破碎頂板垮塌采場膠結(jié)充填治理*

張?jiān)鰬c,魏曉明,楊燦顯,顧攀,趙亮

(1.保山金廠河礦業(yè)有限公司,云南 保山市 678001;2.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160)

0 前言

云南金廠河多金屬礦Zn V3 礦體為緩傾斜礦床,上、下盤圍巖為破碎大理巖,礦石為較為穩(wěn)固的矽卡巖,采用大直徑深孔側(cè)向崩落嗣后充填法采礦[1-2],年產(chǎn)礦石70萬t。切頂硐室采用錨網(wǎng)噴砼+砂漿長錨索進(jìn)行支護(hù),支護(hù)工程量大。采場掏槽及側(cè)向崩落礦石作業(yè)過程中,爆破振動(dòng)較大,加之采場回采周期較長,破碎頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)極大,礦山根據(jù)采礦設(shè)計(jì)逐步回采礦體,出現(xiàn)21#、23#、25#、27#四個(gè)采場頂板不同程度冒頂,冒落圍巖覆蓋于礦石之上,造成礦石貧化,加大了出礦難度。

目前,金廠河多金屬礦處于一步驟大規(guī)模開采階段,21#采場垮塌量為13 191 m3,23#采場垮塌量為2964 m3,25#采場垮塌量為330 m3,27#采場垮塌量為3701 m3,21#采場頂板垮塌情況如圖1 所示。嚴(yán)重制約了礦山一步驟礦房采場安全高效回采,也將影響后續(xù)的二步驟礦柱采場的回采[3-4]。

尤其21#采場在第17次側(cè)崩落礦時(shí)出現(xiàn)頂板大面積冒落,破壞了1810中段1#充填平巷。冒落圍巖覆蓋了6#、7#、8#、9#出礦進(jìn)路,覆巖內(nèi)含有較多鋼筋網(wǎng)、錨桿及長錨索,采場底部存窿礦石無法進(jìn)一步清掃,造成損失。礦山隨即研究對(duì)空區(qū)進(jìn)行緊急密閉充填。充填過程中,伴隨周邊采場落礦振動(dòng)的影響,頂板冒落范圍繼續(xù)擴(kuò)大,冒頂區(qū)最高點(diǎn),超出充填平巷高度27 m,正?？楷F(xiàn)有的充填平巷、充填鉆孔、充填回風(fēng)井無法充填接頂。圖2是21#采場空區(qū)不同時(shí)期的掃描模型(4 次掃描顏色標(biāo)識(shí)見電子版)。

圖2 21#空區(qū)不同時(shí)期的掃描模型

1 頂板垮塌采場充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1.1 一步驟膠結(jié)充填體強(qiáng)度計(jì)算

金廠河多金屬礦破碎頂板采場基本分布在17#至30#采場之間,階段高度平均為40 m,寬度為15 m,長為礦體水平厚度,平均為120 m,兩步驟連續(xù)回采。本次一步驟采場膠結(jié)充填體強(qiáng)度計(jì)算采用Mitchell公式及礦冶科技集團(tuán)有限公司三維力學(xué)模型及安慶經(jīng)驗(yàn)公式[5-6],安全系數(shù)取2.5,計(jì)算結(jié)果分別為1.07 MPa、1.39 MPa和1.24 MPa,因此,選取理論計(jì)算結(jié)果1.39 MPa(最大值)作為一步驟膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求。

根據(jù)礦山采礦工程布置,一步驟膠結(jié)充填體內(nèi)后期需要施工巷道工程,因此,一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部兩部分,塹溝出礦底部結(jié)構(gòu)高為9 m,中上部高度為29.8 m,其中底部強(qiáng)度為3.0 MPa,中上部強(qiáng)度根據(jù)理論計(jì)算降低為1.1 MPa,充填體強(qiáng)度分布如圖3(a)所示。

圖3 21#采場膠結(jié)充填體強(qiáng)度分布

由于頂板垮塌采場中含有大量破碎大理巖,考慮到一步驟膠結(jié)充填體穩(wěn)定性,本次對(duì)垮塌后采場充填體整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為3.0 MPa(見圖3(b)),后期還應(yīng)對(duì)采場底部廢石膠結(jié)充填體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

1.2 充填配比試驗(yàn)及強(qiáng)度測試

(1) 測試方案。充填配比試驗(yàn)所用材料為金廠河礦全尾砂,膠結(jié)劑為礦冶科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的新型膠凝材料。結(jié)合礦山深錐濃密機(jī)底流濃度,充填配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72%和74%四組;灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10 五組,每組試驗(yàn)進(jìn)行7 d、28 d 齡期的強(qiáng)度測試。

(2) 測試結(jié)果與分析。充填試塊達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后,開展強(qiáng)度測試,結(jié)果見表1。

表1 充填試塊強(qiáng)度測試結(jié)果 MPa

由表1可知,采用新型膠凝材料制備充填體,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,充填體強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定,充填體養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度相比7 d提高約3倍。同時(shí)選取灰砂比1∶8,料漿質(zhì)量濃度為70%～74%,28 d平均抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到2.92 MPa、3.10 MPa、3.48 MPa,基本滿足了一步驟膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2 充填料漿流動(dòng)性能研究

2.1 測試方案

為了掌握金廠河礦充填高濃度料漿流動(dòng)性能,確保充填反坡輸送方案設(shè)計(jì)的可靠性,分別開展了充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn),設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度分別為68%、70%、72%和74%;灰砂比為1∶8。充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)參考《金屬非金屬礦充填工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51450—2022)。充填料漿流變?cè)囼?yàn)采用Brookfield 公司的新型流變儀測試[7]。

2.2 測試結(jié)果

(1) 擴(kuò)展度測試。充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)測試過程見圖4,料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72% 和74%,擴(kuò)展度分別為24.4 cm、22.8 cm、18.9 cm 和15.8 cm。

圖4 充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)測試過程

(2) 流變參數(shù)測試。充填料漿流變?cè)囼?yàn)典型結(jié)果如圖5所示,對(duì)于高濃度尾礦漿體,其流變特征可以用Bingham 流體模型表征,即當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí),漿體才能發(fā)生流動(dòng),具有塑性液體性質(zhì),當(dāng)剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí),漿體沒有流動(dòng)性,表現(xiàn)為固體[8-10],其表達(dá)式為:

圖5 充填料漿流變?cè)囼?yàn)典型結(jié)果

式中:τ0為屈服應(yīng)力,Pa;ηp為塑性黏度系數(shù),Pa·s。

根據(jù)充填料漿流變參數(shù)測試結(jié)果,料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72%和74%時(shí),屈服應(yīng)力分別為3.0015 Pa、7.8711 Pa、16.861 Pa和28.781 Pa;塑性黏度系數(shù)分別為0.1350 Pa·s、0.1538 Pa·s、0.1722 Pa·s和0.2632Pa·s。

(3) 測試結(jié)果分析。在灰砂比1∶8情況下,隨著充填料漿質(zhì)量濃度從72%升至74%,屈服應(yīng)力和塑性黏度系數(shù)迅速增大,與該濃度下擴(kuò)展直徑明顯減小相符合。隨著充填料漿濃度的增大,料漿中顆粒之間的接觸點(diǎn)增多,漿體內(nèi)部的摩擦力增大,導(dǎo)致流變參數(shù)增大,進(jìn)一步表明料漿濃度越大,料漿流動(dòng)性越差[11-13]。因此,本次反坡輸送濃度不應(yīng)高于72%。

3 空區(qū)治理

3.1 充填擋墻布置

本次21#采場空區(qū)頂?shù)撞烤捎每招拇u+土工布的密閉墻(見圖6),濾水效果良好,施工便捷高效。擋墻制作前,需對(duì)場地進(jìn)行清理,對(duì)巷道底部、頂部及周邊不穩(wěn)定巖石進(jìn)行清理;在擋墻制作完成后,進(jìn)行周邊噴漿密封處理,防止周邊跑漿[14]。

圖6 充填擋墻現(xiàn)場布置

3.2 采場下料布置

21#采場空區(qū)北端塌方嚴(yán)重,頂板仍為風(fēng)化破碎的大理巖,后期因周邊采場掘進(jìn)、落礦擾動(dòng),不排除有進(jìn)一步塌方的可能。因此,保持現(xiàn)有的充填輸送管線不變,將下料口對(duì)準(zhǔn)1810 m 中段1#充填平巷空區(qū)邊緣下料,前期因設(shè)備、人員、材料無法正常通行,2#充填平巷內(nèi)的充填鉆孔僅作為后期接頂補(bǔ)充充填用[15]。

目前21#采場空區(qū)礦巖存窿較多,空區(qū)爆堆起伏不平,塌方區(qū)域正下方爆堆最高,高度約30 m,易出現(xiàn)充填料漿聚集后“潰壩”沖擊充填擋墻,故前期充填應(yīng)控制下料時(shí)間及下料速度,確保充填體頂面均勻穩(wěn)步上升,最大程度保證密閉墻安全。21#采場布置了21-1#、21-2#、21-3#充填鉆孔和1條柔性脫水管,如圖7所示。

圖7 充填擋墻現(xiàn)場布置

3.3 采場充填

考慮到空心磚充填擋墻承壓性較差,加之現(xiàn)場施工條件復(fù)雜多變,無法開挖基礎(chǔ)及施工錨樁,空區(qū)密閉后即進(jìn)入下料充填工序,充填料漿質(zhì)量濃度為68%～72%,灰砂比為1∶8。起初充填下料速度不宜過快,應(yīng)結(jié)合三維空區(qū)模型判定爆堆形態(tài),使底部充填體充分沉降、凝固,減小因充填料漿沖刷形成泥石流對(duì)密閉墻沖擊造成不良后果的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 頂板塌落區(qū)充填

因頂板垮落區(qū)域最高點(diǎn)超出現(xiàn)有充填平巷較多(最高達(dá)28 m),原有充填平巷遭到破壞,為確保21#采場正常充填1810 m 中段以上的空區(qū),并繼續(xù)為后續(xù)采區(qū)充填服務(wù),礦山在1810 m中段16線穿脈至12線穿脈之間布置了一條充填繞道,供后期充填管道敷設(shè)、人員及設(shè)備通行。經(jīng)過方案比選,確定以鉆孔連通采空區(qū)的形式最為安全高效。在選定的鉆孔位置擴(kuò)刷鉆機(jī)硐室,采用XY-2地質(zhì)鉆機(jī)以方位角158°24'44″,傾角34°50'11″向上施工充填鉆孔和排氣孔,同時(shí)為避免塌孔造成卡鉆及后期使用時(shí)的堵孔,鉆孔時(shí)對(duì)孔壁進(jìn)行套管處理,充填鉆孔內(nèi)徑為130 mm(孔內(nèi)套管內(nèi)徑為118 mm),排氣孔內(nèi)徑為77 mm(孔內(nèi)套管內(nèi)徑為60 mm),兩個(gè)鉆孔開孔位置相差1 m,鉆孔方位、鉆孔傾角均相同(見圖8)。

圖8 充填鉆孔

鉆孔施工結(jié)束后,延長充填管道至充填鉆孔位置,鉆孔口采用鋼板或混凝土密封,其中平巷充填管道采用黑色塑膠管,彎道段采用鋼管,法蘭盤連接頭有相應(yīng)的防止料漿噴射傷人的防護(hù)罩。管道連接充填鉆孔時(shí)在彎道處增設(shè)一個(gè)三通和兩個(gè)Φ125 mm 閘閥,為方便后期充填時(shí)排除孔內(nèi)洗管水,防止料漿沉淀和空區(qū)充滿時(shí)料漿回流。采空區(qū)充填直至排氣孔返漿時(shí)停充,采用事先準(zhǔn)備好的木楔子扎入套管堵住漏漿,將閘閥關(guān)閉,拆下充填管進(jìn)行管道清洗。

4 結(jié)論

(1) 通過對(duì)金廠河礦膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求進(jìn)行理論計(jì)算,確定了破碎頂板采場一步驟膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)。結(jié)合頂板垮塌采場中含有大量破碎大理巖和一步驟膠結(jié)充填體穩(wěn)定性,本次對(duì)垮塌后采場充填體整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為3.0 MPa。

(2) 通過充填料漿配比試驗(yàn),確定了充填灰砂比參數(shù)為1∶8。綜合充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)分析結(jié)果,當(dāng)料漿質(zhì)量濃度增加至72%,屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)急劇增大,這與該濃度下擴(kuò)散度直徑明顯減小相符合,因此,確定充填料漿質(zhì)量濃度為68%～72%。

(3) 考慮到底部含有大量礦巖爆堆,為了保證頂板垮落采場充填的安全性,應(yīng)結(jié)合三維空區(qū)模型,判定爆堆形態(tài),進(jìn)而布置充填擋墻和充填下料工程,且前期充填應(yīng)控制下料時(shí)間及下料速度,確保底部充填料漿與礦巖充分滲透、凝固。