某小型礦山老采空區(qū)三維掃描及充填方案研究

夏鋼源 李樹建，2 劉 娉 王孟來，2 陸玉根

（1.云南磷化集團有限公司；2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

某小型螢石礦礦區(qū)地處閩北山區(qū)，地形屬于低山地貌，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，地表風(fēng)化較強，基巖露頭較差。礦山開采礦種為普通螢石，生產(chǎn)規(guī)模6 萬t/a，開采方式為地下開采，豎井+平硐開拓方式。礦山一直采用空場法進行回采，采場內(nèi)留設(shè)頂?shù)字?，沿走向相鄰采場留設(shè)礦柱，隨著多年開采，目前已形成各水平采場及采空區(qū)，其中主井兩側(cè)近地表形成了較大范圍的采空區(qū)，若采空區(qū)發(fā)生垮塌將影響主井使用。礦山如果繼續(xù)在下部開采，礦區(qū)近地表將形成的塌陷區(qū)范圍在強降雨條件下可能進一步擴大，部分降雨易流入塌陷區(qū)，對下部中段的生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為掌握井下采空區(qū)的分布及形態(tài)，本研究對可探測的空區(qū)首先采用先進的空區(qū)探測設(shè)備進行空區(qū)掃描得到空區(qū)的準(zhǔn)確形態(tài)；再結(jié)合掃描及推測的空區(qū)形態(tài)位置采用超高水材料進行充填處理。

1 井下空區(qū)掃描

本研究采用Maptek I-Site SR3 型三維激光掃描儀重點針對主井兩側(cè)近地表形成的較大范圍的采空區(qū)進行探測掃描，若采空區(qū)發(fā)生垮塌將影響主井使用。248 m 水平以下可進入探測掃描的區(qū)域為233 m水平，該水平掃描空區(qū)有2 個分別為233-1 空區(qū)與233-2空區(qū)（圖1）。

空區(qū)平面分布如圖2 所示。經(jīng)計算：233-1 空區(qū)體積約4.5 萬m3，233-2 空區(qū)體積約2.2 萬m3，可見空區(qū)已不同程度塌陷，距離主井最近處已不到20 m。

2 高水充填原理

超高水充填材料是一種水體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)97%（水灰比為11∶1）的礦用新型充填材料；以固化“水”為主要支撐體系［1-3］。近年來，該型材料在礦山充填開采和防滅火方面得到了應(yīng)用。該型材料一般由A、B 兩種物料組成，為了更好地滿足井下充填的強度需求，可采用A 料與B 料相互搭配使用。A 料主要由礦石、鋁土等單獨煉制，搭配復(fù)合超緩凝分散劑制成；B料采用石膏、石灰以及復(fù)合速凝劑配比而成。

礦山充填可選擇性材料較少。以鈣礬石為主的超高水充填材料混合物水化產(chǎn)物的出現(xiàn)，則有效解決了該問題。原因在于鈣礬石通?？梢源罅课罩車郑D(zhuǎn)化為自身的結(jié)晶水。在水化結(jié)晶的過程中，體系的膠粒不斷變小，由于結(jié)晶過程中，結(jié)晶動力大于膠體動力，則導(dǎo)致晶粒不斷增大，最后形成了一個堅固的鈣礬石網(wǎng)狀形骨架。這種網(wǎng)狀形骨架吸水能力極強，可以使?jié){體快硬化。該類極高的凝結(jié)性和固水率特性，極其適合于礦山充填。

超高水充填材料的強度特性為：

（1）強度可隨意調(diào)節(jié)，能速凝早強。采空區(qū)、破碎礦廢石縫隙以及采場暴露期有很多新裂隙，只要通過科學(xué)配比參數(shù)，就可以讓A料和B料在保證其自身流動性能不變的情況下，又能夠讓A料和B料在混合時，可以對這些裂隙進行較好地充填。尤其是這種超高水材料混漿可在3～30 min 內(nèi)快速凝結(jié)。其固結(jié)體即使只有1 d 抗壓強度，最終也能達(dá)到50% 以上，7 d 最終抗強度可到95%。隨著這2 種材料配比的改變，其單軸抗壓強度最高可達(dá)12 MPa以上，最低也有0.1 MPa左右。

（2）再膠結(jié)與強度再生性。超高水材料的再膠結(jié)與強度再生特性十分有優(yōu)勢。普通的材料往往達(dá)到固結(jié)體極限，便會斷裂而無法使用。超高水材料則完全不同，隨著外力不斷增加，原本被壓密的孔隙，在達(dá)到固結(jié)體屈服極限時，便會造成一部分枝狀晶斷掉，但是當(dāng)承壓穩(wěn)定后，斷裂的晶體就能再生，會將之前斷掉的枝狀晶體修復(fù)好，強度優(yōu)勢愈加明顯。

（3）“喜水性”及微膨脹性。超高水材料的“喜水性”表現(xiàn)在：當(dāng)A、B 料固結(jié)體浸泡在水中時，會持續(xù)發(fā)生發(fā)應(yīng)，使材料強度不斷增強，網(wǎng)狀密度不斷加大，這是由于固結(jié)體內(nèi)有部分A、B 材料未被完全水化所致。作為較理想的充填材料，超高水材料形成的固結(jié)體體積不會縮小，反而會隨著反應(yīng)的變化，呈現(xiàn)微膨脹的趨勢。

3 礦山充填方案研究

目前該螢石礦井下空區(qū)較多分布較復(fù)雜，形成時間較長，且界線不明確，空區(qū)間的礦柱及巷道大多冒落塌陷，且礦山無選廠缺乏尾砂等充填材料。這種條件下比較適合進行超高水充填，該系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、布置靈活、占地少、自動化高、充填效果好等特點，通過在井口布設(shè)一套超高水充填站，確定好充填空區(qū)位置后由地表鉆充填孔至空區(qū)，制漿混合后經(jīng)充填鉆孔下放至空區(qū)內(nèi)。由于充填體水的體積占比可達(dá)97%，可大大節(jié)省充填材料，有助于解決目前礦山無充填材料的問題，同時漿體流動性好，可充分填充各個聯(lián)通采空區(qū)、破碎巖體縫隙。充填體具有不可壓縮的性能，可充填至空區(qū)頂板，能很好地控制地表沉降變形，也能有效避免空區(qū)內(nèi)巖體冒落對井下造成的地壓災(zāi)害。目前，礦山采空區(qū)內(nèi)不同程度地留存著部分礦石，首先充填的漿液將與礦石混合，未來下部回收礦石時，礦石與充填體將一同放出，只需堆置在地表一段時間，礦石與充填體即可自動分離，確?；厥盏V體安全。

本研究設(shè)計的一套超高水材料充填系統(tǒng)由A、B系統(tǒng)構(gòu)成，2 套設(shè)備完全相同，將其布設(shè)于空區(qū)上部工業(yè)場地。每條生產(chǎn)線都是由攪拌主機、配料裝置、卸料裝置、氣路控制系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)等構(gòu)成。將A 料漿體和B 料漿體首先在地表充分混合，然后鉆孔到下方至空區(qū)，完成充填。制漿過程為：將A 料、B 料以及水分別送入A料漿體攪拌機和B料漿體攪拌機，將A 料和B 料分別與水充分混合，再分別進行儲存。按照1∶1 比例將A 漿與B 漿進行混合，就能得到超高水充填漿體。在地表鉆孔，將超高水充填漿由成品儲漿裝置中，下放至充填空區(qū)。具體工藝流程如圖3所示。

配比攪拌工藝過程為：①上料稱料。A、B料通過泵車泵送至各自的料倉中，水經(jīng)過水泵泵送到水稱重斗中。②放料。首先確定各種物料的上料稱重過程是否已完成，再判斷攪拌機處于空機狀態(tài)并且下料口為關(guān)閉。同時滿足上述2種狀態(tài)時，打開卸料閥將稱量好的各種物料快速投放到攪拌機內(nèi)。③攪拌。④放漿。當(dāng)攪拌過程完成，攪拌機的放料口自動打開，將攪拌好的漿體放入料漿緩沖斗內(nèi)，漿體通過輸送管道自流到地表充填鉆孔［4］。

綜合考慮生產(chǎn)能力、目前充填水源供給方式，新建的超高水充填站的充填能力為200 m3/h。設(shè)計該套設(shè)備的總裝機功率為2×200 kW，380 V電壓，系統(tǒng)主要由上料各系統(tǒng)、制漿各系統(tǒng)、卸料各系統(tǒng)級儲漿系統(tǒng)組成，可完全自動化控制，在相同時間內(nèi)制出相等量的A和B料漿體。其中上料系統(tǒng)由粉料倉、粉料配料裝置、水稱重裝置構(gòu)成，制漿系統(tǒng)由2 臺攪拌主機組成。卸料裝置由卸料裝置由翻板結(jié)構(gòu)、驅(qū)動氣缸、粉料滴管等結(jié)構(gòu)組成。A、B2 種料漿通過混合三通混合后下放至地表充填鉆孔內(nèi)?；旌锨暗妮斔凸懿捎眯吞枮棣?00 mm×1.65 MPa 的PE 管，混合管采用型號為φ130 mm×1.65 MPa 的PE 管?；旌先榕涮仔吞柕漠悘絇E混合三通。

根據(jù)該充填能力，目前威脅最大、影響地表和主井安全的233 m水平兩大采空區(qū)不到2個月即可全部充填完畢，保證地表建構(gòu)筑物和人員的安全。

4 結(jié) 論

（1）采用三維激光掃描技術(shù)對空區(qū)進行精準(zhǔn)探測，確定空區(qū)形態(tài)位置，再配合建設(shè)成本低、布置靈活、占地少、自動化程度高的超高水充填工藝對采空區(qū)進行充填，是解決小型礦山老空區(qū)處理問題的有效途徑。

（2）針對某小型螢石礦井下空區(qū)面臨的分布復(fù)雜、形成時間較長、界線不明確、大多冒落塌陷，且礦山無選廠缺乏尾砂等充填材料等的問題，研究采用超高水充填工藝，所構(gòu)建的充填系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、布置靈活、占地少、自動化高、充填效果好的特點，可通過井口布設(shè)一套超高水充填站，確定好充填空區(qū)位置后由地表鉆充填孔至空區(qū)，制漿混合后經(jīng)充填鉆孔下放至空區(qū)內(nèi)。

（3）針對小型螢石礦充填現(xiàn)狀，設(shè)計新建的超高水充填站的充填能力為200 m3/h。設(shè)備的總裝機功率為2×200 kW，380 V 電壓，系統(tǒng)主要由上料各系統(tǒng)、制漿各系統(tǒng)、卸料各系統(tǒng)級儲漿系統(tǒng)組成，完全實現(xiàn)自動化控制。根據(jù)該充填能力，目前威脅最大、影響地表和主井安全的233 m水平兩大采空區(qū)不到2個月即可充填完畢，有效確保了地表建（構(gòu)）筑物和人員的安全。