全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在金屬礦山坑下采空區(qū)治理中的應(yīng)用

摘 要：為了解決采空區(qū)及地表陷落的安全隱患，同時(shí)為礦山生產(chǎn)的大量尾礦砂尋找堆存場(chǎng)地，經(jīng)試驗(yàn)充分論證，可利用全尾砂對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行充填處理，消除地表陷落及采空區(qū)垮塌安全隱患。井下采空區(qū)充填密閉是全尾砂充填的必要條件之一。文章較詳細(xì)介紹了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在某金屬礦采空區(qū)治理中發(fā)揮的作用，治理效果顯著，基本消除了礦區(qū)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患，為小型礦山采空區(qū)治理工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；全尾砂；膠結(jié)充填；金屬礦

全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)近十幾年來，在我國(guó)不斷得到發(fā)展、完善，已在不少礦山推廣應(yīng)用。某金屬礦于2005年建礦，2008年正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15萬t/a。礦山采用中央下盤斜井開拓，采礦方法為房柱法和淺孔留礦法。經(jīng)多年開采已經(jīng)形成了較大范圍的地下采空區(qū)，對(duì)周圍居民、工廠構(gòu)成威脅，礦山和各級(jí)政府對(duì)地表安全監(jiān)控管理和環(huán)境保護(hù)治理的工作責(zé)任重大。

1 礦山基本概述

1.1 地質(zhì)條件

礦區(qū)處于某向斜盆地的東北邊緣，分布有奧陶系馬家溝組、石炭系本溪組及二疊系地層。由于金嶺巖體的侵入作用，形成向東北傾伏的金嶺短軸背斜，沿接觸帶形成一系列大小不等的磁鐵礦床。

該金屬礦山開采礦床礦體-150m以上部分。礦體形態(tài)呈扁豆?fàn)?，走向N30°E，傾向SE，傾角20°～40°，礦體沿走向南北長(zhǎng)180m，沿傾向延伸165m，水平寬度50～150m。主要有益組分TFe含量一般為30%～55%，最高可達(dá)64.74%，平均含量51.41%；礦體最小厚度4.34m，最大厚度16.48m。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地處魯中南陸背斜水文地質(zhì)區(qū)、山間盆地亞區(qū)的水文地質(zhì)單元北部。依據(jù)含水介質(zhì)及賦存條件，含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組和巖漿巖類裂隙含水巖組。

礦山投產(chǎn)以來，坑內(nèi)一直無水，只是在雨季的后期，坑壁上有少量滲水，并不影響坑內(nèi)作業(yè)，也無需排水疏干。該金屬礦水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。礦床的主要充水因素是奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水。區(qū)內(nèi)沒有大的河流及地表水體，大氣降水順勢(shì)流出礦區(qū)，不會(huì)在本區(qū)滯留，對(duì)地下開采一般不會(huì)構(gòu)成威脅。

1.3 開采現(xiàn)狀

礦區(qū)回采方法為房柱法和淺孔留礦法，礦房、礦柱二步回采，先采礦房，后采礦柱。礦房采用空?qǐng)龇ɑ夭伤煤蟛捎梦材z充填，礦柱底部結(jié)構(gòu)先用尾膠接底4米高然后用松散的碎石作為充填料充填采空區(qū)，接頂采用尾膠，高度為2米直至充滿采空區(qū)。

生產(chǎn)過程中的廢石量較少，遠(yuǎn)不能滿足采后空區(qū)充填的需要，因此留有大量空區(qū)存在。另外該礦地表有公路、良田、工廠和村莊，不允許地表陷落。采空區(qū)的存在對(duì)其產(chǎn)生很大的危害。

2 全尾砂膠結(jié)充填

2.1 充填材料來源

該金屬礦山采用尾砂膠結(jié)充填方式。尾砂膠結(jié)充填原料為尾砂、膠固粉和水。尾砂主要來自于選礦廠尾礦庫(kù)。膠固粉從市場(chǎng)購(gòu)買。充填水來自礦山生產(chǎn)水和達(dá)標(biāo)的礦坑水。

2.2 膠結(jié)充填情況

（1）供水。充填用水采用水泵抽取，通過Φ60mm塑料管輸送至攪拌站，經(jīng)三通分別接入JS-4000型攪拌機(jī)和制漿池。（2）供風(fēng)。為了防止砂漿離析，在制漿池底部鋪設(shè)了間距0.5m、Φ25mm的高壓風(fēng)管，管道每隔0.5m有一個(gè)Φ5mm的氣孔。高壓空氣自空壓機(jī)房由Φ100mm的鋼管輸送至制漿池，對(duì)砂漿進(jìn)行攪拌，防止砂漿離析、沉淀。（3）添加尾砂。尾砂由卡車運(yùn)至攪拌站堆料場(chǎng)堆放，攪拌時(shí)，使用ZL50裝載機(jī)將尾砂送入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。（4）添加膠固粉。散裝水泥膠固粉由專用運(yùn)輸車運(yùn)送到攪拌站，通過旁通式氣力運(yùn)送機(jī)組揚(yáng)送入容量為150m3的膠固粉倉(cāng)儲(chǔ)存。充填制漿時(shí)，打開吊掛螺旋計(jì)量秤和溢流螺旋給料機(jī)的控制柜開關(guān)，料倉(cāng)內(nèi)的膠固粉連續(xù)地流入雙軸攪拌機(jī)內(nèi)。（5）攪拌砂漿。將尾砂添加入攪拌機(jī)中，打開供水開關(guān)加水，然后開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌8～10min，使尾砂與水進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛⒒旌虾?，放至制漿池。攪拌后的砂漿放入制漿池后，打開供氣開關(guān)送入高壓空氣進(jìn)行攪拌，并適當(dāng)加水，即制成合格的砂漿。砂漿濃度一般達(dá)57%左右。（6）制備和輸送料漿。打開制漿池的手動(dòng)閘門，同時(shí)開動(dòng)膠固粉添加開關(guān)按鈕，將砂漿和膠固粉送入雙軸攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行混合、攪拌，在雙軸攪拌機(jī)的出口處制備好合格的充填料漿（輸出濃度為=60%），經(jīng)輸送管道自流至充填空區(qū)。（7）測(cè)量及控制砂漿濃度。砂漿的制備分為攪拌機(jī)攪拌和高壓空區(qū)攪拌兩個(gè)步驟。在攪拌機(jī)攪拌時(shí)，適當(dāng)提高砂漿的濃度，使其濃度在60%左右；當(dāng)砂漿進(jìn)入制漿池后，利用高壓空氣進(jìn)行攪拌，并使用濃度壺測(cè)量砂漿濃度。根據(jù)多次監(jiān)測(cè)結(jié)果，加水將砂漿稀釋至57%左右，制成合格的砂漿。（8）控制灰砂比。充填料漿的灰砂比是通過調(diào)整砂漿和膠固粉的添加流量來控制的。根據(jù)膠固水泥粉的添加速度，經(jīng)多次試驗(yàn)，平均每池砂漿的體積為55m3，給入雙軸攪拌機(jī)的時(shí)間為60min左右；按砂漿濃度57%、密度1.57t/m3、灰砂比1：4計(jì)算，每池55m3的砂漿需添加20t膠固粉。由此，通過控制柜調(diào)整膠固粉螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速（設(shè)定膠固粉流量為6t/h），使其向雙軸攪拌機(jī)添加膠固粉的流量為6t/h，并根據(jù)螺旋計(jì)量秤稱得每池砂漿添加的膠固粉質(zhì)量，進(jìn)行校對(duì)，使膠固粉和尾砂配比保持在1：4左右。（9）膠結(jié)充填時(shí)間和數(shù)量。該金屬礦山尾砂膠結(jié)充填工作歷時(shí)364d，每天1～3班。

2.3 充填區(qū)密閉和濾水

充填區(qū)采用漿砌磚墻進(jìn)行密閉。墻體厚50cm，表面采用砂漿噴面。設(shè)置濾水窗和濾水管使采空區(qū)充填料漿離析的充填水通過濾水裝置和巖石裂隙進(jìn)入礦山深部開采中段水倉(cāng)，由水泵排至地面進(jìn)行凈化再利用。

3 充填質(zhì)量評(píng)述

3.1 采空區(qū)充填率

該金屬礦設(shè)計(jì)充填采空區(qū)體積4萬m3，充填濃度為60%的料漿94 948m3，按料漿充填系數(shù)0.75計(jì)算，充填空區(qū)體積71211m3。采空區(qū)充填率大于90%，充填體單軸抗壓強(qiáng)度大于0.5MPa，使采空區(qū)充填充分接頂，滿足設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)范要求。

3.2 膠結(jié)充填質(zhì)量

該金屬礦采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填施工設(shè)計(jì)膠固粉與尾砂的配比為1：4，料漿濃度為62-65%。在充填施工過程中，膠固粉與尾砂的配比區(qū)間為1：4～1：12、一般為1：8～1：9、平均為1：8.8。共取試塊26組，養(yǎng)護(hù)后送某檢測(cè)有限責(zé)任公司進(jìn)行測(cè)試，試塊單軸抗壓強(qiáng)度1.5～3.0MPa，平均值2.2MPa。尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

（1）本次充填采空區(qū)的頂板埋深均小于200m，采用尾砂膠結(jié)充填方式進(jìn)行充填，采空區(qū)充填率為95.3%；試塊抗壓強(qiáng)度1.5～3.0MPa，平均值為R28=2.9MPa。本充填方法、充填質(zhì)量滿足要求。（2）通過本次采空區(qū)充填治理，使礦山開采形成的采空區(qū)得到了有效的治理，有效保護(hù)地表不塌陷和保護(hù)遠(yuǎn)景資源，消除和大量減少了礦山固體廢料的排放，保持礦區(qū)生態(tài)體系完整，從根本上最大限度地消除礦產(chǎn)資源開采帶來的負(fù)面影響，并且能使礦山效益最大化。（3）許多礦山的實(shí)際應(yīng)用證明，利用尾砂進(jìn)行地下采空區(qū)充填，是一條變害為利、綜合利用、可有效控制和消除地壓危害、保證礦山安全生產(chǎn)、改善地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的有效途徑，具有很高的社會(huì)效益。

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