙水;第三系以砂岩和粉砂岩为主,含水性极弱,可视为相对隔水层;中奥陶系灰 岩与第四系砂砾石层是矿床主要含水层。其中,第 四系砂砾石层接收大气降雨和地表水补给,透水性 强;中奥陶系灰岩岩溶裂隙发育,富水性强,水循 环交替条件好,地下水连通性强。补充水源一是赵庄、 抽水主孔、 牛王泉、 杜官庄等四个“ 天窗 ”,总渗 漏面积为0. 52 km2,使地表水和孔隙水通过断层, 以垂向补给方式渗漏到矿床含水层,总渗漏量可达3万m3/d以上。第二个补给源主要来自西南部边 界,补给范围较大;其次在矿床地下水位大幅度下降时,西北边界内外水位差加大
8、,地下水将通过这一边 界补给矿床。3 治水历程和原有技术的局限性莱矿在前期建设中,对业庄铁矿和谷家台铁矿复杂的水文地质条件,按照疏干采矿模式,先后采用 围堵天窗疏干放水、 堵截填排综合防治等方法堵水, 均未取得预期效果,更不能实现无公害采矿目标。3. 1 治水历程 业庄 铁 矿1965年 开 始 建 设,设 计 能 力15万t/a,至1968年矿山建设中发现属大水矿山,经补勘,确定正常涌水量12万m3/d,最大涌水量18万m3/d。业庄矿床在疏干过程中,天窗部位造成了地面塌陷,同时使工农业供水水源遭到严重破 坏。为了减少矿坑涌水量, 1976年9月至1977年2 月,选择与矿床连通性最好的泉河
9、天窗,采用了“ 磨 盘钻机反循铣槽钻进构筑混凝土防渗墙 ” 方法,共 施工了4个规格为9 m6 m0. 55 m的墙体,但因效果很不理想而终止天窗围堵止水工程。1970年,谷家台铁矿随莱钢的兴建而建设,确 定- 150 m水平正常涌水量8万m3/d,最大涌水量12万m3/d。矿体近东西走向,嘶马河从中部、 方下 河从西部穿过矿区。为了保证矿山的开采, 1974年在上游实施了嘶马河拦河改造工程, 1977年修建了 鹁鸽楼水库作为矿床疏干后的工农业还水工程。在 谷家台矿床堵水中,提出“ 以堵为主,堵截填排相结 合 ” 的治水方案。它以注浆封堵西南过水断面,嘶 马河改道截浅,地表填堵塌陷坑,预期实现
10、矿坑涌水减少,将剩余之水疏干排出。1972年至1974年进 行了水文地质勘探和双主孔抽水试验, 1974年底提 交堵水勘探报告。1985年省冶金地质水文勘察公 司进行了前期勘察, 1987年提交勘察报告。两报告 认定地表帷幕堵水断面灰岩岩溶裂隙的发育、 充填和连通性不均匀,线长、 面大、 孔深,经济不合理、 技 术难度大,方案搁浅未能实施。1986年对业庄矿床实施了“ 护顶矿隔水、 注浆 堵漏 ” 的防治水方法。利用矿体的不透水性,在矿 体上盘预留710 m厚护顶矿阻隔大理岩裂隙岩溶水进入采场,对矿坑可控制的漏水点实施注浆封堵; 采用进路采矿法回采矿体,空场嗣后充填防止护顶 矿遭受破坏而使灰岩
11、水涌入矿坑。但遗留的护顶矿 造成资源损失,随着采矿范围的扩大,矿坑涌水量以 每年1. 042的系数递增,开采成本和开采难度剧增。3. 2 原有技术的局限性1)疏干采矿的局限性:先疏干后采矿的传统技 术,只适合水文地质条件简单的地下矿山,在不剧烈 破坏水文地质环境的前提下,可以选择疏干采矿模 式。业庄铁矿与谷家台铁矿疏干放水试验证明:大水矿山采用该技术,必然破坏水文地质环境,导致地 下水位大幅下降,直到造成地面塌陷或裂缝,更不能 实现无公害采矿的目标。2)围堵天窗治水的局限性:围堵天窗只能相对 减少周边第四系水对天窗的补给,治标不治本,同时 破坏农田比较严重。由于天窗形成的不规则性,天2亓俊峰:
12、探索无公害采矿模式 提高矿产资源开发利用水平 第6期(总第138期)窗面积的大小必须进行详细勘察,勘探费用大,矿山 投入高,不适合大水矿山的开采。3)堵截填排综合治水的局限性:谷家台矿床地 下水静储量大、 岩溶裂隙发育、 断裂构造发育、 地下 水连通性好、 地质环境脆弱,疏干排水消耗地下水的 静储量,必然引发地面沉降、 裂缝、 塌陷等地质灾害。 以帷幕注浆封堵过水断面,但断层仍然是透水的,断层两侧仍有明显的水力联系,在地下水位高差增大 的情况下,过水能力就会由弱变强,坑道突水的可能 性仍然较大,不适合大水矿山开采。4)护顶矿隔水局部注浆堵漏的局限性:虽然矿 体具有一定的隔水性,但矿体内的导水裂
13、隙未进行治理,采准工程或采矿过程中必然揭露矿体内的导 水裂隙,矿坑的涌水量会逐渐增加,加大了采矿难 度。采空区充填后留下的护顶矿,造成大量资源损 失。该技术对地下水的预控性差,矿体发育的导水 构造一旦揭露易引发突水事故,不适合大水矿山开采。4 无公害采矿模式的探索业庄矿床及谷家台矿床均因疏干时地表塌陷, 影响工农业用水及周围居民安全而无法实施疏干法治水及崩落法采矿。1979年初,在国民经济调整 中,业庄铁矿和谷家台铁矿缓建并排水维护矿井。 进行无公害采矿模式的探索开始于1985年,在 国家固定资产投资政策改革停拨业庄铁矿维护费, 指令呈报淹井的情况下,提出了留护顶矿皮隔水房柱法开采,进而转变为
14、胶结充填回采的方案,经论证 获准实施。1990年提出了业庄铁矿充填采矿工艺 设计, 1992年12月开始井下充填。1994年业庄铁 矿实施单孔注浆补漏及局部帷幕注浆。在业庄铁矿 留护顶矿隔水采矿试验的基础上, 1991年提出了在谷家台矿东区进行坑内注浆堵水、 不疏干开采的试 采方案。经批准于1992年9月开始以“ 不疏干、 不 塌陷、 不改河、 不还水、 不搬迁 ” 为主要内容的治水 采矿实践, 1998年通过了专家鉴定,逐步发展为全 方位、 多角度检查注浆,可靠性进一步提高,形成了具有自身特色的无公害采矿模式。5 无公害采矿模式的技术路线1)在井下通过钻孔对矿体上盘的透水岩体裂 隙实施注浆补
15、漏,使之形成不透水的保护壳,实现不 疏干开采;2)开发将全部尾矿作为充填骨料的廉价胶凝 材料,实现低成本全尾胶结充填;3)将开采的废石全部作为骨料充入井下;4)进行尾矿的资源化开发,使多余的尾矿得到 充分利用;5)进行矿床充填开采条件下的矿岩变化规律 研究,保证注浆补漏层不因采动而断裂透水,保证采矿安全。6 无公害采矿的关键技术莱矿研究探索的无公害采矿关键技术是“ 坑内 近矿体顶板灰岩注浆堵水 ” 。它是对矿体上盘大理岩内的构造、 裂隙及含水情况进行钻探,钻探范围不 小于40 m,最终在近矿体形成3040 m厚的隔水 帷幕。实施二步钻探注浆及检查补注。1)自脉外沿脉掘出穿脉钻探硐室后,从穿脉方
16、 向按照1010 m网度,沿中线方向布置仰角3 钻孔,揭露灰岩3040 m厚。探明区域水文地质条件 后,根据各钻孔的水力联系进行一步注浆。厚大矿 体一步钻探及注浆需分段进行,边角部位需施工斜 向钻孔。2)一步注浆结束后,在进行浅孔探水的前提下,将穿脉巷道掘至上盘一步注浆帷幕内,施工钻探 硐室,沿矿体走向与岩体倾斜面布置扇形注浆钻孔, 对一步注浆质量及与一步钻孔相同方向的裂隙进行 检查补注(二步注浆)。3)二步注浆结束后,对注浆帷幕作进一步的查缺补漏注浆,尤其是构造、 裂隙发育及富水区域的检 查,确保帷幕达到隔水的目的。7 无公害采矿的辅助技术实现无公害采矿的辅助技术是“ 全尾胶结充填 ”,其核心在于研制水下专用胶凝材料。1)全尾胶结充填工艺:制备充填料浆 输送井 下采场 构筑充填体 控制采场地压 支撑并阻止 围岩错动 避免隔水帷幕破坏及地表塌陷。2)胶凝材料:针对井下特殊的水文环境,公司自主研制了水下专用胶固粉,以其作为尾矿
