某鐵礦井下采空區(qū)充填工藝技術(shù)研究

李全中

(銅陵市安銅井建工程有限責(zé)任公司)

·實(shí)用技術(shù)·

某鐵礦井下采空區(qū)充填工藝技術(shù)研究

李全中

(銅陵市安銅井建工程有限責(zé)任公司)

淺孔留礦法開采形成采空區(qū)，不僅存在安全隱患,還造成了資源的留置和浪費(fèi)。系統(tǒng)研究了充填法在處理采空區(qū)中的技術(shù)要求和基本原理,針對某礦山實(shí)際情況，對充填工藝和井下充填系統(tǒng)開展了研究,不僅消除了采空區(qū)的安全隱患,還實(shí)現(xiàn)了礦石的安全回采，多回收礦石資源10%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

淺孔留礦法 采空區(qū) 尾砂膠結(jié)充填 充填工藝

留礦法開采的地下礦山通常會形成大量的地下采空區(qū),使得附近巷道和作業(yè)范圍內(nèi)采場維護(hù)困難，礦房失穩(wěn)破壞，造成礦山開采條件惡化；上覆巖層可能發(fā)生巖移或冒落，引起地表塌陷，危及地表構(gòu)筑物和農(nóng)田；采空區(qū)失穩(wěn)垮塌產(chǎn)生的沖擊波和高速氣浪導(dǎo)致人員、設(shè)備損傷等，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)[1-2]。

1 礦山概況

某鐵礦礦體走向東西，南北寬1.2 km,由多條平行排列的小礦體構(gòu)成；礦體傾向南至南偏西，傾角75°～80°，磁鐵礦體平均厚度3.5 m，厚度變化系數(shù)40%，屬于急傾斜薄礦體。礦體與頂?shù)装逭辖佑|，礦巖堅(jiān)硬(f=8～10)，完整性好，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生片幫冒頂現(xiàn)象。采用淺孔留礦法開采。礦房結(jié)構(gòu)簡單，回采工藝安全可靠；礦塊沿走向布置，礦房長度50 m，階段高度50 m，礦房間留設(shè)6 m間柱，人行通風(fēng)天井沿礦體底板布置在間柱中間，垂直向上每隔5 m掘人行聯(lián)絡(luò)道通達(dá)采場；進(jìn)路式底部結(jié)構(gòu)，鏟運(yùn)機(jī)出礦。礦體自下而上淺孔分層回采，整個(gè)礦房回采完畢后集中放礦。

礦塊生產(chǎn)能力100 t/d，但采切成本較高、采場出礦周期長、采出銜接及安全管理要求高，形成了大量空區(qū)，尤其是頂?shù)字伴g柱資源占比高達(dá)25%，不利于充分回收資源。因此礦山開展了采空區(qū)充填技術(shù)與工藝,及時(shí)回填采空區(qū)，以達(dá)到安全治理、安全生產(chǎn)的效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源回收和礦山總體效益的最大化。

2 采空區(qū)處理安全技術(shù)要求

(1)空區(qū)處理方法的主要影響因素有：礦巖特性，空場大小、形態(tài)，礦柱的合理回收情況，地表構(gòu)筑物拆移情況，充填物料的來源和質(zhì)量，滑坡、山崩、泥石流對礦區(qū)的影響等。

(2)采場空區(qū)的處理必須和周圍采場回采進(jìn)度相匹配。及時(shí)處理采空區(qū)，防止處理滯后導(dǎo)致采空區(qū)上盤或頂部圍巖大面積冒落，造成人員、設(shè)備損傷或停產(chǎn)等事故。

(3)施工時(shí)，保證安全可靠的作業(yè)環(huán)境，如現(xiàn)場照明良好；巷道和空區(qū)內(nèi)頂板浮石清理，工作平臺穩(wěn)固；爆破時(shí)警戒到位，禁止看回頭炮。

(4)隨著時(shí)間的推移，在爆破震動及地應(yīng)力作用下，封閉天井或巷道的破碎巖石將進(jìn)一步壓縮，形成塌落或空隙，影響封閉效果，所以必須進(jìn)行定期檢查空區(qū)處理效果。

3 充填法處理采空區(qū)

3.1 充填處理空區(qū)的方法

充填處理采空區(qū)可分為干式充填和濕式充填兩種[3-5]。

(1)干式充填。在金屬礦山中一般用于中小或老舊礦山。這種方法簡單易行且投資低，但作業(yè)條件差，充填效率低，勞動強(qiáng)度較大。

(2)濕式充填。濕式充填效率高，流動性好，但須建設(shè)一套充填輸送系統(tǒng)和設(shè)施，且尾砂充填、膠結(jié)充填較水砂成本更高。目前濕式充填處理空區(qū)應(yīng)用更為廣泛。

3.2 充填法選用原則

礦山開采初期優(yōu)先選用干式充填，待廢石不能滿足充填能力時(shí)，考慮采購或生產(chǎn)干式充填料；若干式充填料成本過高，則考慮選擇尾砂作為充填料。為了保證提高礦石回收率和礦山生產(chǎn)能力及安全開采，根據(jù)該鐵礦采空區(qū)及其分布特點(diǎn)，采用尾砂膠結(jié)充填和干式充填處理采空區(qū)。

3.3 尾砂膠結(jié)充填處理采空區(qū)

該礦山建設(shè)了一套尾砂充填系統(tǒng)，其充填工藝流程為：選廠通過渣漿泵管道將漿料輸送至旋流器濃密后進(jìn)行沉淀砂水分離，水通過管道分離至沉淀池循環(huán)使用。沉淀的漿料通過管道進(jìn)入礦漿輸送泵或自流進(jìn)入攪拌系統(tǒng)，管道上裝有濃(密)度、流量監(jiān)測儀器，用閥門控制進(jìn)入攪拌機(jī)的量。在充填站內(nèi)制成55%～60%濃度的尾礦漿，配比1∶6的膠固材料攪拌均勻；粉狀料(水泥、膠固粉等粉狀材料)由變頻螺旋給料機(jī)輸送至電子螺旋計(jì)量秤，稱重后進(jìn)入攪拌系統(tǒng)攪拌。粉狀料一般情況下需加壓，并設(shè)計(jì)有成品礦漿儲料倉防堵管裝置用于增壓清洗。采用槽式雙臥軸加長型連續(xù)攪拌機(jī)，其供水系統(tǒng)有水池水泵流量計(jì)等組成。攪拌好的漿料通過管道或輸送螺旋送入活化攪拌機(jī)經(jīng)管道流入充填井，充填到采空區(qū)，同時(shí)采取濾水措施。尾砂用于空區(qū)充填，不僅緩解了尾礦庫壓力，同時(shí)有效地治理了井下采空區(qū)的安全隱患。充填站地表主要設(shè)備見表1。

2.2.3 CGF促進(jìn)牙髓組織基礎(chǔ)研究 國內(nèi)學(xué)者杜楠[27]通過培養(yǎng)人牙髓干細(xì)胞，將不同濃度CGF作用于干細(xì)胞，通過檢測堿性磷酸酶濃度作為分析CGF對牙髓干細(xì)胞增殖分化的影響，結(jié)果顯示，堿性磷酸酶濃度增加，并和CGF濃度呈正相關(guān)，得出結(jié)論：CGF在一定濃度下可以促進(jìn)牙髓干細(xì)胞的增殖分化。

表1 膠結(jié)充填站主要設(shè)備

設(shè)計(jì)充填站水、尾砂、膠固料的質(zhì)量比為50∶40.2∶9.8，濃度一般控制在50%以下可滿足充填倍線需求，可通過在線濃密度監(jiān)測儀隨時(shí)調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明，充填體7 d強(qiáng)度1.4 MPa，14 d后2.1 MPa，28 d后4 MPa，滿足充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.4 干式充填

將廢石經(jīng)主井提升到上部中段，再由鏟運(yùn)機(jī)或其它設(shè)備沿脈外巷道運(yùn)至采空區(qū)充填，下部中段部分采場提前開采，采礦結(jié)束前掘進(jìn)充填井，待出完礦后用上中段的掘進(jìn)廢石充填，減少了水泥砂漿的充填量及廢石的運(yùn)輸、提升量。在保證充填質(zhì)量的同時(shí)，既降低了廢石出井量、提升和充填成本，又提高了工作效率，減少廢石占用地表土地，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 井下充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 井下充填管道布設(shè)

管道自流輸送充填倍線一般不大于5～6，以7倍為限。如果充填倍線過大，則容易造成管道堵塞。

礦山地表高程+109 m，充填水平標(biāo)高+20 m，在自流輸送的前提下，不考慮地表輸送泵的動力因素，按照最大7倍的充填倍線，+20 m水平鋪設(shè)的充填管道最大長度為623 m。師山口6#～7#豎井，井下水平距離406 m；師山口6#～5#豎井，井下水平距離464 m；師山口7#～8#豎井，井下水平距離208 m；師山口8#～9#豎井，井下水平距離432 m；拐彎溝3#～4#豎井，井下水平距離460 m。以最大距離464 m計(jì)算，充填倍線N=L/H=5.21，沒有超過6倍，各充填井筒設(shè)計(jì)倍線較理想。

+20 m水平為回風(fēng)中段，該水平充填管道沿回風(fēng)巷道水溝側(cè)直線鋪設(shè)，有車輛通行的交叉路口要埋設(shè)到巷道底板以下；經(jīng)過頂柱、破頂?shù)牟蓤隹諈^(qū)，直接鋪設(shè)至采空區(qū)邊緣，向空區(qū)內(nèi)伸長1.5 m，在巷道底板打上錨樁將管子固定。沒有進(jìn)行間柱和頂柱回收的采空區(qū)，充填管道通過通風(fēng)行人天井的第一層聯(lián)絡(luò)道伸長1.5 m至空區(qū)，底板用錨樁固定。地表主充填輸送管道、井筒內(nèi)充填管道，均采用外徑108 mm的復(fù)合材料鋼鞭管道。

4.2 采空區(qū)充填封閉、濾水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充填作業(yè)時(shí)，為避免有用組分流失，必須在出礦水平的出礦橫穿、間柱內(nèi)聯(lián)絡(luò)道與外界相連通部位打上柔性封閉墻，起到固沙濾水的作用；為盡快使充填體中的水沙分離，必須在充填體內(nèi)預(yù)先埋設(shè)脫水管、濾水管，將濾出的水通過井下排水系統(tǒng)排至地表再利用。

4.3 充填管理

充填施工送砂前，要先送水沖洗充填管路，保證水路通暢；在充填作業(yè)過程中，遇到管道堵塞、跑冒砂漿、料漿不均勻、流量過大過小、濃度不合格等異常情況[6]，都應(yīng)該在第一時(shí)間和地表充填站取得聯(lián)系，必要時(shí)暫時(shí)中斷作業(yè)，解決問題后再恢復(fù)作業(yè)；充填結(jié)束時(shí)，先停砂，后停水，沖洗管道，避免膠結(jié)體滯留在管道中造成堵塞。

在地表充填站和井下充填工作面必須有可靠的通訊設(shè)施，保證正常聯(lián)系以隨時(shí)采取應(yīng)對措施，建立尾砂供應(yīng)、充填制備、井下充填流水線作業(yè)工序良好有效的溝通。

5 結(jié) 論

(1)該鐵礦尾砂充填系統(tǒng)充填工藝簡單、充填材料選擇容易、充填效果好、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決地表沉降、資源回收、回采安全、連續(xù)開采等一系列問題。

(2)尾砂膠結(jié)充填處理采空區(qū)后礦山大部分頂柱和間柱得到回收，多回收10%以上的資源，使礦房回采率達(dá)到90%以上，損失率低于10%。

(3)該充填技術(shù)在多個(gè)大中小型礦山廣泛使用，技術(shù)成熟，可操作性強(qiáng)，充填運(yùn)行成本預(yù)計(jì)為20元/m3，充填一個(gè)12 500 m3的標(biāo)準(zhǔn)礦房，需要投入25萬元。而同步回收的6 300 t鐵礦石，按100元/t計(jì)算，收益63萬元，不僅符合本企業(yè)的利益，也符合國家倡導(dǎo)的節(jié)約型礦山的政策。

[1] 古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 鄭懷昌，李 明.地下采空區(qū)危險(xiǎn)性及其分析[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22(4):127-129.

[3] 孫光華，李青山.采空區(qū)充填技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2011(5)：16-17.

[4] 張 飛，張 衡，劉德峰，等.尾砂膠結(jié)充填在某金屬礦采空區(qū)處理中的應(yīng)用[J].有色金屬：礦山部分，2013，65(4):16-19.

[5] 杜壽元.有色金屬礦山井下采空區(qū)充填方式研究[J].中華民居，42013(12)：206-208.

[6] 毛信理.尾砂膠結(jié)充填過程控制中的故障診斷[J].中國礦山工程，1995(3)：67-68.

2015-04-10)

李全中(1967—)，男，工程師，246131 安徽省安慶市懷寧縣月山鎮(zhèn)。