石头咀铜铁矿-220m以上难采矿体开采技术研究

王兴旺

（大冶市大红山矿业有限公司，湖北 大冶 435100）

大冶市大红山矿业有限公司石头咀铜铁矿原属湖北省冶金局的国有矿山企业，于1985年建成投产。矿山前期采用露天开采，露天开采范围位于矿区中部，已于1995年停采。露天开采结束后，采矿权人大冶市石头咀铜铁矿采用合作与承包形式转入地下开采，-200m以上承包给几家民企小规模开采,-200m以上由于承包开采单位各自为战，相互争采，井下巷道纵横密布，上、下、左、右相互贯通、击穿、越界开采等，最终因揭露了突水点造成淹井，根据政府要求从2003年6月起停产。2000年8月，大冶市大红山矿业有限公司获得该矿-220m以下采矿权，并于2004年完成一期工程基建取得安全生产许可证后进行开采，2014年大冶市大红山矿业有限公司整合了-220m以上几家民营企业，并取得了-220m以上采矿权平面范围内的矿权。

石头咀铜铁矿-220m以上至今已经开采30多年，露天开采转入地下开采，矿山民采乱采滥挖留下了大量不明的采空区[1]，曾诱发了井下突水、淹井，地面岩溶塌陷，井巷围岩不稳固，冒顶、片帮底鼓等问题，后期开采存在复杂空区、地下水害、地表塌陷等诸多开采难题，开采条件十分恶劣。文章就上述问题进行探讨，以期安全高效开采-220m以上矿体。

1 矿床地质和开采现状

1.1 矿床特征

石头咀铜铁矿床是一接触交代高—中温热液矽卡岩型矿床，矿体主要赋存于石英闪长岩与大理岩接触带之间，矿体的空间分布、形态和产状严格受接触带（伴随有破碎带）和破碎带两种构造控制。以前者为主，后者次之。接触构造以北西方向的接触带控制成矿为主，主矿体均分布在此接触构造线上，全长900m（3线～20线），倾向北东，倾角40°～85°。矿床主要由七个铜铁矿体（铁矿体）和单独的辉钼矿体组成。矿体赋存标高+36m～-784m。

图1 大冶市石头咀矿区矿体水平投影图

1.2 水文地质

石头咀铜铁矿体绝大部分位于当地侵蚀基准面标高13.0m以下，矿床赋存于花岗闪长岩（γδ）与三迭系中统大理岩（MT1-2）构造接触带中。矿体顶板为富水性中等的第四系砂砾石孔隙含水层和三迭系中下统嘉陵江组（MT2j）大理岩溶洞裂隙含水层以及富水性较弱的三迭系下统大冶组（MT1d）大理岩岩溶裂隙含水层，底板为相对隔水的花岗闪长岩体（γδ）及三迭系下统大冶组（MT1d）大理岩体；第四系砂砾石孔隙含水层和三迭系中统嘉陵江组大理岩裂隙岩溶含水层以及三迭系下统大冶组大理岩（MT1-2）岩溶裂隙含水层为矿区主要含水层，是矿坑充水的主要来源。花岗闪长岩、铜铁矿、矽卡岩（γδ、CuFesk）风化裂隙水及构造接触带裂隙水是矿坑充水的重要因素。洪水期大冶湖水有可能漫过湖堤通过岩溶塌陷坑、地下采空区地面塌陷坑和裂隙进入矿坑突水。开采前期矿坑多次发生溶洞突水及淹井事故。大冶石头咀铜铁矿区水文地质条件勘探类型是以大理岩溶洞裂隙水充水为主的中等-复杂类型（II-III）。

1.3 开采现状

1.3.1 -200m以上地面露采开采现状

石头咀铜铁矿早期用露天开采，开采矿区中部自5线～12线间的矿体，露采面积约19.80万m2，最低坑底标高为-44m。

1.3.2 -200m以上地下坑采现状

露天开采结束后，采矿权人采用合作与承包形式转入地下开采，分别承包给民企勤缘、春华、汉华公司小规模开采。原勤缘公司开采5线～9线间-60m～-200m的矿体，-160m以上已经采完；原春华公司开采5～9A线间-60m以上矿体和9线-140m中段的一个单独小矿体（Ⅳ号矿体）；原汉华公司开采5线～9线间-60m～-200m矿体。各家公司累计掘进竖井7条，斜井1条，最深竖井底标高达到-200m。采矿方法基本为浅孔留矿法。开采中段有13个（从-60m～-199m），共形成23个采场，采场面积为91.56m2～2522m2；采场高5.33m～20m。由于承包开采单位的无序开采揭露了突水点造成淹井，从2003年6月起停产至今。

1.3.3 -200m～-220m开采现状

根据长沙有色冶金设计研究院地下开采工程设计，-200m～-220m留作隔离保安矿柱，可供后期开采。现已将该部分于2014年9月划入矿区范围，但至今未进行开采。

1.3.4 -220m以下采区开采现状

2000年8月由石头咀铜铁矿将采矿权转让给大冶市大红山矿业有限公司。2000年11月，大冶市大红山矿业有限公司委托长沙有色冶金设计研究院完成了地下开采工程设计，之后按照设计完成基建并取得安全生产许可证，目前正常开采。

2 开采技术难题分析

（1）地表岩溶塌陷：石头咀铜铁矿早期进行露天开采，形成一个面积约19.80万m2的露天采坑，后期露天转地下开采过程中由于无序开采多次发生岩溶突水，造成淹井事故，突水后，没有采取有效措施，而是盲目抽水疏干，短时间内造成地下水位急剧下降，引发了较大范围、较大规模的地面塌陷。

（2）复杂采空区：-200m以上前期开采承包给几家民营企业，由于无序开采导致井下巷道密布、采空区错综复杂。空区规模大，空区顶板帽落，存在掉块伤人和冲击气浪危害[2]。

（3）矿床突水危害：-220m以上开采过程中地表存在岩溶塌陷区，井下存在大量的采空区，在回采过程中既存在降雨和地表水通过塌陷区灌入井下的危害，同时也存在采空区贯通突水造成的危害。

（4）分区开采相互影响：-220m以上前期由多家民营企业联合开采，-220m以下由大红山矿业有限公司开采，形成两个独立的采区，现大红山矿业公司对矿权进行了整合，-220m以上后期回采过程中既要保证自身的开采安全，同时要兼顾-220m以下的开采安全及资源的充分利用。

3 防治水技术措施

3.1 矿山已采取的防治水措施

针对矿山水文地质条件复杂及开采过程中多次发生井下突水淹井。2003年5月大红山矿业公司委托长沙有色冶金设计研究院对矿区水文地质条件进行综合研究；推荐了帷幕注浆防治水方案。由中南勘查基础工程总公司承担帷幕注浆防治水工程设计、勘查、及帷幕注浆工程施工。帷幕注浆防治水工程2004年6月开工～2006年6月竣工，历时25个月。完成施工钻孔56个，总进尺18975.20m，实际注入浆量76860.113m3。按照中南勘查基础工程总公司提交的《湖北省大冶市大红山矿业有限公司帷幕注浆防治水工程帷幕注浆施工竣工报告》结论：帷幕注浆防治水工程防治水效果显著，主要表现在帷幕墙内外水位差大、（矿坑）排水量减少、地面塌陷稳定。

2007年6月大红山矿业有限公司委托长沙矿山研究院对-200m以上采空区积水编制了《大红山矿业有限公司-200m以上采空区疏排水方案的设计》，从2007年6月18日开始帷幕内疏排水至2009年11月19日，帷幕内-200m以上采空区积水基本疏干，深部采区之上的“水帽”已经摘掉。-200m以上矿段也恢复进行开采。

2017年5月大冶市大红山矿业有限公司委托湖北中南勘查基础工程有限公司编制了《大红山矿有限公司-200m以上开采防治水措施工程加密孔注浆设计》。2017年6月中旬中南勘查基础工程有限公司进场进行-200m以上开采防治水措施工程加密孔注浆施工，至2018年4月2日完成全部野外施工任务。共施工了28个加密孔，累计钻探进尺7097.46m，累计注浆量11325.148m3，钻孔平均单位注浆量1.596m3/m。本次施工见溶洞钻孔13个，钻孔见溶洞率为46.4%，见大小溶洞26个，溶洞累计高度为50.42m，平均岩溶率为0.82%。共进行了212段压水试验，其中注浆前透水率小于5Lu的段次有191段，占总段次的90.1%，说明前期帷幕施工质量较好，大大降低了帷幕的透水性。本次施工加密孔注浆前综合平均透水率为2.108Lu，较前期帷幕三序孔递减44.7%，本次钻孔平均单位注浆量为1.564m3/m，较前期帷幕三序孔递减51.5%，递减明显。说明前期帷幕注浆浆液沿帷幕线方向有效扩散，前后施工钻孔注浆体搭接良好，分序注浆效果明显。根据矿区水文观测及井巷排水量数据分析可知：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涨，特别是靠近帷幕线的观9孔水位上涨了10.3m，上涨明显。此外，本次在CK18-1～CK24-1孔注浆期间，观9孔水位出现了几次明显上涨，又迅速回落的现象，说明该段与观9孔联系紧密，目前观9孔水位仍未恢复到开采前水平，说明此次注浆封堵了部分观9孔与幕内孔的联系通道，但仍有小部分通道未封堵。1月份～3月份勤缘主井-200m以上排水量减少率为17.12%，说明本次注浆施工效果明显，封堵了帷幕线上大部分过水通道。

3.2 矿山后期开采需采取的防治水措施

3.2.1 矿区地表水的防治

（1）回采时应回填露天采坑，对采坑底部裂隙发育地段采取喷浆封灌处理，预防露天采坑汇集强暴雨通过露天采坑底裂隙及塌陷坑渗入井下发生突水。

（2）必须做好岩溶塌陷的监测预警工作，防止发生灾害。对发生的塌陷必须及时规范回填，阻止降雨和地表水灌入地下而造成矿坑突水。

（3）地面防排水利用山坡地形条件自流排水为主，并需修建适当的地面排水工程。沿场地东侧坡下开挖截水沟，沿场地西侧地表崩落范围边界线外修建一条高度0.5m的浆砌片石墙。再在场地南东端部向山坡下方修建一条排水明沟与矿区南北侧的大冶湖相连接。

（4）在露天坑底设置排水系统，并配备水泵抽排露天坑集水。

3.2.2 矿区地下水的防治

矿体位于当地侵蚀基准面以下，矿区属水文地质勘查类型是以大理岩溶洞裂隙水充水为主的中等-复杂类型（IIIII）。

除了在-200m中段竖井车场旁设置永久排水泵站，泵站内设置有防水门，将坑内涌水排出地面外，矿山还需采取以下有效措施：

（1）矿井必须按照相关条例和规范配备探水钻和专门水文地质人员，制定探放水制度，坚持“有疑必探、先探后掘”的原则，在基岩风化裂隙含水层和构造破碎裂隙含水带中掘进施工时，必须先打超前探水钻孔。

（2）加强涌水量及地下水位的动态观测，掌握、研究其变化规律。

（3）如果矿坑涌水量显著增大，在采矿之前应先疏干后采矿；必要时可采用大口径深孔对矿体开采部位超前疏干；或在井下打放水钻孔进行疏干。

4 开采技术措施

由于-220m以上矿体经民采多年，情况复杂，曾诱发一系列的环境地质问题，如井下突水、涌泥、淹井等问题。在大红山一期工程设计时，为了避免上部矿体开采过程中对下部的干扰和影响，-200m～-220m之间的矿体已作为隔离矿柱暂不回采。虽然大红山矿业公司采取了帷幕注浆防治水工程和-200m以上疏干工程，水患问题已基本解决，但是由于帷幕墙在岩石崩落范围内，仍存在一定的安全隐患，而目前矿山-220m中段以下在正常生产中，为确保矿山下部的安全生产，后期开采对-220m标高上、下矿体实行分区开采，对-220m以上矿体采用独立的开拓系统，-200m～-220m之间的矿体仍作为隔离保安矿柱处理。

4.1 -220m以上采区采矿方法

根据不同矿段，不同地质条件和影响因素，可采用多种采矿方法或多种采矿方法的组合，即组合采矿法[3，4]。组合采矿方法不但利用了多种采矿方法的优点，而且避免了它们的缺点，使方案更加高效、经济、安全。根据矿体埋藏深、矿体产状和开采技术条件，并考虑到矿区地表平坦，建构筑物密集，不允许陷落，崩落采矿法不合适，可供选择的采矿方法为浅孔留矿嗣后充填采矿法和分段空场采矿嗣后充填法，同时采用防水帷幕加5m厚护壁开采方案，确保采矿安全。

对于矿体水平厚度大于15m的矿段，采用垂直走向布置的分段空场嗣后充填采矿法；而对矿体水平厚度5m～15m、平均厚度约10m左右的矿段，采用沿走向布置的分段空场嗣后充填采矿法；对矿体水平厚度小于5m的矿段，采用浅孔留矿嗣后充填采矿法。

4.2 采空区的治理

（1）-220m以上前期开采过程中井下巷道密布、采空区错综复杂，重新开采前应对老采空区进行充填处理，以保证安全生产。老采空区采用低胶固料含量的尾砂胶结充填，砂浆灰砂比1：20。

（2）后期开采矿房回采结束后，采空区用尾砂胶结充填，砂浆灰砂比1：10，同时可充入部分废石。为便于间柱回采及顶底柱的回收，底部结构及以上4m和空区顶部4m左右采用胶固料含量较高的尾砂胶结充填，进行浇底和接顶，砂浆灰砂比1：4。

4.3 矿柱的回采

（1）-200m以上矿柱待采场嗣后充填达到设计强度后，将充填体作为人工矿柱，可采用嗣后充填法对原有矿柱进行回采，矿柱的回采工艺与矿房的回采工艺相同，矿柱回采结束后，及时采用低胶固料含量的尾砂进行胶结充填砂浆灰砂比1：20。

（2）-200m～-220m之间的保安隔离矿柱在矿山尾期进行开采，采用垂直走向布置的分段空场嗣后充填法回采，在对上下采区全部采空区胶结充填后，胶结体固结以后进回采。开采利用-220m以下开拓系统的-220m中段开拓巷道进行，回风通过通风人行天井与-220m以上采区-200m中段相通，利用-220m以上采区勤缘回风井排出污风。

5 结论

石头咀铜铁矿开采技术条件复杂，-220m以上发生多次地表塌陷和突水淹井事故，使得该矿区的开采难度加大。既要保护地表不致塌陷，采场顶板回采安全[5]，还要保证-220m以下回采不受影响。在此环境条件下，矿山按照本文提出的技术措施实施，保证了-220m以上矿体高效安全回采。这些措施也可在其它类似条件的矿山推广应用。