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(yán)重的隱患問題，若不采取正確防治措施，往往會(huì)造成地表塌陷、冒頂、透水等一系列事故的發(fā)生，更為嚴(yán)重的是采空區(qū)突然垮塌會(huì)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(jì)的損失，嚴(yán)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(shí)消除采空區(qū)隱患，且成本相對較低，但地表易發(fā)生移動(dòng)和沉陷；充填法控制地表移動(dòng)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(diǎn)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(jì)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(jìn)行防治，實(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(jìn)口量，采礦技術(shù)勢必要得到改進(jìn)，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(shí)或永久保留安全支柱，以支撐頂部巖層，該方法會(huì)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(shí)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(yùn)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(jìn)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(jià)值的角礫巖體有4個(gè)(J4、J5、J6、J2)，角礫巖型金礦體嚴(yán)格受角礫巖體控制，多賦存有一個(gè)到數(shù)個(gè)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(gè)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(jì)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(jìn)行充填處理。

3 采空區(qū)治理措施-分級(jí)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(jìn)行的X衍射分析結(jié)果與滲透性和沉降特性試驗(yàn)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(xì)粒級(jí)含量較多，不適宜直接用于井下充填。分級(jí)尾砂的沉降速度較快，主要是因?yàn)榉旨?jí)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(jí)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(jí)尾砂進(jìn)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(jí)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(jí)與輸送、水泥存儲(chǔ)與輸送、尾砂存儲(chǔ)與輸送、充填料漿制備與輸送。

整個(gè)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(jìn)入J5礦體，然后由分支管進(jìn)入各中段，中段充填管再由分支管進(jìn)入各采空區(qū)上部充填口進(jìn)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(jì)

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(biāo)高為580 m，充填中段標(biāo)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(gè)充填管路長度約為1 200 m。

設(shè)計(jì)自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時(shí)，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計(jì)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(jìn)行計(jì)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(biāo)高為580 m，400 m中段標(biāo)高為400 m，高差為180 m，整個(gè)充填管路長度約為1 200 m，結(jié)合充填倍線的計(jì)算方法，經(jīng)計(jì)算本次充填空區(qū)的充填倍線為6.7。

根據(jù)計(jì)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(biāo)高為580 m，充填中段標(biāo)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(gè)充填管路長度約為900 m。

設(shè)計(jì)自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時(shí)，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計(jì)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(jìn)行計(jì)算。

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

根據(jù)計(jì)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(yùn)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(biāo)高為580 m，充填中段標(biāo)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(gè)充填管路長度約為1 467 m。

設(shè)計(jì)自然壓頭水力管道充填系統(tǒng)時(shí)，為簡便起見，常暫不考慮局阻、無壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)等的影響，而以“充填倍線”來估計(jì)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(jìn)行計(jì)算。

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

根據(jù)計(jì)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(jì)

對于待充采場或待充空區(qū)的密閉，是充填準(zhǔn)備工作一項(xiàng)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(shí)還會(huì)發(fā)生充填料漿淹埋巷道、設(shè)備等嚴(yán)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(dòng)擋墻等多種型式[8，9]。

基于金源公司以往的充填經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(yàn)，擋墻高度以下充填時(shí)設(shè)計(jì)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(jìn)行第二次充填。擋墻高度以上充填時(shí)設(shè)計(jì)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(jìn)行下次充填作業(yè)，以此類推直至整個(gè)采空區(qū)完全充填結(jié)束。

3.5 充填脫水設(shè)計(jì)

在進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，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(dāng)向空區(qū)充填1 m3充填料漿，會(huì)有0.5～0.6 m3水存在，這些水需要從空區(qū)充填體中及時(shí)排出才能形成密實(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)度

膠結(jié)充填時(shí)，在地表充填站進(jìn)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?jǐn)嚢韬蠊嗳朐嚹２⑦M(jìn)行養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度測試交由第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行。設(shè)計(jì)28天抗壓強(qiáng)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(shí)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(shí)人員安全。

3.6.3 充填安全管理

作業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守班前會(huì)管理制度、交接班管理制度、采空區(qū)管理制度、頂板分級(jí)管理制度、敲幫問頂管理制度和安全生產(chǎn)確認(rèn)制管理制度，加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場的安全管理，嚴(yán)格執(zhí)行“不確認(rèn)、不生產(chǎn)；確認(rèn)不合格，不生產(chǎn)”的原則，實(shí)現(xiàn)安全確認(rèn)與監(jiān)管全覆蓋。

4 結(jié)語

針對祁雨溝金礦J4、J5兩個(gè)礦體的采空區(qū)進(jìn)行論證研究，采用分級(jí)尾砂進(jìn)行充填作業(yè)，提出了完善的分級(jí)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(jìn)入J5礦體，再由各個(gè)分支管道進(jìn)入采空區(qū)。確定了充填體強(qiáng)度；完善了充填作業(yè)通訊信號(hào)；并制定了合理的管理制度。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分級(jí)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(hù)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了地下礦山綠色開采，同時(shí)消除了地表變形破壞的影響，避免出現(xiàn)地表塌陷，保護(hù)了周邊地表建(構(gòu)) 筑物。