張莊鐵礦井下充填鉆孔及排水設(shè)施優(yōu)化

劉志勇 王 章 王玉富 田奇志 孫 超3

（1.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司）

高濃度充填工藝在井下礦山應(yīng)用十分廣泛。張莊鐵礦采場充填時頻繁出現(xiàn)豎直充填鉆孔破壞，同時受連續(xù)大流量充填影響，井下采空區(qū)積水過深，料漿容易出現(xiàn)二次稀釋等現(xiàn)象，直接制約礦山安全連續(xù)生產(chǎn)。為解決上述問題，對充填鉆孔破壞原因和采場濾水不良問題進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對措施［1-6］。

1 工程概況

由于礦山生產(chǎn)規(guī)模大，礦體走向長度為2.3 km，為滿足充填料漿自流輸送，在礦體中部下盤位置建造了1座充填站，負(fù)擔(dān)井下采場的充填任務(wù)。充填站有1臺直徑20 m的深錐濃密機(jī)以及3套料漿制備系統(tǒng)，單套制備系統(tǒng)單小時可制備充填料漿180～220 m3，單日充填料漿制備量約5 630 m3，地表充填站制備的68%～70%濃度的料漿經(jīng)充填鉆孔自流輸送至井下采場，井下充填管道為φ180 mm×15 mm的超高分子鋼編織復(fù)合管，雙路管道接入空區(qū)。張莊鐵礦目前正在回采-390 m中段，中段高度為90 m，井下采場分兩步驟回采，一、二步采場寬度分別為15和18 m，礦體中部礦房長度約為100 m，采空區(qū)體積多為10～12萬m3，同時期充填礦房較少，礦房充填生產(chǎn)連續(xù)。

由于充填連續(xù)生產(chǎn)，造成充填料漿在到達(dá)采空區(qū)鑿巖水平底板前，被采場內(nèi)上層積水稀釋，空區(qū)積水量往往在2～5 m，對充填體強(qiáng)度形成十分不利，而且井下現(xiàn)存問題除空區(qū)積水外，充填鉆孔破壞也是一個制約張莊鐵礦連續(xù)生產(chǎn)的重要因素。截至2020年11月，張莊鐵礦已有的7個充填鉆孔中1#、2#、4#鉆孔相繼出現(xiàn)破壞，3個鉆孔破壞位置均位于地表以下120～150 m，該區(qū)域位于張莊礦床第四系含水層內(nèi)，鉆孔破壞勢必會增加井下突水風(fēng)險，而且受到地表工程布置影響，施工充填鉆孔將占用廠區(qū)道路。

2 鉆孔破壞原因及延長壽命措施

2.1 原因分析

為更直觀展示孔壁破壞情況，采用鉆孔成像對2#鉆孔進(jìn)行觀察。管壁主要受施工時鉆孔偏斜程度以及不滿管流等因素影響，在充填料漿輸送過程中，如果沿途阻力損失過小，豎直管道內(nèi)漿液面將處于較低位置，此時，料漿將在豎直管道內(nèi)加速下落，形成不滿管流，導(dǎo)致管壁發(fā)生2種常見破壞，即氣蝕作用破壞與沖蝕作用破壞。在對充填鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)成像時發(fā)現(xiàn)，張莊鐵礦2#充填鉆孔孔壁在標(biāo)高-130 m處出現(xiàn)管道破壞，變形的管壁已經(jīng)彎折導(dǎo)致鉆孔內(nèi)徑變小，且靠近發(fā)生破壞處上方有明顯沖溝，是沖蝕破壞的明顯標(biāo)志（圖1）。

2.2 改進(jìn)措施

若要消除沖蝕破壞影響，則要改變料漿在管道內(nèi)自由下落形成的不滿管流，常規(guī)措施分為3種：

（1）降低管道直徑。在產(chǎn)能不變的情況下，降低管道直徑勢必會增加料漿的輸送速度，管道的摩擦阻力與輸送速度呈正比關(guān)系，與管道直徑成反比關(guān)系，降低管道直徑可實現(xiàn)增加摩阻。

（2）增加管道長度。其原理即在水力坡度一定的情況下增加輸送距離，達(dá)到增加阻力的目的。

（3）提高充填濃度。使輸送水力坡度增大，增加阻力，從而提高豎直管道內(nèi)液位。

張莊鐵礦井下共鋪設(shè)充填管道約7 400 m，重新更換小管徑管道顯然成本較大，故采用上述方式（2）、（3）進(jìn)行試驗。張莊鐵礦充填鉆孔位于礦體下盤進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)，使用超高分子鋼編織復(fù)合管道自鉆孔底部鋪設(shè)兩路充填管道，通過3#穿脈鋪設(shè)到上盤后，再分別沿上盤鋪設(shè)兩路管道到南北兩端部，充填生產(chǎn)時，僅使用單條充填管道進(jìn)行充填，另一條管道作為備用，通過彎頭可將主管路與備用管路連接，達(dá)到延伸水平管道長度的目的。

需要注意的是，不同中段隨施工作業(yè)區(qū)距離鉆孔的距離不斷變化，增加漿體濃度和水平管道長度如果超過一定限度會潛在堵管風(fēng)險，因此，需要對不同濃度的充填料漿進(jìn)行自流輸送指標(biāo)驗算。

2.3 料漿輸送指標(biāo)的計算與選擇

以設(shè)計灰砂比1∶7的充填料漿為例，利用經(jīng)驗公式和現(xiàn)場實驗取得的料漿流變參數(shù)分別驗算不同濃度和流量下自流輸送的可能性。

已知張莊鐵礦選廠全尾砂密度為2.86 t/m3，膠凝材料密度為3.1 t/m3，計算得固體干物料密度為2.89 t/m3，表1中給出了張莊鐵礦全尾砂粒級分布情況，可計算得全尾砂平均粒徑為54.29μm。

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在豎直管道300 m、水平管道1 450 m時，利用《金屬礦山充填采礦法設(shè)計參考資料中》中的金川公式、陜西省水利科學(xué)研究所公式和鞍山黑色金屬礦山設(shè)計院公式3種經(jīng)驗公式以及賓漢體層流阻力公式，分別計算料漿輸送水力坡度和自流輸送指標(biāo)。

張莊鐵礦全尾砂充填料漿相關(guān)流變參數(shù)見表2，各濃度及流量下沿途阻力損失計算結(jié)果見表3。

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如要保證料漿輸送時不發(fā)生管道破壞，以-450 m中段為例，2#充填鉆孔垂直高度為424 m，為了避免破壞位置發(fā)生在張莊礦床含水層附近，需保證漿液面位于含水層正上方，則可以取垂直管道內(nèi)料漿高度H＞294 m，局部阻力損失取10%（經(jīng)驗法），則要保證滿管流時的必要條件為

式中，料漿密度為ρ，t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ip為阻力損失，Pa/m；L為水平管道長度，m。

將H=294 m及表3內(nèi)計算結(jié)果代入上式，得出在不同公式下保證將液面處于沖蝕基準(zhǔn)面上所需管道總長的計算結(jié)果，見表4。

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通過張莊鐵礦充填料漿流變測得的全尾砂充填料漿流變參數(shù)中不難發(fā)現(xiàn)，在濃度從71%上升至73%時，料漿的剛度系數(shù)和初始剪切應(yīng)力急劇增大，料漿沿程阻力損失也發(fā)生本質(zhì)變化，這主要是固體顆粒間及固體顆粒水化作用形成的絮網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，抵抗剪切變形的能力隨之加強(qiáng)，同時沿途阻力損失計算結(jié)果表明濃度和流量越高，料漿在管道中的運(yùn)行阻力越大，輸送過程中沿程阻力損失越多，越不容易實現(xiàn)自流輸送。

在考慮到料漿輸送的同時還應(yīng)考慮料漿制備系統(tǒng)負(fù)荷，地表充填攪拌系統(tǒng)攪拌軸扭矩和制備系統(tǒng)中的易損件消耗量也會隨之增加。因此，在不增加設(shè)備的情況下最大限度地保證高濃度輸送，減少管道沖蝕磨損，根據(jù)以上計算結(jié)果對比現(xiàn)場實際情況來看，選取220 m3/h的輸送流量和70%～72%的充填濃度符合現(xiàn)有充填站制備能力，在濃度以及流量一定的情況下，可以運(yùn)用上述公式對不同充填倍線下的空區(qū)充填進(jìn)行驗算，得出充填管道應(yīng)增設(shè)的長度，從而維持豎直管道內(nèi)液位維持在沖蝕面以上。

3 井下排水優(yōu)化

張莊鐵礦在井下-390 m中段充填采場排水使用φ100 mm鋼絲埋線管，管材上鉆鑿φ10 mm梅花形脫水孔，孔排距為5 cm，外敷尼龍濾布，在采場上下盤分別布設(shè)2根，同時利用T100型中深孔鉆機(jī)于受礦水平提前鉆鑿上向排水孔，孔口安裝敷有100目尼龍紗布的閘閥作為堵漏裝置，待空區(qū)充填積水沒過排水孔時，控制充填速度，使積水一次性排除。在具體實施過程中，除濾水管道自重較大不易下放、濾水管加工復(fù)雜等問題外，還出現(xiàn)了濾水管在下放過程中由于與巷道壁面產(chǎn)生摩擦和采空區(qū)幫部殘礦沖擊造成外敷尼龍濾布損壞的問題，對此，選用一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的管材和外敷材料，是行之有效的解決辦法。盲溝管是一種廣泛用于邊坡路基防滲排水的材料，配合強(qiáng)度較高的尼龍紗布，可以有效隔離尾砂，防止濾水管失效，目前此種工藝可以保障張莊鐵礦連續(xù)大流量充填生產(chǎn)的情況下，采空區(qū)積水降低至1 m以下，較大地保證了充填體的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1）通過水力計算各濃度下、不同流量時張莊礦充填料漿維持在沖蝕基準(zhǔn)面上所需的管道總長度，并對充填料漿自流輸送指標(biāo)進(jìn)行了驗算，因水力計算和流變試驗與現(xiàn)場工業(yè)試驗存在一定差距，為了消除這類影響，可以先選取計算結(jié)果進(jìn)行試驗，適當(dāng)降低管道安裝長度，再定期通過孔內(nèi)成像觀察鉆孔實際磨損情況，不斷修正管道安裝長度和充填濃度，可為張莊鐵礦二期充填提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）在價格相同的情況下，新的濾水管材能夠適應(yīng)井下采空區(qū)連續(xù)充填時的排水需要，實現(xiàn)了將采空區(qū)積水深度降低至1 m以下，解決了以往濾水管排水不暢需要在采空區(qū)增設(shè)排水泵的問題，降低了人員加工濾水管道所需時間和勞動強(qiáng)度，為后續(xù)充填體強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)提供了有利條件。

（3）在后續(xù)礦山施工充填鉆孔時，建議首先根據(jù)礦山地質(zhì)資料或者取心鉆情況編錄第四系含水層位置標(biāo)高，再結(jié)合水力計算延長/縮短充填管道的方式控制鉆孔內(nèi)壁磨損位置，使鉆孔內(nèi)壁不同位置磨損相對均勻，這對延長鉆孔壽命及降低生產(chǎn)投入具有積極作用。