祁雨溝金礦井下采空區(qū)治理方案研究

張社稷

(貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貞豐 562200)

0 引言

金屬礦山采空區(qū)存在嚴重的隱患問題，若不采取正確防治措施，往往會造成地表塌陷、冒頂、透水等一系列事故的發(fā)生，更為嚴重的是采空區(qū)突然垮塌會產(chǎn)生高速氣流和沖擊波，造成人員的傷亡、設(shè)備的損壞以及經(jīng)濟的損失，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)[1-3]。因此，礦井采空區(qū)隱患治理必須引起重視。目前地下采空區(qū)處理方法主要包括：崩落法、充填法、支撐法以及封閉隔離法。其中崩落法能及時消除采空區(qū)隱患，且成本相對較低，但地表易發(fā)生移動和沉陷；充填法控制地表移動的效果較好，但成本較高；支撐法一般不能避免采空區(qū)冒頂或頂板沖擊地壓；封閉隔離法僅適合處理孤立小采空場等。在一定條件下，可采用吸收了上述4種基本方法優(yōu)點的聯(lián)合法處理采空區(qū)，以克服其局限性。無論是4種基本處理方法還是聯(lián)合處理方法，每一種又有許多種具體的施工工藝和方法。因此，采空區(qū)的治理技術(shù)，需要秉持“因地制宜、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理”的原則，針對現(xiàn)有的采空區(qū)現(xiàn)狀，選擇合適的方案進行防治，實現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[4，5]。

1 礦山井下采空區(qū)現(xiàn)狀

1.1 礦山開采現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展較快，各行各業(yè)對礦產(chǎn)的需求與日俱增，但是由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，但部分礦產(chǎn)資源賦存規(guī)模較小，為了平衡礦產(chǎn)資源產(chǎn)量和進口量，采礦技術(shù)勢必要得到改進，使礦產(chǎn)資源能夠得到最大程度的開采利用。目前常用的井下使用的采礦方法主要有中深孔淺孔分段留礦法、空場采礦法及充填采礦法等。其中，空場開采法主要應(yīng)用于礦區(qū)后部的緩傾斜開采段，這種采礦方法的主要特征是在礦石回采過程中臨時或永久保留安全支柱，以支撐頂部巖層，該方法會形成空置的采空區(qū)；留礦法也是空場法的一種采礦方法，該方法主要用于圍巖及礦層厚度較為穩(wěn)固的情況，采用留礦法采礦，礦石傾角要求大于53°，礦房回采時先采礦房，再采礦柱。崩落法也被廣泛使用，采礦方法主要用于切割礦體的底壁，將巷道劃分成不同大小的空間體，然后通過壓制中間層來鉆探巖石，爆破后通過鏟車將礦石運出礦井，利用循環(huán)后退的方式開采；充填采礦法是指在礦山中，需要開采大量礦石，然后采空區(qū)內(nèi)填充各種物料，以穩(wěn)定圍巖和頂巖，防止圍巖塌陷、下降，為了減少地面壓力的影響，后續(xù)的采礦操作將在成型的固體填充體內(nèi)進行。

1.2 祁雨溝金礦礦區(qū)地質(zhì)及采空區(qū)分布

1.2.1 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地層簡單，除山谷、溝系有少量第四系沉積外，主要為太古宇太華巖群、中元古界熊耳群許山組和新近系，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造和爆破角礫巖構(gòu)造為主。斷裂構(gòu)造主要有NW、NE和近南北向三組。礦區(qū)內(nèi)具有工業(yè)價值的角礫巖體有4個(J4、J5、J6、J2)，角礫巖型金礦體嚴格受角礫巖體控制，多賦存有一個到數(shù)個金礦體。角礫巖體在礦區(qū)的主要分布范圍以及形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀見表1。

表1 主要角礫巖體分布范圍一覽表

本次治理采空區(qū)位置分布在J5角礫巖體內(nèi)，角礫巖體內(nèi)的角礫成分以頂板及圍巖角礫為主，巖漿巖角礫較少。

1.2.2 采空區(qū)分布

目前祁雨溝金礦的礦體有J4、J5、J6、189礦體，主采礦體為J4、J5兩個礦體。本次采空區(qū)隱患治理主要針對J5礦體的3-1采空區(qū)、3-4線采空區(qū)，189礦體的0線采空區(qū)和J4-310-709-2采場。計劃對祁雨溝金礦井下J5礦體340-3-1采空區(qū)、500-3-4線采空區(qū)、189礦體292-0線采空區(qū)及J4-310-340-709-2采空區(qū)進行充填處理。

3 采空區(qū)治理措施-分級尾砂充填

3.1 充填系統(tǒng)對礦山的適用性

參照原長沙礦山研究院對河南金源公司選礦廠的全尾砂進行的X衍射分析結(jié)果與滲透性和沉降特性試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：祁雨溝金礦尾砂的主要礦物成分有石英、白云母、斜長石、鉀長石、方解石等。尾砂成分中含硫化物較少，屬于惰性材料，可以用來作為井下充填骨料[6，7]。全尾砂的滲透系數(shù)小于1，滲透性能比較差，說明尾砂中細粒級含量較多，不適宜直接用于井下充填。分級尾砂的沉降速度較快，主要是因為分級尾砂經(jīng)過脫泥后剩下的主要是粒徑比較大的尾砂，與全尾砂相比，分級尾砂的滲透性能和沉降性都比全尾砂好，可用于井下充填。故本次采空區(qū)治理方案中采用分級尾砂進行充填作業(yè)。

3.2 充填系統(tǒng)簡介

河南金源公司祁雨溝金礦充填站主要包括尾砂分級站、地表充填站等充填系統(tǒng)。充填站還設(shè)有貯水池、事故池、廠房及輔助設(shè)施等。其尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)主要包括：充填材料、尾砂分級與輸送、水泥存儲與輸送、尾砂存儲與輸送、充填料漿制備與輸送。

整個充填系統(tǒng)工藝見圖1。充填主管道敷設(shè)從地表充填站充填料漿出口、經(jīng)由地表充填鉆孔延伸至井下400 m中段，或通過580 m平硐進入J5礦體，然后由分支管進入各中段，中段充填管再由分支管進入各采空區(qū)上部充填口進行采空區(qū)充填。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程圖

3.3 充填管路設(shè)計

1)充填站攪拌均勻的充填料漿通過充填管道經(jīng)充填鉆孔輸送至井下400 m中段，然后通過400 m中段鋪設(shè)的充填管道輸送至J5-400中段待充填采空區(qū)邊部。攪拌桶出口標高為580 m，充填中段標高400 m，垂直高差180 m。充填鉆孔采用陶瓷內(nèi)襯鋼管，管徑為DN100，400中段充填管采用高分子耐磨材料內(nèi)襯鋼管，管徑為133 mm，整個充填管路長度約為1 200 m。

設(shè)計自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計水力充填系統(tǒng)的服務(wù)范圍及生產(chǎn)能力。

充填倍線，即充填管路總長度與管路出入口垂直高差的比值，其值大小反應(yīng)充填料漿管道輸送的難易程度。其按公式1進行計算。

N=L/H

(1)

式中：N—充填倍線；L—管路總長度，m；H—充填系統(tǒng)中料漿入口與料漿出口的垂直高差，m。

根據(jù)攪拌桶出口標高為580 m，400 m中段標高為400 m，高差為180 m，整個充填管路長度約為1 200 m，結(jié)合充填倍線的計算方法，經(jīng)計算本次充填空區(qū)的充填倍線為6.7。

根據(jù)計算的充填倍線來看，充填倍線不大，能夠滿足充填料漿自流輸送的要求。

2)充填站攪拌均勻的充填料漿通過充填管道經(jīng)580平硐輸送至井下540 m中段，然后通過540 m中段鋪設(shè)的充填管道輸送至J5-540中段待充填采空區(qū)邊部。攪拌桶出口標高為580 m，充填中段標高540 m，垂直高差40 m。580-540 m中段充填管采用高分子耐磨材料內(nèi)襯鋼管，管徑為133 mm，整個充填管路長度約為900 m。

設(shè)計自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計水力充填系統(tǒng)的服務(wù)范圍及生產(chǎn)能力。

充填倍線，即充填管路總長度與管路出入口垂直高差的比值，其值大小反應(yīng)充填料漿管道輸送的難易程度。其按公式1進行計算。

根據(jù)攪拌桶出口標高為580 m，540 m中段標高為540 m，高差為40 m，整個充填管路長度約為900 m，結(jié)合充填倍線的計算方法，經(jīng)計算本次充填空區(qū)的充填倍線為22.5。

根據(jù)計算的充填倍線來看，充填倍線過大，需安裝增壓泵才能夠滿足充填料漿輸送的要求。

3)充填站攪拌均勻的充填料漿通過充填管道經(jīng)充填鉆孔輸送至井下400 m中段，然后通過400 m中段鋪設(shè)的充填管道輸送至189-400運輸巷地井處，通過地井鋪設(shè)的充填管道輸送至189-340中段，最后通過340中段鋪設(shè)的充填管道輸送至待充填采空區(qū)邊部。

攪拌桶出口標高為580 m，充填中段標高340 m，垂直高差240 m。充填鉆孔采用陶瓷內(nèi)襯鋼管，管徑為DN100，400 m中段、340 m中段充填管采用高分子耐磨材料內(nèi)襯鋼管，管徑為133 mm，整個充填管路長度約為1 467 m。

設(shè)計自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計水力充填系統(tǒng)的服務(wù)范圍及生產(chǎn)能力。

充填倍線，即充填管路總長度與管路出入口垂直高差的比值，其值大小反應(yīng)充填料漿管道輸送的難易程度。其按公式(1)進行計算。

根據(jù)攪拌桶出口標高為580 m，340 m中段標高為340 m，高差為240 m，整個充填管路長度約為1 467 m，結(jié)合充填倍線的計算方法，經(jīng)計算本次充填空區(qū)的充填倍線為6.1。

根據(jù)計算的充填倍線來看，充填倍線不大，能夠滿足充填料漿自流輸送的要求。

3.4 充填擋墻設(shè)計

對于待充采場或待充空區(qū)的密閉，是充填準備工作一項重要的內(nèi)容。如果待充空區(qū)密閉不好，充填漿體四處散溢，到處跑漿，有時還會發(fā)生充填料漿淹埋巷道、設(shè)備等嚴重的安全事故。待充空區(qū)的密閉，一般采用充填擋墻密閉的方式，充填擋墻按材質(zhì)有剛性擋墻、柔性擋墻之分；按用途又有密封擋墻、濾水擋墻、活動擋墻等多種型式[8，9]。

基于金源公司以往的充填經(jīng)驗，設(shè)計采用柔性擋墻+鋼筋混凝土擋墻聯(lián)合封閉的方式，便于濾水和密閉管理?？紤]到充填體對充填擋墻的壓力作用，結(jié)合以往充填經(jīng)驗，擋墻高度以下充填時設(shè)計每次充填高度為0.5 m，待第一次充填完成之后，等待尾砂完全脫水之后，再進行第二次充填。擋墻高度以上充填時設(shè)計每次充填高度為1.5 m，待上次充填完成之后，等待尾砂完全脫水之后，再進行下次充填作業(yè)，以此類推直至整個采空區(qū)完全充填結(jié)束。

3.5 充填脫水設(shè)計

在進行充填作業(yè)時，充填濃度應(yīng)控制在68%～72%，濃度越高，充填料漿含水量越低，越利于井下脫水。每當向空區(qū)充填1 m3充填料漿，會有0.5～0.6 m3水存在，這些水需要從空區(qū)充填體中及時排出才能形成密實的充填體。

采場充填體脫水，有溢流脫水和滲流脫水兩種形式[10]。本次設(shè)計采用溢流脫水為主，滲流脫水為輔，利用脫水管排出充填體中的水，設(shè)計采用軟性透水管作為空區(qū)脫水管材。其主要結(jié)構(gòu)為：濾水管骨架和濾水網(wǎng)見圖2,脫水管布置方案見圖3。采空區(qū)濾水采用管道或水溝方式導(dǎo)流至340 m中段T2地井處，經(jīng)過地井自流至310 m中段水泵房，通過水泵排至地表水倉。軟性透水管與普通的剛性濾水管相比，大幅度增加了過水面積，提高了濾水效率。

圖2 柔性濾水管

圖3 脫水示意圖

3.6 施工作業(yè)要求

3.6.1 充填體強度

膠結(jié)充填時，在地表充填站進行現(xiàn)場取樣，制作模塊試樣，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm可裝卸的三聯(lián)試模，漿體經(jīng)充分攪拌后灌入試模并進行養(yǎng)護，強度測試交由第三方機構(gòu)進行。設(shè)計28天抗壓強度不低于1.0 MP。

3.6.2 充填作業(yè)聯(lián)絡(luò)

為了保證充填時作業(yè)聯(lián)絡(luò)，礦區(qū)架設(shè)了地表充填站至井下400 m中段、340 m中段、540 m中段、500 m中段、292 m中段、310 m中段人員作業(yè)處的直通通信電話,確保充填作業(yè)時人員安全。

3.6.3 充填安全管理

作業(yè)人員應(yīng)嚴格遵守班前會管理制度、交接班管理制度、采空區(qū)管理制度、頂板分級管理制度、敲幫問頂管理制度和安全生產(chǎn)確認制管理制度，加強作業(yè)現(xiàn)場的安全管理，嚴格執(zhí)行“不確認、不生產(chǎn)；確認不合格，不生產(chǎn)”的原則，實現(xiàn)安全確認與監(jiān)管全覆蓋。

4 結(jié)語

針對祁雨溝金礦J4、J5兩個礦體的采空區(qū)進行論證研究，采用分級尾砂進行充填作業(yè)，提出了完善的分級尾砂充填系統(tǒng)。充填主管道敷設(shè)從地表充填站充填料漿出口、經(jīng)由地表充填鉆孔延伸至井下400 m中段，或通過580 m平硐進入J5礦體，再由各個分支管道進入采空區(qū)。確定了充填體強度；完善了充填作業(yè)通訊信號；并制定了合理的管理制度。根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，分級尾砂填充法在采場生產(chǎn)能力、采礦工效、資源回收率、采礦成本等諸多方面均具有較大優(yōu)勢。有效降低了尾砂對土地的占用，保護了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了地下礦山綠色開采，同時消除了地表變形破壞的影響，避免出現(xiàn)地表塌陷，保護了周邊地表建(構(gòu)) 筑物。