馬鋼礦業(yè)地下礦山充填工藝關(guān)鍵技術(shù)

王 章 祝小龍 紀(jì) 芳 郟 威 劉 康 梁 峰 王南南 劉志勇

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司）

隨著國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來越嚴(yán)格，冶金地下礦山多采用充填采礦方法。充填采礦利用廢石或尾砂等廢棄物充填地下采空區(qū)，可提供有效支撐，防止上下盤圍巖及頂板冒落，有效保護(hù)礦區(qū)地表；還能減少甚至停止礦山廢棄物排放，保護(hù)礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境。高質(zhì)量充填有利于控制采場(chǎng)地壓，避免發(fā)生冒頂、突水、地表塌陷、泥石流、大規(guī)模地壓活動(dòng)等安全事故，保證采礦作業(yè)順利進(jìn)行；靈活的充填采礦生產(chǎn)計(jì)劃，更有利于礦山實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。同時(shí)充填采礦無需保留大量保安礦柱，可最大程度回收地下礦產(chǎn)資源，提升礦井的服務(wù)年限［1-4］。

馬鋼礦業(yè)現(xiàn)有多座地下礦山，均采用充填采礦方法。經(jīng)過多年來充填采礦實(shí)踐，在充填料制備、輸送等方面取得了一定經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在尾礦濃密、充填采場(chǎng)控制等方面尚存在一些問題。

1 充填采礦方法

冶金礦床開采方式主要分為露天開采和地下開采，露天開采礦床埋藏較淺，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性較大；隨著露天開采深度增加，剝巖量不斷增大，地表淺層的礦床開采殆盡，逐步轉(zhuǎn)入深部礦體開采。馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司除南山礦的高村鐵礦、和尚鐵礦礦體埋藏淺，采用露天開采外，和睦山鐵礦、白象山鐵礦、羅河鐵礦及張莊鐵礦因礦體埋藏深，均采用地下開采。

地下開采方法一般有空?qǐng)龇?、崩落法、充填?類?？?qǐng)霾傻V法需要保留大量礦柱，資源回收率低，不能滿足資源充分利用的要求；崩落法要求地表允許崩落，造成地面塌陷，對(duì)環(huán)境影響較大。因此，安徽省已明確要求新建鐵礦采礦采用充填采礦方法。目前馬鋼礦業(yè)所屬和睦山鐵礦、白象山鐵礦、羅河鐵礦、張莊鐵礦4個(gè)地下礦山均采用充填開采，各礦山根據(jù)其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、礦體賦存情況，選擇相應(yīng)的充填采礦方法。和睦山鐵礦礦巖破碎，白象山鐵礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要采用進(jìn)路充填采礦法；羅河鐵礦、張莊鐵礦礦巖穩(wěn)固，礦體厚大、完整，主要采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法（表1）。

2 充填工藝關(guān)鍵技術(shù)

充填采礦工藝主要包括選廠尾礦輸送至充填站濃密，充填料制備、輸送，充填采場(chǎng)管理等，系統(tǒng)工藝流程見圖1。充填料到達(dá)地下采空區(qū)，經(jīng)固結(jié)形成充填體，對(duì)地下采場(chǎng)起到支撐作用，保證地下采礦安全。

2.1 全尾砂濃密

尾礦濃密就是較低濃度的尾砂在絮凝劑的作用下絮凝，排除多余含水量，提升濃度。選礦廠尾礦大井底流全尾砂通過泵壓輸送至充填站，進(jìn)入尾礦濃密裝置（立式砂倉(cāng)或深錐濃密機(jī)）；一定濃度、流量的絮凝劑溶液從濃密裝置頂部多點(diǎn)加入，絮凝劑與尾礦顆粒充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。尾礦性質(zhì)不同，選用的絮凝劑也不同；尾礦粒度不同，絮凝劑的使用量也不同。尾礦絮團(tuán)在重力作用下沉淀，利用高壓氣液或爬架旋轉(zhuǎn)作為造漿動(dòng)力，在濃密裝置底部獲得較高濃度、流量的濃密尾礦?？刂茲饷苎b置內(nèi)料層高度，滿足連續(xù)穩(wěn)定充填要求；同時(shí)避免砂倉(cāng)底部板結(jié)或深錐濃密機(jī)壓耙。砂面上部的澄清水溢流排出供生產(chǎn)循環(huán)使用。尾礦濃密情況見表2。

2.2 充填料漿制備與輸送

充填料漿制備就是將濃密尾砂、膠結(jié)劑、適量水按一定比例混合攪拌而成。膠結(jié)劑一般選用水泥，根據(jù)尾礦粒度、含泥量等性質(zhì)不同，選用礦渣微粉、鋼渣微粉等水泥替代品。濃密尾砂、膠結(jié)劑及補(bǔ)充水經(jīng)各自的供料線進(jìn)入攪拌裝置，補(bǔ)充水根據(jù)需要添加。攪拌采用立式或臥式攪拌機(jī)（攪拌桶），選擇一段或兩段攪拌；兩段攪拌時(shí)間長(zhǎng)，充填料漿會(huì)更加均勻、流動(dòng)性更好。充填料漿制備情況見表3。

充填料漿輸送可以采用自流輸送或泵壓輸送。馬鋼礦業(yè)地下鐵礦充填倍線小，均采用自流輸送。充填料漿進(jìn)入充填料下料斗，通過充填鉆孔及井下充填管網(wǎng)自流輸送至井下采場(chǎng)空區(qū)進(jìn)行充填。垂直鉆孔轉(zhuǎn)水平管路同徑或變徑連接，充填鉆孔內(nèi)置高錳鋼管，孔口段套管一般放置無縫鋼管；水平管路一般采用耐磨復(fù)合鋼管，進(jìn)入礦房使用PE高分子聚合管。充填料漿輸送情況見表4。

2.3 充填采場(chǎng)控制

地下采空區(qū)充填過程控制包括充填前對(duì)采空區(qū)三維空間進(jìn)行探測(cè)、對(duì)各出口進(jìn)行封堵，充填過程中做好排氣、排水，充填結(jié)束后充填體強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求。充填采場(chǎng)控制情況見表5。

（1）采空區(qū)探測(cè)。階段或分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V一般采用一步開采—充填空區(qū)—二步開采，一步開采結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行采空區(qū)實(shí)測(cè)，為空區(qū)充填及二步回采設(shè)計(jì)（穿孔爆破等）施工提供依據(jù)。采空區(qū)一般采用三維（CMS）探測(cè)，實(shí)測(cè)采空區(qū)三維形態(tài)。

（2）采場(chǎng)封堵。采空區(qū)充填前對(duì)礦柱底部切割巷道、出礦巷道等端部進(jìn)行封堵，在保證安全的前提下，出礦巷道封堵盡量靠近采空區(qū)一側(cè)，若出礦眉線破壞過多影響到二步驟開采礦房一側(cè)，可開掘出礦巷道內(nèi)部分充填體。

（3）采場(chǎng)排氣、排水。在采場(chǎng)頂部布設(shè)排氣管；在采場(chǎng)切割巷道端部封堵過程中，根據(jù)采場(chǎng)規(guī)格在下、中、上部不同位置布置排水管，析出水由水溝或放水孔排走。礦房頂部稍有傾斜、靠近下盤稍低，泌水由下盤側(cè)濾水管放出，上盤側(cè)排氣。排水管前期排清澈水，后期濾水變渾濁說明基本接頂，則停止充填。上盤排氣管出砂表明基本接頂，則停止充填。

（4）充填體強(qiáng)度。實(shí)踐中多采用類比法確定充填體強(qiáng)度范圍，根據(jù)具體礦巖力學(xué)性質(zhì)、回采順序、采礦方法、充填體作用及暴露時(shí)間等確定具體充填體強(qiáng)度。分段或階段空?qǐng)龀涮铙w規(guī)模大，強(qiáng)度較分層充填要求高。分步開采采場(chǎng)一步驟充填體強(qiáng)度較大，二步驟強(qiáng)度較小。垂直方向上分層充填，底層及頂層強(qiáng)度較大，中間層強(qiáng)度較小。

2.4 充填成本管理

充填成本主要包括人工費(fèi)用、膠結(jié)劑、其他耗材費(fèi)用等，其中膠結(jié)劑占70%以上，應(yīng)盡可能降低充填成本。采場(chǎng)分層充填，采用不同的充填配比，在滿足充填體穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上控制充填成本。成本情況見表6。

綜合分析馬鋼礦業(yè)4個(gè)礦山充填成本情況，得知羅河鐵礦、張莊鐵礦膠結(jié)劑消耗大，綜合成本相對(duì)較高；和睦山鐵礦、白象山鐵礦其他耗材成本高，主要是絮凝劑使用量大。羅河鐵礦、張莊鐵礦需要進(jìn)一步細(xì)化采場(chǎng)分層、分區(qū)充填環(huán)節(jié)，盡可能降低綜合充填配比，減少膠結(jié)劑使用量，降低綜合成本；和睦山鐵礦、白象山鐵礦需進(jìn)一步探索，尋求最優(yōu)絮凝劑的用量，包括絮凝劑溶液濃度、流量及添加方式等，既滿足絮凝效果、又確保使用量最小。

3 存在問題及應(yīng)對(duì)舉措

通過對(duì)馬鋼礦業(yè)4個(gè)礦山開展的充填采礦工藝分析，針對(duì)不同礦山存在的問題，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)舉措，具體如下：

（1）和睦山鐵礦、白象山鐵礦采用砂倉(cāng)進(jìn)行尾砂濃密，結(jié)底比較嚴(yán)重。立式或臥式砂倉(cāng)尾砂需要人工定期清理結(jié)底，工作量大。現(xiàn)場(chǎng)采取多項(xiàng)舉措，一是擴(kuò)大臥式砂倉(cāng)造漿范圍，避免或減少死角；二是多點(diǎn)添加絮凝劑，提高絮凝效果，充分發(fā)生絮凝作用；三是壓氣造漿，料漿保持動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)控制造漿動(dòng)力，防止溢流水跑渾。

（2）張莊鐵礦充填體泌水較多。通過開展技術(shù)攻關(guān)得出以下舉措，一是在采場(chǎng)切割巷道端部封堵過程中，根據(jù)采場(chǎng)長(zhǎng)度在不同位置多點(diǎn)布置濾水管、排水管，濾水管采用新型材料制成，透水性好，及時(shí)將泌水排出；二是提升充填料漿濃度，降低采場(chǎng)充填體泌水率。

（3）白象山鐵礦充填體不易凝固。經(jīng)分析主要原因是尾砂顆粒細(xì)、含泥量高，充填料漿濃度低，不易脫水，井下采場(chǎng)充填體不易凝固成形。采取兩方面舉措，一是采用兩級(jí)攪拌，保證尾砂與膠結(jié)劑充分反應(yīng)，二是充填料漿在采場(chǎng)充分泌水，縮短充填體初凝時(shí)間，盡快固結(jié)，滿足連續(xù)充填采礦要求。

（4）羅河鐵礦、張莊鐵礦采場(chǎng)規(guī)格大，充填體穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。大規(guī)格采場(chǎng)充填體垮落時(shí)有發(fā)生，應(yīng)對(duì)舉措：一是一步驟采場(chǎng)充填嚴(yán)格按設(shè)計(jì)組織穿爆作業(yè)，保證采空區(qū)尺寸規(guī)整；二是二步驟開采采取控制爆破，減輕對(duì)充填體影響，可預(yù)留部分礦壁支撐充填體，避免或減少充填體垮落，降低礦石損失貧化。