某黑鎢礦采空區(qū)廢石充填研究

曾凡珍，石求志，鄭建新

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500；3.金川集團，甘肅 金川 737100）

某黑鎢礦采空區(qū)廢石充填研究

曾凡珍1，石求志2，鄭建新3

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500；3.金川集團，甘肅 金川 737100）

采用空場法回采的黑鎢地下礦山，其廢石堆放與采空區(qū)處理是礦山生產(chǎn)中的兩大難題。某大型黑鎢礦山經(jīng)多年開采已形成近200萬m3的采空區(qū)量，目前多個中段出現(xiàn)部分巷道開裂、垮塌和冒落，一些采場出現(xiàn)了夾墻倒坍，個別采場造成上采困難等地壓活動現(xiàn)象。文章介紹了對該礦山廢石充填的工藝規(guī)劃、充填廢石料制備、充填料的運送與工程布置及其充填施工等問題的研究，并進行了充填效果分析，給出了廢石充填技術(shù)要點。研究表明，廢石充填具有工藝簡單、成本低，能減少廢石的排放和工業(yè)場地占用量，有效降低廢石排運成本和場地租用費用等諸多優(yōu)點，在礦體形態(tài)復(fù)雜、高地應(yīng)力區(qū)域礦體中實施效果更明顯，更具有推廣價值。

黑鎢礦床；地下礦山；采空區(qū)；廢石充填；地壓

0　引言

黑鎢地下礦山的回采基本上是采用空場法[1]，隨著采區(qū)的延深和采空區(qū)量的增多，采空區(qū)開采帶來的危害日趨明顯，尤其是采區(qū)的地壓活動將直接影響到礦山的生產(chǎn)安全，因此，采空區(qū)處理備受企業(yè)和業(yè)內(nèi)人員的重視。傳統(tǒng)的黑鎢地下礦山采空區(qū)的處理方法主要有放頂貫通地表、崩塌采場夾墻和頂?shù)字冗_(dá)到消除應(yīng)力集中和卸載的目的，以及封閉采場出口等對采場進行隔離的形式[2-3]。實踐證明，這些傳統(tǒng)方法在處理上半部采區(qū)的空區(qū)效果較為明顯，然而隨著采區(qū)的延深，顯現(xiàn)出了其方法的不足與不適用。由于廢石充填具有可減少工業(yè)廢料排放、效果明顯、成本低和工藝簡單等明顯的優(yōu)點，近年來，已在相關(guān)企業(yè)得到了較好的推廣應(yīng)用。

1　礦山概況

某黑鎢礦山是一個大型石英脈黑鎢礦床，工業(yè)礦脈24條，按不同的走向，可分為六組：東西組、北東東組、北西組、北北西組、北東組和北西西組，其中東西組最為主脈帶。各組礦脈在平面上相互交叉產(chǎn)出，構(gòu)成似“米”字型（見圖2）。礦區(qū)圍巖主要為淺變質(zhì)的灰綠色石英細(xì)砂巖夾不穩(wěn)定的板巖、砂質(zhì)板巖和粉砂巖，礦巖致密堅硬，礦體頂?shù)装鍑鷰r主要是砂巖，其次是板巖，礦巖穩(wěn)固。但區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，在層理、裂隙及構(gòu)造發(fā)育帶內(nèi)，其強度會大大降低，對礦巖穩(wěn)定性影響較大。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單型，礦區(qū)內(nèi)無主要含水層分布，附近無大的地表水體。

礦區(qū)共設(shè)的中段有330m、380m、430m，485m、535m、575m、615m、657m、700m、740m、805m等11個中段，中段高度為50m左右，485m中段為主平窿，其中485m中段以上采取平窿加溜井開拓；485m中段以下采取平窿加盲豎井加斜井開拓；采礦方法均為淺孔留礦法。目前，330m、380m和430m中段為礦區(qū)主要生產(chǎn)中段。采空區(qū)除了極少部分采空區(qū)采取過廢石充填外，極大部分未作處理，經(jīng)統(tǒng)計礦區(qū)已形成的采空區(qū)量已近200萬m3。近年來，380m、430m、485m中段出現(xiàn)部分巷道開裂、垮塌和冒落，一些采場出現(xiàn)了夾墻倒坍，個別采場造成上采困難等地壓活動現(xiàn)象。

2　采空區(qū)廢石充填工程

2.1工藝規(guī)劃和方案

礦區(qū)485中段以上采空區(qū)較為稀疏、覆蓋層較厚、植被保護較好，在未受下部中段采礦等外界因素的影響下，能保持自身的相對穩(wěn)定，地壓活動不明顯。而330m、380m和430m中段為礦區(qū)主要生產(chǎn)中段，地壓活動明顯，危害大，應(yīng)優(yōu)先充填。目前盡可能維護485m及以上各中段老采空區(qū)的穩(wěn)定，重點充填430m、380m與330m中段采空區(qū)，待下部采空區(qū)處理好了，再進行上部中段的殘采等生產(chǎn)活動。

380m中段位于礦床中部，礦脈最為密集、厚大，為應(yīng)力最為集中地段。因此，將該中段設(shè)計為上下（新老）采區(qū)的隔離緩沖中段，保證該中段的穩(wěn)定對整個礦區(qū)的穩(wěn)定至關(guān)重要，為采空區(qū)重點處理中段。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地壓研究結(jié)果，由于2～3線采空區(qū)密集、夾墻薄，采場穩(wěn)定性差，應(yīng)加大充填力度，為重點充填區(qū)域，充填系數(shù)0.7以上；2～6線采空區(qū)較為稀疏，普通充填，系數(shù)0.4～0.5。

圖1　礦區(qū)開拓系統(tǒng)圖Fig.1　Exploration system diagram of them ining region

圖2　380中段廢石充填規(guī)劃圖Fig.2　W aste rock filling plan for the380m iddlesection

430m中段3～7線采空區(qū)較為密集，重點對體積較大、靠下盤的采空區(qū)進行一般性充填，系數(shù)0.4～0.5。

330m中段2～5線采空區(qū)較為密集，一般性充填，系數(shù)0.4～0.5。

330m水平以下，由于礦脈呈收斂之勢，礦脈條數(shù)變少、間距變大，因而采空區(qū)較為稀疏，夾墻相對較厚，采場穩(wěn)定性稍好，僅對2~5號勘探線間采空區(qū)進行普通充填，充填系數(shù)0.3～0.4；巖性條件差、采空區(qū)相對密集和下盤采空區(qū)可適當(dāng)加大到0.5～0.6；對兩端采空區(qū)小、圍巖相對穩(wěn)固的采場，采取封閉其相關(guān)出口的方式進行處理；對兩端采空區(qū)大，圍巖穩(wěn)固性差的采場，采取崩落采場間夾墻及頂?shù)字?，或利用井下廢石充填采空區(qū)，充填系數(shù)0.3～0.4。

2.2充填廢石料制備

充填廢石塊度要求不高，能通過充填下料口下到采空區(qū)即可。但最好各種級別搭配均勻，以減小沉降率，提高充填效果。廢石主要來源于下部中段開拓工程產(chǎn)生的廢石、采準(zhǔn)工程施工產(chǎn)生的廢石、礦石出窿前初選廢石和選廠初碎后剔除的廢石。

基建（開拓、采準(zhǔn)）產(chǎn)生的廢石。是充填廢石的主要來源，占廢石充填料的70%以上。但這部分廢石的塊度相對較大，并且不均勻。

井下礦石中剔除的廢石。由于回采過程中產(chǎn)生貧化，部分廢石已混入到了礦石中，這些廢石以往被運至選廠，在選廠的手選工段被剔除，現(xiàn)往往在井下設(shè)初選工段，將部分廢石剔除。據(jù)統(tǒng)計，這部分廢石約占出窿礦石總量的8%～25%，能剔出作為充填料的約10%左右，并且塊度較大。

選廠初碎后剔除的廢石。選廠初碎后剔除的廢石，這部分廢石塊度相對較小，并且均勻，有利于減小沉降率，提高充填效果。通常占充填料的20%左右。

部分礦山出于種種原因，主要是利用基建生產(chǎn)的廢石進行充填。但由于基建生產(chǎn)的廢石塊度較大，并且不均勻，沉降率大，導(dǎo)致充填效果不理想。因此，建議在廢石充填采空區(qū)時，加15%～20%選廠粗破產(chǎn)生的廢石。

2.3充填料的運送與工程布置

廢石充填系統(tǒng)比較簡單，主要包廢石的運輸、提升和采空場下料等環(huán)節(jié)，雖然不像膠結(jié)充填系統(tǒng)那么復(fù)雜，但也必須納入礦區(qū)生產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)計管理，有利于充填運輸通道一同在采準(zhǔn)工程施工中設(shè)計與施工，如充填溜井和采場充填下料口等，以便在采場結(jié)束后及時進行。工程布置如圖3所示。

充填溜井：廢石充填溜井?dāng)嗝嬉话銥榫匦危唧w大小將根據(jù)充填量確定，可以選擇垂直布置，也可以選擇傾斜布置，布置在充填空區(qū)集中附近，并且?guī)r體穩(wěn)固和對生產(chǎn)干擾相對較小的地段。

圖3　采場廢石充填工程布置示意圖Fig.3　Layout diagram ofwaste rock filling

采場充填下料口：應(yīng)布置在上中段靠充填采場最近的下盤沿脈巷道臨近采場的一側(cè)，進料口原則上不少于兩個，其間距15～20m為宜。要求與采準(zhǔn)工程同時設(shè)計，在采場回采時形成；若采空區(qū)未形成進料口，應(yīng)在采場充填前形成，可以使用淺孔鑿下向孔形成或采取中深孔等其他方式形成。進料口的斷面（寬×高）取2m×1.5m，以利于裝載廢石的礦車能側(cè)卸將廢石卸入采空區(qū)內(nèi)。

具體廢石充填運送為：通過豎井提升到485中段，然后由電機車運至充填溜井，下溜至各充填中段后由電機車運至各采空區(qū)進料口，由進料口進入充填采場。此外，充填廢石的運輸可能存在逆向運輸，為確保運輸安全，可以適當(dāng)減少運載負(fù)荷，嚴(yán)禁機車超負(fù)荷運行。

2.4采場充填施工

施工前，設(shè)計施工人員應(yīng)對采場及周邊情況進行一次全面排查，以準(zhǔn)確掌握采場情況，尤其是采場空區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和周邊的安全情況，以便在設(shè)計、施工中采取有效措施，做到合理設(shè)計和安全施工。同時，必須對采場設(shè)計充填高度以下的采場出口進行封閉，對采場垮塌等不穩(wěn)固地段進行加固。采場底部出口，如采場底部出礦漏斗可采取鋼筋混凝土進行封閉；采場邊側(cè)出口可以采用混凝土封閉。進料口必須設(shè)置安全防護欄。防護欄可以采用廢鋼軌、鋼管等鋼材焊制成，鋼材型號能確保起到防護安全為原則，網(wǎng)度300mm×500mm。具體可參照礦山溜礦井防護設(shè)施進行制作與施工。同時，設(shè)置警示標(biāo)志，預(yù)防人員與設(shè)備誤入采空區(qū)等安全事故的發(fā)生。

采場廢石充填時，為減輕進入采空區(qū)的廢石塊度分級，減小對采場兩端間柱的破壞，采場充填時，為盡可能減小進入采空區(qū)的廢石滾動距離，要求最初從采場兩端進行充填，并且在整個充填過程中，采場兩端超前中間部位。對于充填施工結(jié)束后的采場，要求定期進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)隱患，及時妥善處理。采場充填施工時，必須加強施工安全管理，確保施工安全[4]。

3　充填效果及討論

3.1充填效果

礦區(qū)廢石充填施工從2009年下半年開始，分別對兩個中段十三個采空場進行了廢石充填，充填采空區(qū)8.25萬m3。通過有序的廢石充填處理采空區(qū)，井下各類工程，特別是已充填的采場空區(qū)周邊巷道、采場地壓活動得到了明顯的控制，采場上采和放礦難的現(xiàn)象有了明顯的好轉(zhuǎn)，尤其是上中段采空區(qū)垮塌等地壓現(xiàn)象得到了有效遏止；此外，由于廢石進入了采空區(qū)充填，井下生產(chǎn)的廢石做到了不出窿，每年節(jié)省了運輸費約12萬元，同時還減輕了井下提升運輸?shù)呢?fù)擔(dān)，對于保證礦山產(chǎn)能穩(wěn)定起到了積極作用。

表1　采場充填量統(tǒng)計表Tab.1　Statistics tableof stope filling

廢石充填雖然不如膠結(jié)充填效果好，但實踐證明，對地壓活動同樣可起到明顯的抑制，大范圍的地壓活動可以得到控制。由此可認(rèn)定，廢石充填雖然沒有原生礦巖，以及其他膠結(jié)充填對采區(qū)穩(wěn)定的作用效果，但也具有其功能[5-6]。

3.2廢石充填技術(shù)要點

廢石充填的目的主要是處理采空區(qū)和解決廢石的排放難題，因此，在進行廢石充填采空區(qū)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)采空區(qū)的技術(shù)條件和礦床開采狀況，結(jié)合采空區(qū)地壓處理進行。由于生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢石量是有限的，并且廢石的產(chǎn)出與采空區(qū)充填難于達(dá)到百分之百的平衡，通常井下廢石產(chǎn)出量難以滿足充填的需要，所以，在采空區(qū)進行廢石充填的實際操作時，應(yīng)合理處理充填時間、充填空區(qū)位置，充填數(shù)量與單一采空區(qū)的充填系數(shù)等，應(yīng)進行合理充填規(guī)劃，否則，不但不能達(dá)到處理采空區(qū)與地壓活動的目的，還會加劇采區(qū)的地壓活動，擾亂生產(chǎn)秩序[7]。

（1）充填部位：充填的合理部位應(yīng)該選擇在受采動影響較大，即采空區(qū)密集、地質(zhì)構(gòu)造弱面等巖體應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位，在這些部位集中充填，相對而言可以控制采動影響范圍的擴大，否則難于達(dá)到理想效果。

（2）空區(qū)充填率：充填率是一項重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響空區(qū)的處理效果。有些礦山用廢石充填空區(qū)的充填率只有50%～60%，有的還低于此值，這樣空區(qū)雖然已充填，因充填體壓縮沉降，充填后空區(qū)夾墻的暴露面達(dá)到30%～50%以上，沒有達(dá)到充填的必要效果，空區(qū)夾墻仍然欠穩(wěn)定，其次，夾墻的局部片落大塊，堵塞于空區(qū)中，影響充填效果。因此，為改善夾墻的受力狀態(tài)，使充填體有效地約束夾墻，要求重點區(qū)域的充填系數(shù)達(dá)到0.7以上，普通區(qū)域不小于0.5。

（3）充填時間：巖體受采動影響，一般移動是隨時間增長而擴展的。廢石充填密集脈群采空區(qū)，作用在于控制巖體移動及范圍的擴大，礦柱和空區(qū)之間夾墻以及兩幫在充填體的約束作用下，特別是夾墻尚未產(chǎn)生變形破裂以前充填，它的受力狀態(tài)得以改善、穩(wěn)定性得到提高。當(dāng)圍巖和夾墻等破裂以后充填，這表明巖體已經(jīng)產(chǎn)生了移動，這時進行充填，整體強度大大削弱。在夾墻兩側(cè)充填不均衡的條件下，還會加劇夾墻的破壞和倒塌。因此，單一采場充填，應(yīng)在采空區(qū)圍巖未發(fā)生大的變形時前進行，最好是采場出完礦后馬上進行。

（4）充填料制備：有些礦山僅利用井下現(xiàn)生產(chǎn)出來的廢石作充填料。試驗資料表明，松散廢石充填空區(qū)，它的沉降率可達(dá)到10%～20%，僅利用井下現(xiàn)生產(chǎn)出來的廢石作充填料，沉降率可超過20%。因此建議在井下直接生出來的廢石添加20%選廠初碎后剔除的廢石，有條件可添加10%尾砂或河砂，即三者的配比比例為7∶2∶1。

（5）施工方法：施工方法是決定充填效果的重要環(huán)節(jié)。大多數(shù)礦山未引起重視，認(rèn)為廢石進入采空區(qū)就完成了，其實不然，任何一個采區(qū)的各個采場的結(jié)構(gòu)均不一樣，外部環(huán)境與實施條件也各不相同，如果不講究正確的實施方法，不但會影響充填率等充填質(zhì)量，而且會損壞采場礦柱、夾墻，達(dá)不到預(yù)期目的[8]。

4　結(jié)語

（1）對進入深部開采的某黑鎢地下礦山的采空區(qū)進行了不同程度的廢石充填處理，實踐表明，合理與規(guī)范性充填的礦區(qū)，對采區(qū)的地壓活動控制起到了明顯的效果。

（2）廢石充填，可以使廢石不出窿，提升能力得到充分解放，間接地提高了井下提升能力。同時可減少工業(yè)固體廢棄物，對于保護礦山的生態(tài)環(huán)境具有積極的作用。

（3）廢石充填與膠結(jié)充填相比，雖然充填效果存在一定的差異，但由于具有工藝簡單、成本低，并且還能減少廢石的排放和工業(yè)場地占用量，有降低廢石排運成本和場地租用費用等諸多優(yōu)點，在礦體形態(tài)復(fù)雜，如脈鎢分枝復(fù)合頻繁的礦體，高地應(yīng)力區(qū)域礦體，如厚大礦體礦柱效果更明顯，更具有推廣價值。

綜上所述，采空區(qū)采用廢石合理充填，對于提高礦山的安全生產(chǎn)水平、資源的利用率和企業(yè)的經(jīng)濟效益，以及保護生態(tài)環(huán)境，促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

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W aste Rock Filling for the M ined-out Area in a W olfram ite M ine

ZENGFan-zhen1,SHIQiu-zhi2,ZHENG Jian-xin3

(1.Ganzhou NonferriusMetallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.JCHXMiningManagementCo.,Ltd.,Beijing 101500,China；3.Jinchuan group,Jinchuan 737100,Gansu,China)

The piling and goaf treatmentare twomajor problemsofmine production ofwaste rock for the open stope mining technology in the underground wolframite deposit.Ground pressure phenomena such as roadway crack, collapse and caving were observed in some stopes due to large sized mined-out area after decades ofmining in a wolframite.This paper introduces the waste rock filling process planning,preparation of filling waste rock,filling material transport arrangements,filling construction and engineering and other issues,and the filling effect by analyzing waste rock filling techniques.Research results show that waste rock filling has the benefits of simple process and low costby reducing emissions ofwaste rock,industrialwaste rock site occupancy,transportation costs and waste rock row space rental costs.The technology is deserved to be promoted especially in complex ore body morphology and highland stressareas.

wolframite deposit;undergroundmining;goaf;waste rock filling;ground pressure

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.04.006

TD862

A

2014-12-16

曾凡珍（1966-），男，江西南康人，高級工程師，從事采礦工藝研究工作。