地下礦山充填接頂技術(shù)的研究

劉婉瑩，賴(lài) 偉，王小軍，姜順鵬

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；4.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司， 山東 青島 266715)

地下礦山充填接頂技術(shù)的研究

劉婉瑩1,3，賴(lài) 偉1,2，王小軍4，姜順鵬4

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；4.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司， 山東 青島 266715)

充填接頂是充填采礦工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，在分析充填不能接頂?shù)脑虻幕A(chǔ)上，就充填接頂技術(shù)進(jìn)行了梳理，簡(jiǎn)要介紹了人工接頂、機(jī)械接頂、強(qiáng)制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂和料漿膨脹接頂技術(shù)。并對(duì)充填料漿接頂?shù)妮o助措施進(jìn)行了探討，認(rèn)為可通過(guò)優(yōu)化改善料漿的流平性和沉縮性，泌水快排技術(shù)以及管網(wǎng)優(yōu)化等技術(shù)以達(dá)到接頂?shù)哪康摹?/p>

充填體；充填接頂；膨脹；沉縮

0 前 言

隨著國(guó)家對(duì)資源綜合利用率和環(huán)保要求的提高，越來(lái)越多的礦山采用充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，相關(guān)的技術(shù)研究也越來(lái)越多，其中充填接頂技術(shù)是礦山充填的關(guān)鍵技術(shù)之一，其直接關(guān)系到采場(chǎng)的生產(chǎn)安全，例如，采用兩步驟回采的采礦法，若一步驟充填不接頂，相鄰二步驟采場(chǎng)回采后頂板與一步驟采場(chǎng)頂板貫通，頂板暴露跨度、面積倍增，回采工作難以實(shí)現(xiàn)。不接頂引起的冒落，可能會(huì)導(dǎo)致空區(qū)與含水層貫通，造成透水事故；地表位移量超預(yù)期，造成地表生態(tài)、水系和區(qū)域地質(zhì)破壞等，甚至造成不可挽回的災(zāi)難性事故[1]。

1 不能接頂?shù)脑蚍治?/h2>

1.1 料漿特性

影響充填體是否能夠接頂?shù)年P(guān)鍵因素有：充填料漿沉縮和流動(dòng)性(流平性)[2]。

料漿沉縮主要由泌水沉縮和擠壓沉縮兩部分構(gòu)成，泌水沉縮是由于充填料漿處于過(guò)飽和水狀態(tài)，料漿充入空區(qū)后，隨充填料漿骨料的下沉，富裕的水泌出在充填體表面，從而在充填體與空區(qū)頂板之間形成間隔；擠壓沉縮主要是由于充填料漿的骨料在重力作用下，骨料顆粒的重排，孔隙率降低造成的沉縮。根據(jù)試驗(yàn)料漿沉縮率為1%～10%，部分礦山達(dá)到20%，其特性說(shuō)明：即使料漿接頂，充填體也不能接頂，是充填體不能接頂?shù)母驹騕3]。

料漿的流動(dòng)性決定了料漿流平性能，根據(jù)充填料漿流平性試驗(yàn)，料漿濃度在60%～70%時(shí)，料漿自流的坡面角在2°～10°，隨濃度的增加而增大，因此在大面積的空區(qū)或者長(zhǎng)進(jìn)路中，僅靠充填料漿的重力作用不能完全接頂。

1.2 泌水排放措施不力

充填料漿主要由骨料、膠結(jié)劑和水組成，采用全尾砂結(jié)構(gòu)流自流輸送的礦山充填料漿的濃度一般在70%左右，極少數(shù)礦山在55%左右，充填料漿含水量達(dá)到40%～45%，部分水被膠結(jié)劑固化結(jié)合和其組成的架構(gòu)包裹，大部分水需排出采空區(qū)，排放措施不力時(shí)，大量水富集在充填體表面，造成充填體不能接頂[4]。

1.3 空區(qū)形狀不規(guī)整

由于地質(zhì)構(gòu)造的存在和巖體的離散特性，爆破回采后的空區(qū)頂板形狀常為不規(guī)則的幾何空間，使得部分空區(qū)難以填充，產(chǎn)生空頂[5]。

1.4 充填管網(wǎng)布置不合理

充填管網(wǎng)包括：充填料漿輸送管、充填料漿下料管、充填料漿泌水排放管、采空區(qū)充填排氣管以及用于觀察料漿液面的觀察管道[6]。

充填料漿輸送與充填料漿下料管之間未設(shè)置洗管水和引管水排放管，直接排放至采空區(qū)，造成料漿稀釋?zhuān)x析等影響充填料漿性能，料漿接頂后，充填體沉縮大不能接頂。充填料漿下料管下料點(diǎn)設(shè)置過(guò)少，在下料點(diǎn)間不接頂。泌水排放管設(shè)置不合理，導(dǎo)致泌水不能外排，占據(jù)空區(qū)空間，泌水排出后形成空洞不接頂。采空區(qū)排氣管設(shè)置不當(dāng)，空區(qū)內(nèi)氣體無(wú)法排出，料漿進(jìn)入充填采空區(qū)，由于料漿部分接頂后隔斷的密閉空間內(nèi)空氣的存在，不能實(shí)現(xiàn)接頂。

2 接頂技術(shù)

近年來(lái)，由于充填采礦法的發(fā)展及其推廣應(yīng)用，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了人工接頂、機(jī)械接頂、強(qiáng)制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂、料漿膨脹接頂?shù)榷喾N接頂技術(shù)[7-10]。

2.1 人工接頂

采用大塊廢石和預(yù)制砌塊等，人工構(gòu)筑砌筑的方式接頂。主要用于薄到極薄礦脈的礦柱接頂，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積全面接頂，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，僅在小型礦山采用。

2.2 機(jī)械接頂

利用拋擲機(jī)將充填料拋射動(dòng)能、推土機(jī)擠壓以及其他頂推設(shè)備頂壓充填料以實(shí)現(xiàn)接頂。該技術(shù)廣泛用于煤礦山的廢石充填體的接頂；在金屬礦山主要用于分段充填法、進(jìn)路充填法等礦山。主要用于高濃度粗骨料膠結(jié)料漿和廢石非膠結(jié)充填領(lǐng)域。

2.3 強(qiáng)制崩落接頂

利用巖石碎裂后體積膨脹的特性，在充填結(jié)束后，有計(jì)劃的崩落頂板圍巖，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制接頂。在近采空區(qū)布置鑿巖硐室，鉆鑿中深孔，按照擠壓爆破方式設(shè)計(jì)爆破方案，按照采空區(qū)高度，計(jì)算頂板的崩落厚度。這種接頂方式，接頂效果好，但在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制一次崩落，防止擠壓過(guò)度影響充填體的結(jié)構(gòu)性能。該方法一般用于緩傾斜礦體的充填接頂。

2.4 料漿加壓接頂

可分為充填系統(tǒng)余壓接頂和加壓泵注接頂。充填系統(tǒng)余壓接頂技術(shù)主要是利用充填系統(tǒng)管網(wǎng)的高程差，在采空區(qū)充填后，利用充填系統(tǒng)管路壓力向空區(qū)壓入充填料漿以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制接頂，該技術(shù)不新增充填泵。加壓泵接頂即采用充填泵加壓，通過(guò)鉆孔和管道壓注料漿接頂，該技術(shù)需新增充填泵和中轉(zhuǎn)料倉(cāng)，相比充填系統(tǒng)管路余壓接頂技術(shù)，能夠更好的控制接頂?shù)膲毫Γ瑫r(shí)避免占用主管路，影響充填作業(yè)效率等問(wèn)題。采用加壓接頂技術(shù)，必須嚴(yán)格控制泵壓，加固擋墻，封閉空區(qū)出口(巷道、鉆孔和貫通裂隙等)通道，嚴(yán)密觀察擋墻狀況，以防發(fā)生安全事故。

2.5 料漿重力接頂

利用料漿在自身重力作用下流平或者利用高差擠壓料漿接頂。常采取在近空區(qū)上部鉆充填孔、空區(qū)頂板再挑頂、近空區(qū)掘進(jìn)上向措施天井、架設(shè)措施擋墻分區(qū)、設(shè)計(jì)斜面頂板和弧形頂板部分接頂。上述措施需新增措施工程，同時(shí)在遠(yuǎn)離措施工程處仍然存在不能全面接頂?shù)膯?wèn)題，近空區(qū)施工安全性差等缺點(diǎn)。

2.6 料漿膨脹接頂

主要利用料漿在充入采空區(qū)后，增加充填體體積膨脹以達(dá)到充填接頂。常用的有高水膨脹充填接頂技術(shù)、添加混凝土膨脹添加劑的料漿自膨脹主動(dòng)接頂技術(shù)。由于高水膨脹材料基本不需要骨料，因此其在缺乏粗骨料的煤礦山得到了推廣應(yīng)用，但其固結(jié)體不穩(wěn)定，在金屬礦山使用較少。金屬礦山以在充填料漿內(nèi)添加混凝土膨脹添加劑為多，通過(guò)試驗(yàn)，料漿凝固后的充填體體積比料漿體積可增長(zhǎng)約15%～30%，利用料漿的膨脹能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)接頂，但是必須指出，由于料漿處于圍巖和擋墻構(gòu)成的封閉體內(nèi)，在料漿膨脹過(guò)程中，膨脹的料漿在接頂?shù)耐瑫r(shí)，也給擋墻一定的作用力，因此必須嚴(yán)格控制料漿的膨脹參數(shù)，并加強(qiáng)充填擋墻的監(jiān)測(cè)。此外，利用該技術(shù)，充填系統(tǒng)需新增膨脹劑儲(chǔ)料倉(cāng)，給料系統(tǒng)等設(shè)備。

3 充填體接頂輔助技術(shù)

3.1 料漿性能優(yōu)化

影響充填體不能接頂?shù)年P(guān)鍵因素主要有充填料漿的流動(dòng)性和沉縮性，針對(duì)具體的礦山，通過(guò)試驗(yàn)確定具體的措施，可采取的措施有：

(1) 優(yōu)化料漿級(jí)配，改善料漿的流平性，提高料漿密實(shí)性，降低沉縮。

(2) 在滿(mǎn)足料漿輸送要求的前提，提高充填料漿濃度，降低泌水沉縮。

(3) 添加減水劑，在不降低料漿流動(dòng)性的前提下，提高料漿的濃度；加入膨脹劑，以克服充填料漿沉縮引起的不接頂問(wèn)題。

3.2 泌水快排技術(shù)

合理布置泌水排放措施。

(1) 反濾排水管：主要用于大規(guī)模和大面積空區(qū)的充填泌水排放。排水管采用波紋管或土工盲溝管，其中波紋管需在管道周鉆孔，然后在管周纏繞濾布或土工布，充填料漿在反濾作用下，泌水經(jīng)過(guò)管道實(shí)現(xiàn)快速外排。土工盲溝能夠?qū)崿F(xiàn)全周的排水，具有不易堵塞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，成本低，排水性能好的特點(diǎn)。

(2) 泄水井及濾水井塔：主要用于上向水平分層充填采礦法和大面積緩傾斜薄礦脈空區(qū)的充填泄水。泄水井常用架設(shè)方式有鐵板焊接井、木材井、鋼構(gòu)架外繞鋼絲網(wǎng)片和土工盲溝等泄水天井，為了起到反濾作用，常在井周纏繞濾布或土工布。濾水井塔是在待充空區(qū)的平面不同位置布置短井，可采用塑料管、竹篾編制籠或土工盲溝等構(gòu)筑，主要用于收集泌水，然后再通過(guò)底部的排水管集中到泄水井排出充填空區(qū)。濾水井塔主要起到加密泄水點(diǎn)，加快泌水外排速度的作用，其構(gòu)筑工藝簡(jiǎn)單，成本低，是較好的輔助脫水措施。

(3) 反濾透水充填擋墻：過(guò)去通常采用厚實(shí)的混凝土擋墻，以實(shí)現(xiàn)待充采空區(qū)的絕對(duì)封閉，但隨著充填技術(shù)的發(fā)展，充填體機(jī)理的不斷揭示，泄水擋墻能夠有效降低靜水壓力對(duì)擋墻的荷載，其具有更好的性能。濾水擋墻自空區(qū)向外一般分為反濾層、反濾層支撐層和整體支撐固定層。反濾層采用濾布或土工布構(gòu)筑；反濾層支撐層多采用鋼筋網(wǎng)片等格柵狀的整體片狀的材料構(gòu)筑；整體支撐固定層采用角鋼，鋼軌和液壓支柱構(gòu)筑。較傳統(tǒng)的混凝土擋墻構(gòu)筑該擋墻工藝簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，成本低，脫水快速。

3.3 合理布置充填管網(wǎng)

(1) 設(shè)置引、洗管水分排三通，避免其稀釋料漿，造成離析，降低充填體強(qiáng)度。

(2) 適當(dāng)增加料漿下料點(diǎn)，直接增加管道出料口，或采取預(yù)設(shè)斷管點(diǎn)和管道接頭自動(dòng)分離裝置的辦法增加下料點(diǎn)，降低自流坡度的影響。

(3) 合理設(shè)置排氣管道，在空區(qū)高點(diǎn)、下料點(diǎn)間或全程安裝透氣管道，消除料漿隔斷形成封閉空區(qū)無(wú)法接頂?shù)膯?wèn)題。

(4) 布置觀察管，掌握并控制充填量。

4 結(jié) 論

人工接頂、機(jī)械接頂、強(qiáng)制崩落接頂能解決特定條件下的接頂問(wèn)題，但是其效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采的充填接頂要求。料漿重力接頂技術(shù)作為通用的改善料漿接頂技術(shù)措施，在大量礦山推廣應(yīng)用。料漿重力接頂和料漿加壓接頂所指的是料漿接頂，而非充填體接頂，在料漿泌水沉縮后仍不能完全接頂，因此料漿重力接頂和料漿加壓接頂實(shí)質(zhì)仍為被動(dòng)接頂技術(shù)。料漿膨脹接頂技術(shù)能夠克服空區(qū)不規(guī)整，料漿不能自流平的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)充填體主動(dòng)接頂，發(fā)揮充填體主動(dòng)承載作用，是較有發(fā)展前景的接頂技術(shù)。

進(jìn)行充填料漿性能優(yōu)化和合理布置泌水排放管網(wǎng)是解決充填體的最根本措施。

充填體接頂是一個(gè)系統(tǒng)工程，接頂方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合采場(chǎng)設(shè)計(jì)、采礦工藝過(guò)程要求、料漿性能和接頂輔助技術(shù)進(jìn)行比選。

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2017-05-25)

劉婉瑩(1984-)，女，山東臨沂人，工程師，研究生，主要從事采礦安全技術(shù)研究，Email:laijwei@qq.com。