散体注浆下矿房低贫化回采技术应用研究

杨八九，侯克鹏，王建贵，王永高

(1.云南亚融矿业科技有限公司，昆明 650093；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；3.云南锡业股份有限公司，云南 个旧 661000)

随着经济建设的高速发展和对外开放需要，各种地下工程得到广泛应用，良好地基条件越来越少，一些建筑和工程不得不坐落在不良场地上，工程中所遇到的软弱岩土加固补强和地下水灾害防治，已成为岩土工程师迫切需要解决的问题，越来越引起学术界和工程界的关注[1-2]。在众多工程措施中，注浆技术的出现和广泛推广应用[3-4]，为该领域问题的解决开辟了新的思路，提出了新的方法，使“散体变块体”的梦想已不再是神话，岩土工程面貌由此而发生了全新的改变，当工程稳定性达不到要求时，都可以采用注浆方法进行加固。井下松散体通过注浆加固形成人工矿柱或者提高废石充填体的强度[5-6]，对回采矿柱、减少贫化、充分回收矿石资源有着重要的作用。

云锡老厂锡矿13-2-3#矿体探获矿体储量：(C+D级)矿石量200.182万t，其中：锡铜矿石量194. 541万t，铜品位2.215%，铜金属43 100 t；锡品位0.343%，锡金属6 663 t，铅硫化矿(D级)矿石量：5.641万t，铅品位4.28%，铅金属2 414 t，潜在价值巨大。13-2-3#矿体开采时常有废石混入，贫化严重，且大部分矿石无法正常出矿。基于上述情况，提出采用注浆的方法对矿房两侧部分松散体进行加固，减少回采矿房过程中废石的混入。为此，通过大量理论计算分析，结合现场实际开展了工业试验，减少了废石混入，有效降低了矿石贫化。

1 工程概况

本次试验块段位于云锡老厂锡矿13-2-3#矿体中盘区5#矿房，该矿房矿石类型为硫化矿，上盘为大理岩，下盘为花岗岩和变辉绿岩，矿房长37 m，宽12 m，平均厚度13.5 m，地质矿量20 396 t，锡品位0.332%，锡金属65.588 t；铜品位3.164%，铜金属644.475 t。由于中5#矿房南部4#矿房和北部6#矿房在回采结束后进行了废石充填，所以在中5#矿房南北两侧形成了较大规模的松散区域，如不采取处置措施进行回采，势必大大增加贫化。为了减少废石混入，降低贫化，研究提出对松散体进行注浆加固，在中5#矿房南北两侧各形成一个人工矿柱隔离松散废石，为后续工作提供良好的工作环境和空间。松散体与中5#矿房示意图见图1。

2 加固方案确定

方案为对矿房两侧北部和南部空场嗣后废石充填的碎石松散体进行注浆加固。为此，需要对注浆范围、加固后注浆体自身的稳定性、注浆站与松散体的位置、注浆布孔形式、封堵措施、材料、压力等进行确定。

2.1 注浆范围确定及加固体稳定性验算

对图1所示的碎石松散体，注浆加固的主要目的是对中5#矿房南北两侧的松散体进行注浆胶结，形成一个稳定的隔离体，在后续采矿过程中，尽量减少相邻空区4#、6#矿房内松散岩体进入采场。该加固方案的实施，一是可以防止矿石回采过程中废石混入，降低贫化；二是通过注浆形成的人工矿柱能有效抑制碎石松散体的继续移动，增加开采过程的安全性。对松散体进行注浆固结形成的人工矿柱，主要目的在于隔离废石，强度要求不是太高，能保证5#矿房采矿过程中整体不倒即可。因此，该矿柱的力学功能类似于重力式挡土墙，可按挡土墙的相关理论和方法进行分析和计算。根据规范，要求抗滑稳定性系数≥1.3，抗倾覆稳定性系数≥1.5，在此基础上，根据本工程特点，还需满足墙身砌体容许压应力≤1 300 kPa，剪应力≤40.000 kPa，拉应力≤20.000 kPa的条件。分析结果见表1。

从表1可见，挡墙宽度从4 m增加到6 m的过程中，拉应力呈现逐渐减小的趋势，直至宽度为6 m时拉应力彻底消失。挡墙内部不出现拉应力是保证挡墙不出现破坏的前提条件，考虑到施工过程中工程的隐蔽性和注浆过程中浆液扩散、松散体胶结程度等的不可预见性，结合矿山的实际，本次注浆设计的注浆宽度为6 m。

表1 挡墙计算结果表Table 1 Calculation results of retaining wall

2.2 注浆站及注浆孔

1)注浆孔方案设计

竹叶山坑13-2-3#矿体中5#矿房南北两侧松散体不结顶，且空间较大，同时中5#矿房也有通道到达松散体上部，存在松散体上部采用下向式注浆的条件。经过多方案论证，最后选用在中5#矿房南北两侧松散体顶部采用打管注浆施工方案。具体施工设计布孔见图2。

2)注浆站设计

注浆站设计在中5#矿房二分层平巷，位于中5#矿房中间，注浆施工前对工作区域进行安全处理。在二分层1#切割井上放置一个体积为0.75 m3的矿兜作为储浆池，用于存放搅拌机搅拌好的浆液，供连续注浆使用。水泥储浆仓周边做干燥处理，水泥储浆仓每次堆放量应满足一个班次注浆需要。注浆站内放置双液注浆泵一台、搅拌机一备一用共两台。

2.3 注浆方案

1)注浆材料

根据本工程的特点，选用云锡公司古山水泥厂生产的袋装425普通硅酸盐水泥作为注浆材料，注浆过程中在个别吸浆量较大且没有明显压力的地点采用水泥-水玻璃类浆液，控制凝胶时间，提高注浆效率。

2)浆液组成及配比

纯水泥注浆：水泥种类为普通425硅酸盐水泥，浆液水灰比以0.7∶1、0.8∶1、1.2∶1三种为主(重量比)。在花管内注浆主要采用0.7∶1、0.8∶1两种，孔内注浆结束后采用浓度相对较低的1.2∶1水泥浆液对散体表层进行无压浇注。

双液注浆：水泥为普通425硅酸盐水泥，水玻璃为液态水玻璃，模数2.4～3.4，浓度30～45 Be′。水泥∶水=0.8∶1(重量比)，水泥浆∶水玻璃=4∶1(体积比)。

3)注浆方式、注浆次序及注浆段高

结合本工程的特点，松散体中成孔难度较大，采用孔底注浆必须要求先成孔后注浆，在成孔过程中要求进行成孔护壁方法，施工难度大、工作效率低。课题组经过反复试验后确定采用打管注浆法，打管注浆法是使用刚度大、强度高的厚壁无缝钢管，将其直接打入松散体中，用钢管成孔，也在钢管中注浆，使成孔和注浆在工序上紧密结合，操作也较简单。本次注浆所用注浆花管长度为2.5 m，敲入松散体内部2.3 m左右，外露20 cm，利于连接高压注浆管，其中下部1.3 m在管壁上打眼，孔间距为10 cm，为出浆段，上部1.2 m管周围不布孔，孔内注浆结束后利用浇注对松散体上部2.0 m左右进行固结。打管注浆法施工顺序见图3。

3 注浆加固工业试验

3.1 注浆过程及浆液的扩散形式

从注浆工业试验开始至结束，共注入水泥210 t，水玻璃5.5 t。注浆初始阶段，散体孔隙率相对较大，属于无压力情况下的充填注浆，浆液流通性较好，可直达散体底部，底部结构有些位置有浆液渗出。

为了更好地控制浆液的流动范围，避免浆液的浪费，提高注浆效率和质量，注浆初期采用提高浆液浓度、加入水玻璃进行双液注浆以及间歇注浆等方法来控制浆液流动性。

在破碎、松散岩体中注浆，浆液主要以脉状形态扩散，在孔隙中的轨迹是按管道流方式进行，其特点是流动-扩散-固结。因此，浆液自重的扩散是注浆初期的主要方式，浆液进入散体后，即使注浆泵没有压力显示，浆液也会在重力的作用下沿着孔隙流动，见图4。

根据注浆地质体形态，并从现场试验分析，本次松散体内渗透灌浆的扩散形式主要如图4(a)所示。在本次注浆施工中，在北部松散体上部布置18个注浆孔，南部34个，合计52个，在孔内注浆结束后，利用浇注对松散体上部2 m左右进行固结。

3.2 浆液的黏度

浆液黏度的测定方法较多，实验室常用的有旋转黏度计和毛细管黏度计，锥形漏斗是现场最常用的方法之一。表2是现场使用锥形漏斗法测定的水灰比对水泥浆液黏度的影响数据。

表2 水灰比对水泥浆液黏度的影响Table 2 Effect of water cement ratio on viscosity of cement slurry

从表2可见，浆液的黏度与浓度呈正比关系，浓度越高，黏度也就越大。因此，注浆初期为了控制浆液的扩散半径和流动范围，采用较高水灰比的浆液，注浆后期采用相对较稀的水泥浆液加强渗透，提高注浆效果。

3.3 双液浆凝胶时间及其特性

结合本工程的特点，在个别吸浆量大的地方以及注浆体四周，为了控制注浆量和浆液的扩散范围，局部采用了CS(水泥、水玻璃)浆液。CS浆液具有凝胶速度快、结石体强度高等优点。表3为CS浆液凝胶时间的影响表。表4为水灰比和水玻璃浓度对凝胶时间的影响。

表3 C∶S对凝胶时间的影响(W∶C=0.7∶1，温度21 ℃)Table 3 Effect of C∶S on gel time(W∶C =0.7∶1，temperature 21 ℃)

表4 W∶C对凝胶时间的影响(C∶S =1∶0.5，温度21 ℃)Table 4 Effect of W∶C on gel time(C∶S =1∶0.5，temperature 21 ℃)

从表3、4可以看出，水玻璃的用量并非越多越好，在施工过程中，应根据现场工程的实际情况及注浆过程中出现的问题不断调整浆液的浓度和水玻璃用量，才能取得比较理想的注浆加固效果。

3.4 实施效果

经过近40多天的努力和探索，在中5#矿房南北两侧松散体共注入42.5硅酸盐水泥210 t、水玻璃约5.5 t，对大约6 000 m3的松散体进行了注浆加固。经过45 d的养护后，对中5#矿房进行中深孔爆破，药量3 816 kg，成功回采15 746 t高品位硫化矿，出矿品位Sn：0.461%，Cu：2.611%，矿柱回采率为77.2%。通过计算，原设计矿柱回采时废石混入率为48.11%，注浆后，废石混入率降低到17.78%，注浆有效降低了矿石贫化。

矿柱回采结束后，对注浆效果进行检查，目测矿柱南北两侧注浆结实体坡度分别达到约65°和70°，充填较为密实，胶结良好，人工矿柱没有出现明显倒塌现象，注浆结实体照片见图5。

4 结论

针对云锡老厂锡矿先空场嗣后废石充填再回采中间矿房时贫化严重的难题，提出采用注浆的方法在矿房两侧松散体中形成人工矿柱的方案，来确保矿房开采时减少废石混入。通过现场工业试验得到以下结论：

1)对长37 m、宽12 m、平均厚度13.5 m、矿房两侧6 m范围的松散废石进行了现场加固，利用挡土墙理论进行了注浆范围设计和验算，并经工程实践的检验，注浆取得了预期的效果，为大体积松散体的注浆施工及理论研究积累了宝贵的素材。

2)矿房回采结束后人工矿柱没有出现倒塌现象，减少了废石混入，提高了矿石资源利用率。

3)注浆后矿房采出15 746 t高品位硫化矿，回采率达到77.2%，废石混入率从原设计时的48.11%降低到17.78%，有效降低了矿石贫化，散体注浆取得了较好的效果。

4)采用注浆方法在废石松散体结构中形成人工矿柱，降低废石的混入，对同类型矿体具有一定的指导意义。