冬瓜山銅礦提高采場(chǎng)接頂率的技術(shù)措施

周 強(qiáng) 唐 愷

(1.銅陵有色集團(tuán)公司冬瓜山銅礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

充填采空區(qū)是地壓管理的重要方法，實(shí)現(xiàn)充填體對(duì)頂板的無(wú)縫連接，是保證礦山安全開(kāi)采的重要技術(shù)支撐之一，直接關(guān)系到采場(chǎng)回采安全[1-3]。充填接頂效果一般采用接頂率表示，直觀理解為充填體接觸頂板部分的面積與整個(gè)頂板面積之比。接頂率越高，充填體與頂板的接觸面積越大，充填體支撐頂板的效果越好，回采時(shí)的安全程度越高[4-5]。為有效提高冬瓜山銅礦采場(chǎng)充填接頂率，在分析充填接頂影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)提高充填接頂率的技術(shù)措施進(jìn)行分析和實(shí)踐。

1 礦山概況

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市東郊，處于獅子山礦田深部，該礦床主礦體賦存于標(biāo)高-690～-1 106 m，38#～75#線(xiàn)，為緩傾斜礦體，采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，國(guó)內(nèi)首次研發(fā)使用“全尾砂高濃度連續(xù)充填”新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“一廢治兩害”的目標(biāo)。隨著二步驟采場(chǎng)回采工作的深入，部分采場(chǎng)的一步驟采場(chǎng)充填接頂率不高，造成二步驟回采貧化急驟增大。針對(duì)充填接頂率偏低問(wèn)題，利用紅外測(cè)距儀，對(duì)5個(gè)已經(jīng)充填完畢的采場(chǎng)充填接頂率進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合表1計(jì)算，可得2011年充填完畢后采場(chǎng)平均接頂率僅為91.1%。

表1 充填接頂率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 采場(chǎng)接頂影響因素

(1)尾礦特性。利用選礦廠(chǎng)產(chǎn)生的尾礦進(jìn)行膠結(jié)充填時(shí)，在接頂過(guò)程中，要確保所要充填的膠結(jié)充填體與采空區(qū)無(wú)縫連接，就必須在實(shí)施接頂前對(duì)膠結(jié)充填體中的尾礦特性進(jìn)行試驗(yàn)及研究。通過(guò)充填試驗(yàn)和建模分析，對(duì)尾礦的基本特性參數(shù)(稠度、黏度、化學(xué)成分、粒級(jí)組成、密度、容重、孔隙率、滲透系數(shù)、流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間)進(jìn)行討論，并對(duì)膠結(jié)充填體尾礦漿的流動(dòng)性和管道阻力損失進(jìn)行計(jì)算，綜合各種試驗(yàn)、分析和計(jì)算結(jié)果，得出采場(chǎng)接頂所需要的相關(guān)指標(biāo)，如輸送充填漿體的管道直徑、充填漿體流速和漿體的輸送能力等，在輸送過(guò)程中可以通過(guò)添加各種添加劑，調(diào)節(jié)充填漿體在輸送管道中的狀態(tài)，改善其流動(dòng)性，降低管道阻力損失，從而提高采場(chǎng)充填接頂率。

(2)充填下料孔位置和數(shù)量。對(duì)于充填空區(qū)的幾何形狀，國(guó)家規(guī)范并未有具體規(guī)定。假設(shè)充填空區(qū)頂板幾何形狀很不規(guī)則，無(wú)規(guī)律性，如果采用的充填方法不恰當(dāng)，充填下料孔的位置和數(shù)量不適宜，比如集中一點(diǎn)充填下料，會(huì)導(dǎo)致充填材料在該下料點(diǎn)逐漸堆積，形成一個(gè)自然安息角，堆積到充填空區(qū)頂板后，便無(wú)法繼續(xù)下料，導(dǎo)致空區(qū)無(wú)法充滿(mǎn)，形成空頂，不利于采場(chǎng)接頂。

(3)尾礦流平性。不同礦床和礦石類(lèi)型的尾砂物理化學(xué)性質(zhì)(如粒徑大小、流平性等)各不相同，直接關(guān)系到采場(chǎng)的接頂效果，特別對(duì)于粗粒級(jí)尾礦，由于流動(dòng)性差，需要通過(guò)多點(diǎn)下料方可確保對(duì)整個(gè)充填采場(chǎng)頂部的全覆蓋。

(4)采場(chǎng)接頂觀測(cè)條件限制。由于采場(chǎng)其他條件及觀測(cè)手段限制，導(dǎo)致無(wú)法有效掌握空區(qū)接頂情況，在很大程度上影響了采場(chǎng)充填接頂效果。

(5)充填漿體濃度。在充填過(guò)程中，漿體在管道輸送過(guò)程中以自流輸送為主，其在管道中會(huì)發(fā)生沉降，這是傳統(tǒng)膠結(jié)充填中的一種普遍現(xiàn)象。一方面由于充填漿體顆粒大小不一，在水中沉降速度各不相同，因而會(huì)出現(xiàn)料漿分層現(xiàn)象，致使大部分水離析在表面，當(dāng)這部分水流失后，在充填漿體表面和采場(chǎng)頂板之間便會(huì)存在一部分空間，過(guò)低的料漿濃度也是導(dǎo)致充填無(wú)法接頂?shù)闹匾蛩?，低濃度充填料漿容易導(dǎo)致充填料離析分層，增大自然坡積角；另一方面，固體顆粒之間存在水分，水分流失后，充填漿體仍會(huì)繼續(xù)沉降，嚴(yán)重影響接頂效果。

(6)濾水速度。濾水速度受尾礦物理化學(xué)性質(zhì)制約，如尾礦含泥量、濾水設(shè)施形態(tài)、采場(chǎng)地質(zhì)條件、構(gòu)造發(fā)育情況等。同時(shí)，存在尾礦漿體中的積水由于濾水速度慢，無(wú)法及時(shí)排出，在充填完畢后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)會(huì)占據(jù)充填空間，不易于充填接頂，隨著下料充填堆積體的增高，由于底部脫水速度慢，大量積水無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致頂部脫水難度增大，不利于充填漿體流動(dòng)，影響接頂效果。因此，充填漿體的濾水速度是影響采場(chǎng)接頂?shù)闹匾蛩豙4-6]。

(7)充填漿體阻力。在充填過(guò)程中，漿體一般會(huì)采用自流輸送方式。當(dāng)采用自流輸送方式時(shí)，充填漿體在管道輸送過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)沉降。因此，根據(jù)充填漿體的流動(dòng)性，應(yīng)選擇適宜的自流坡度。當(dāng)漿體流動(dòng)性好時(shí)，自流坡度可??；反之，自流坡度應(yīng)增大。因此，充填漿體自流阻力也是影響采場(chǎng)接頂?shù)闹匾蛩亍?/p>

(8)采礦方法。采礦方法的選擇決定了采后空區(qū)頂板的形狀，當(dāng)頂板形狀很不規(guī)整時(shí)，特別是下料點(diǎn)并非最高點(diǎn)時(shí)，充填料漿在下料點(diǎn)容易逐漸堆積，導(dǎo)致無(wú)法完全接頂，產(chǎn)生空頂。

3 充填接頂率提高措施

3.1 選擇適宜的充填料及合適的漿體濃度

在充填過(guò)程中，當(dāng)充填漿體充入采空區(qū)時(shí)，由于水在沉降過(guò)程中會(huì)滲出，充填料也會(huì)在重力作用下發(fā)生沉降。粗顆粒沉降在底層，細(xì)顆粒在上層，根據(jù)這一特點(diǎn)，應(yīng)選擇適宜的充填料，如粒級(jí)分布較合理、透水性較好、流動(dòng)性較強(qiáng)的充填料。充填漿體應(yīng)有較強(qiáng)的流動(dòng)性，但是隨著充填漿體濃度的增大，其流動(dòng)性會(huì)變差，一般來(lái)說(shuō)，充填漿體應(yīng)選擇流動(dòng)性較好但不含有過(guò)多水分的濃度為宜。

3.2 提高充填料濾水能力

根據(jù)不同的尾礦粒徑選擇脫水設(shè)施，優(yōu)化脫水設(shè)施，充分利用地質(zhì)構(gòu)造加速采場(chǎng)脫水，達(dá)到提高采場(chǎng)濾水能力的目的。一方面應(yīng)掌握尾礦性質(zhì)，對(duì)于粗粒徑尾砂，濾水管孔徑可選取大值，對(duì)于含泥量較大的尾砂，濾水管孔徑應(yīng)選取小值；對(duì)構(gòu)造比較發(fā)育的采場(chǎng)進(jìn)行噴漿時(shí)，應(yīng)充分利用裂隙、層理構(gòu)造等，在給采場(chǎng)周邊進(jìn)行噴漿過(guò)程中，本著滲水不滲砂的原則，使采場(chǎng)充填積水通過(guò)構(gòu)造噴出。

在采場(chǎng)爆破前，沿采場(chǎng)頂板增設(shè)1根2寸濾水管并加以保護(hù)，待采場(chǎng)封閉墻施工時(shí)，將該濾水管沿墻頂部伸出，使采場(chǎng)最高點(diǎn)有濾水裝置；調(diào)整清洗時(shí)間，要求技術(shù)人員對(duì)每個(gè)進(jìn)入接頂階段的采場(chǎng)制定詳細(xì)的接頂方案，并確保每位施工人員嚴(yán)格按照方案進(jìn)行施工。清洗水從充填站到充填料排放口的時(shí)間為7 min，沖洗3 min后，管道完全被清洗干凈，因此本研究決定將原單次充填沖洗時(shí)間30 min調(diào)整為20 min且要求流量穩(wěn)定在120～130 m3/h。

3.3 高位接頂

高位接頂是采場(chǎng)接頂?shù)闹匾椒ㄖ?，無(wú)論是采用何種方法接頂，接頂?shù)某涮罟茉诓煽諈^(qū)充填過(guò)程中，要求必須懸掛在所充填采空區(qū)最高點(diǎn)的安全地帶，在進(jìn)行充填設(shè)計(jì)時(shí)，充填孔位置必須依據(jù)尾砂流動(dòng)性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保充填過(guò)程中接頂密實(shí)，在充填設(shè)計(jì)時(shí)也需在最高點(diǎn)設(shè)計(jì)2個(gè)及以上充填孔。該設(shè)計(jì)思路主要是基于負(fù)壓原理，通過(guò)采場(chǎng)內(nèi)氣流在其它下料口排出，產(chǎn)生負(fù)壓，從而使充填料漿面不斷升高，達(dá)到接頂目的。

3.4 多點(diǎn)實(shí)施下料

由含有粗顆粒較多的尾砂制備的充填漿體的流動(dòng)性較差，為確保在充填過(guò)程中能夠提高接頂率或者盡可能充滿(mǎn)采空區(qū)，避免充填后的采空區(qū)出現(xiàn)真空地帶，在充填過(guò)程中應(yīng)采用充填管實(shí)施多點(diǎn)下料，根據(jù)充填漿體的流動(dòng)規(guī)律選擇充填順序。下料點(diǎn)位置選擇應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定，其位置應(yīng)與充填漿體特性和充填采空區(qū)形狀相匹配。根據(jù)一般布置原則，充填管應(yīng)懸掛于充填采空區(qū)頂板最高位置，盡可能處于采空區(qū)橫斷面中心位置。

3.5 多次強(qiáng)制擠壓接頂

為克服充填體接頂時(shí)自流不暢的影響，在采場(chǎng)最高點(diǎn)下料孔處施工1個(gè)平行泄壓孔以釋放采場(chǎng)空氣壓力[5-6]，采用強(qiáng)制擠壓接頂方法直至原漿從泄壓孔中溢出，該方法對(duì)下料口充填管道強(qiáng)度和韌性要求過(guò)高，同時(shí)增加了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管理難度。

3.6 速凝充填

隨著充填技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了一種新型充填工藝，即高水速凝充填，利用速凝材料混合后具有較強(qiáng)的固水能力，不刻意提高充填漿體濃度，實(shí)現(xiàn)充填漿體較大范圍內(nèi)高濃度充填。速凝充填主要是在充填漿體中加入高速固結(jié)材料作為固化劑，充填時(shí)，將速凝固結(jié)材料與尾礦混合，形成濃度約30%的混合充填漿體，通過(guò)充填管輸送至采場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)初凝需要1 h，2 h無(wú)需脫水即可形成固態(tài)充填漿體，8 h后進(jìn)行充填作業(yè)。通過(guò)采用上述方法后，冬瓜山銅礦充填接頂效果大為改善，截至2013年4月，對(duì)5個(gè)充填完畢的采場(chǎng)采空區(qū)充填接頂效果進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。分析表2可知：冬瓜山銅礦采場(chǎng)充填接頂率平均達(dá)到98.8%。

表2 提高后的采場(chǎng)充填接頂率

50-6#采場(chǎng)充填接頂率提高前后現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)比如圖1所示。

圖1采場(chǎng)接頂效果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)在進(jìn)行采空區(qū)充填前，由必要進(jìn)行充填試驗(yàn)和正確的充填設(shè)計(jì)，在接頂前對(duì)充填漿體濃度、流動(dòng)性、管道阻力損失等應(yīng)進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算，以便正確指導(dǎo)充填接頂。

(2)尾礦物理化學(xué)性質(zhì)與尾礦流動(dòng)能力、力學(xué)強(qiáng)度和沉降速率息息相關(guān)，在進(jìn)行充填接頂前，應(yīng)根據(jù)尾礦性質(zhì)、流動(dòng)能力以及膠凝材料制定詳細(xì)的接頂方案。

(3)根據(jù)充填技術(shù)發(fā)展和礦山實(shí)際，采用具有高性能的膠凝材料、空區(qū)高位接頂、多次強(qiáng)制接頂?shù)却胧┯兄谔岣卟蓤?chǎng)充填接頂效果。

(4)多點(diǎn)下料負(fù)壓接頂是各類(lèi)充填法采場(chǎng)接頂?shù)闹匾夹g(shù)，仍需進(jìn)一步研究。