江南某銅礦采空區(qū)充填方法的應(yīng)用分析

周國慶

（江西省煤礦設(shè)計院，江西 南昌 330000）

1 工程概況

江南某銅礦始建于1978年，礦區(qū)面積約0.3715km2。至今已有近30年開采歷史，礦山采用斜井開拓方式，現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模為90kt/a。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件較好，地形坡度均小于40°，自然狀態(tài)下山體穩(wěn)固，無滑坡、塌方危害。礦區(qū)工程地質(zhì)條件中等，礦體及其底板巖體均屬堅硬完整穩(wěn)固型巖層，頂板為半堅硬巖層。但礦體及其頂、底板受地層不整合面控制，降低圍巖強(qiáng)度，導(dǎo)致地下水活動加強(qiáng)，損害了其穩(wěn)定性，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，因此，在地下開掘過程中應(yīng)加強(qiáng)頂?shù)装寮庸?，合理留設(shè)礦柱，以防坑道冒頂邊邦等安全事故發(fā)生。礦山原有的尾礦庫已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的庫容量，尾礦堆放嚴(yán)重制約礦山生產(chǎn)能力發(fā)揮，礦山增加配套干排工藝，干排的尾礦堆放嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，同時也存在較大安全隱患。考慮到上述因素，礦山于2017年建立地面尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，將現(xiàn)有干排尾礦充填井下采空區(qū)、有效回填尾礦，避免尾礦庫的建設(shè)。

2 礦山充填系統(tǒng)工藝分析

礦山目前+40m～-150m中段已形成近23×104m3采空區(qū)，主要開采Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體。雖然采用淺孔留礦開采，且礦體頂?shù)装鍘r性較好，舊采空區(qū)未做任何處理，隨著采空區(qū)范圍擴(kuò)大，頂空時間延長，礦柱超載破壞，已導(dǎo)致巖層崩落，波及至地表，形成地表塌陷。隨著礦山進(jìn)一步向深部開采，地壓顯現(xiàn)增強(qiáng)影響，采空區(qū)圍巖活動加劇，礦石貧化率加大，預(yù)留礦柱則浪費(fèi)資源較多。同時，現(xiàn)有的尾礦庫已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的庫容量，雖已增加配套干排工藝，干排的尾礦堆放嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的環(huán)境，考慮到以上因素，礦山將干排尾礦充填井下老采空區(qū)、進(jìn)行尾礦回填。

2.1 充填站場地總平面布置

由于礦區(qū)采用斜井開拓方式，有主斜井工業(yè)場地和斜風(fēng)井工業(yè)場地兩個工業(yè)場地。礦山主要生產(chǎn)系統(tǒng)在主斜井工業(yè)場地，選礦廠、尾砂庫等均在斜風(fēng)井工業(yè)區(qū)場地，為便于地面制漿和充填管路布設(shè)，充填站廠址設(shè)置斜風(fēng)井工業(yè)場地。

充填站工業(yè)場地總平面布置從考慮滿足生產(chǎn)工藝要求，利于安全生產(chǎn)；場內(nèi)外布置協(xié)調(diào)，盡量壓縮場內(nèi)運(yùn)輸線路及管線長度，并符合現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范要求；盡量避開工程地質(zhì)不良地段，結(jié)合地形地貌，采取合理的豎向布置形式，減少土石方工程量。充填站位于斜風(fēng)井工業(yè)場地西側(cè)，沿東西走向布置，采用為地面集中式布置，站內(nèi)設(shè)尾砂供砂斗倉和一個水池。水從水池經(jīng)管道定量自流入攪拌桶；尾砂經(jīng)定向振篩機(jī)處理后裝進(jìn)斗倉，再由電磁振動給料機(jī)喂料給膠帶皮帶機(jī)，然后通過漏斗進(jìn)入攪拌桶；散裝水泥用水泥罐車壓送至水泥倉，出料為稱重式螺旋給料機(jī)按一定灰砂比定量放入攪拌桶；再由高濃度攪拌桶將水、尾砂和干水泥混合攪拌制成漿體，攪拌均勻后通過管道自流至井下采空區(qū)充填。

2.2 充填膠結(jié)料配比

充填系統(tǒng)主要是利用目前尾礦庫及干排尾砂充填采空區(qū)，根據(jù)安裝設(shè)備能力，按60m3/h充填能力考慮，充填膠結(jié)料量為100kt/a。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行8h需要配制和輸送料漿480m3。按照灰料比1:8計算，料漿濃度65%左右，漿體密度取1.9t/m3。參照有關(guān)配比數(shù)據(jù)見表1。

表1 膠結(jié)料配比參數(shù)表

2.3 充填系統(tǒng)工藝的組成

采用尾砂、水泥、水等作為充填材料，地面制漿，管道輸送至井下采空區(qū)。礦山已完成施工，并已竣工，進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)，試運(yùn)轉(zhuǎn)比較理想。其充填工藝見下圖所示。

圖1 充填工藝圖

整個工藝流程全部采用自動化控制系統(tǒng)及電視監(jiān)控系統(tǒng)組成，以此實現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的操作與管理。

3 礦山充填材料選擇及其充填實施

3.1 充填材料選擇

充填材料分為干式、水砂和膠結(jié)充填材料三種。干式充填材料一般可利用井下坑道掘進(jìn)的廢石，但來源有限滿足不了充填的需要，為此要開辟專用采場開采廢石滿足充填的需要；水砂充填材料有尾砂、河砂、破碎砂等，水砂充填材料除對化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定及顆粒本身要有一定的強(qiáng)度外，對滲透性能有較嚴(yán)格的要求，以期及時脫水便于進(jìn)行回采工作；膠結(jié)充填材料主要由膠結(jié)材料、骨料和水三部分組成。

該銅礦選廠有大量尾礦排出，現(xiàn)有尾礦庫逼近服務(wù)年限，為此，礦山增加了配套干排工藝。尾礦干堆場已有大量干尾礦堆積，為消除尾礦及尾礦次生的污泥、濁水、粉塵等對地表的環(huán)境污染，因此，膠結(jié)充填材料中骨料采用選廠尾礦。充填站運(yùn)行前期采用尾礦干堆場的尾礦做為充填骨料，后期直接采用濃密后的尾礦漿再添加部分干尾礦作為充填骨料。在項目周邊，有兩家水泥企業(yè)，水泥有325～425號普通硅酸鹽水泥。采用水泥作為膠結(jié)材料，運(yùn)輸成本低，結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)有條件考慮，膠結(jié)材料選用普通硅酸鹽水泥（32.5水泥）。因此，確定充填材料為普通硅酸鹽水泥、尾礦、水。

3.2 采空區(qū)充填過程

該銅礦充填系統(tǒng)充填管路從+150充填站沿28°斜風(fēng)井至+40標(biāo)高（長約250m），之后沿+40m中段水平巷道至采空區(qū)待充填區(qū)（長約310m），初期充填管道總長度約560m。根據(jù)采掘工程平面圖+40～-150m標(biāo)高Ⅱ號礦體采空區(qū)體積約為12.3×10m4。目前礦山井下采掘作業(yè)區(qū)在-150m中段Ⅰ號礦體，充填作業(yè)在Ⅱ號礦體+40～-150m采空區(qū)，Ⅱ號礦體與Ⅰ號礦體平距35m，中間相隔22.5m礦柱。既能做到采充作業(yè)互不干擾，又能保證采掘作業(yè)與充填作業(yè)人員安全。

3.2.1 充填步驟

充填前先對待充填區(qū)進(jìn)行整理，做好待充填區(qū)的密閉工作，使整個待充填區(qū)與周邊所有井巷隔開，以防止充填料的流失，造成污染和安全事故；在充填系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，即可開始充填工作。充填開始時，系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備的系統(tǒng)自檢，準(zhǔn)備充填，先向管路中充水，充分滑潤管路內(nèi)壁，減少似膏體的沿程阻力；然后，通過截流閥的作用，將斜管充滿水。工作完成后，密閉隔墻及濾水設(shè)施檢查合格后，即可開始充填。首先試充，未發(fā)現(xiàn)密閉工程有漏洞時，方可正式充填。然后，密閉隔墻的濾水管在開始充填前關(guān)閉，待澄清后，再打開放水。并根據(jù)采場的長度每間隔10～15m設(shè)置一個下料點(diǎn)，每個下料點(diǎn)設(shè)一個三通，以便將引管水或清洗水引入巷道排水溝，不進(jìn)入充填區(qū)。再次，采用分期充填采空區(qū)，第一次充填料充填打底高度1.0～1.5m，三天后進(jìn)行第二次充填，待凝固的充填高度超過擋墻頂部以后可進(jìn)行連續(xù)充填。為了讓充填體進(jìn)行排水和養(yǎng)護(hù)，第一次充填料充填達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度(2.0MPa)再進(jìn)行第二次充填。最后，為保證充填接頂，可將充填下料處通道排頂1.0～1.5m或由上方打孔，使充填料自流接頂，充滿采場，根據(jù)情況進(jìn)行復(fù)充。

3.2.2 井下充填工藝

（1）空場嗣后充填方法：在礦房采完后，砌筑充填擋墻進(jìn)行充填，充填管路從斜風(fēng)井至+40m回風(fēng)中段的充填聯(lián)絡(luò)巷，進(jìn)入采空區(qū)充填。下部充填體灰砂比為1：4～1：6，過渡層2m充填體灰砂比為1：8，其他充填體灰砂比為1：12。

嗣后充填方法相對簡單，將與外部相通的下部出礦、鑿巖、聯(lián)絡(luò)巷等封堵后，即可從上部放料充填。為便于充填體養(yǎng)護(hù)和濾排水，避免過高的放料口對正在發(fā)生固化反應(yīng)的充填體造成沖擊破壞，應(yīng)分段設(shè)置放料口進(jìn)行分段充填。

本礦充填線路初期充填培線為4.95，后期充填培線為4.22，因充填倍線不大，充填料漿濃度能達(dá)到結(jié)構(gòu)流狀態(tài)，充填料漿在井下采空區(qū)中有少量水需要排出。正?；夭蓵r，空場嗣后充填采礦法采場在充填回風(fēng)中段下放脫水管至出礦進(jìn)路的充填擋墻中。脫水管為塑料波紋管，直徑φ100mm，管壁均勻鉆鑿φ8mm孔，鉆孔梅花型布置，然后用濾布及麻袋布包裹，再用鐵絲綁扎牢靠。脫水管采用管卡固定在鋼絲繩上。脫水管鋼絲繩固定回風(fēng)穿脈的錨桿上。架設(shè)脫水管時，施工人員需系好安全帶，作業(yè)場地照明良好。

（2）充填體固化強(qiáng)度標(biāo)號：采空區(qū)充填為分期充填，為防止跑漿，減少充填體對隔墻的壓力，第一次充填料充填打底高度1～1.5m，三天后進(jìn)行第二次充填，待凝固充填高度超過擋墻頂部后可進(jìn)行連續(xù)充填。為讓充填體進(jìn)行排水和養(yǎng)護(hù)，第一次充填料充填灰砂比1：6，第二次充填料充填灰砂比1：8～12，第一次充填料充填達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度（2.0MPa）再進(jìn)行第二次充填，設(shè)計第一次充填料養(yǎng)護(hù)7d后，再進(jìn)行第二次充填。

（3）擋墻設(shè)計：本設(shè)計采用10號空心磚砌筑隔墻。擋墻采用空心磚砌筑擋墻厚度均為60～80cm，當(dāng)斷面超過8m2時，需適當(dāng)加厚擋墻厚度或砌筑墩子。擋墻表面用C20噴砼支護(hù)（支護(hù)厚度d=50mm)。擋墻砌筑須堅固可靠，噴砼須嚴(yán)實，要求無縫隙，要求對擋墻周圍1m范圍處噴砼，以防漏水、漏漿；或在擋墻基礎(chǔ)上采用鋼模復(fù)合板做擋墻材料。擋墻上另設(shè)2～3個用濾布包裹的φ100mm舊鋼管，用于初期充填時擋墻輔助脫水，脫水管位置距巷道底板不能低于1.0m。

充填擋墻的砌筑一般在采空區(qū)充填前三天完成，擋墻砌筑完畢后，附近采場爆破作業(yè)時應(yīng)做好防護(hù)工作，以避免爆破沖擊波破壞擋墻。開始充填時，一次充填高度控制在1m，待充填體凝固后方可繼續(xù)充填，以防充填擋墻受力過大。充填面超過充填擋墻最高點(diǎn)后，一次充填高度可為2m，但以充填面不積水為原則。

（4）濾水和排水：由于充填空區(qū)不能進(jìn)人，預(yù)設(shè)濾排水系統(tǒng)較困難，似膏體膠結(jié)充填的技術(shù)難題是濾水和排水。其排水渠道主要是擋墻反濾排水、圍巖裂隙排水和上層泌水排水。且由于配料不同，充填料漿均不同程度地存在泌水現(xiàn)象，根據(jù)膠結(jié)料添加量不同及充填料漿濃度不同，泌水量變化較大，通常將料漿沉降水體積占總用水體積的百分比作為考核指標(biāo)：

即 泌 水 率（ν=W泌出水/W總水×100%），泌 水 率 一 般 為8%～10%，泌水排水量按10%考慮，濾排水時間要求不超過20h。

為加速濾排水，在保證安全情況下，從與空區(qū)連通的上部巷道分段安設(shè)若干與排水擋墻反濾層相同的濾水籠子或濾水管。

（5）充填接頂：為提高接頂效果，采用預(yù)先設(shè)計安裝排空管道，實行最高位的排水與排漿，以此達(dá)到充填體的有效接頂；同時，制備專用的接頂充填料等。

4 結(jié)論

（1）高濃度全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)利用礦山堆料場的尾砂，采用成熟可靠的工藝與設(shè)備，技術(shù)上是可行的。

（2）充填站建成投產(chǎn)后，及時對井下采空區(qū)進(jìn)行充填，消除地壓災(zāi)害，既保證采礦安全又保護(hù)地表不坍塌；同時工業(yè)廢渣─尾礦得到充分有效地利用，節(jié)約了因尾砂庫而擠占的大量土地資源，做到真正意義上的無廢開采，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會環(huán)境效益。