地下矿山充填接顶技术的研究

2017-03-24刘婉莹王小军姜顺鹏

采矿技术 2017年5期

刘婉莹，赖伟，王小军，姜顺鹏

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012； 3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012；4.山东黄金矿业(鑫汇)有限公司，山东青岛 266715)

地下矿山充填接顶技术的研究

刘婉莹1,3，赖伟1,2，王小军4，姜顺鹏4

充填接顶是充填采矿工艺实现的关键技术，在分析充填不能接顶的原因的基础上，就充填接顶技术进行了梳理，简要介绍了人工接顶、机械接顶、强制崩落接顶、料浆加压接顶、料浆重力接顶和料浆膨胀接顶技术。并对充填料浆接顶的辅助措施进行了探讨，认为可通过优化改善料浆的流平性和沉缩性，泌水快排技术以及管网优化等技术以达到接顶的目的。

充填体；充填接顶；膨胀；沉缩

0 前言

随着国家对资源综合利用率和环保要求的提高，越来越多的矿山采用充填采矿法进行开采，相关的技术研究也越来越多，其中充填接顶技术是矿山充填的关键技术之一，其直接关系到采场的生产安全，例如，采用两步骤回采的采矿法，若一步骤充填不接顶，相邻二步骤采场回采后顶板与一步骤采场顶板贯通，顶板暴露跨度、面积倍增，回采工作难以实现。不接顶引起的冒落，可能会导致空区与含水层贯通，造成透水事故；地表位移量超预期，造成地表生态、水系和区域地质破坏等，甚至造成不可挽回的灾难性事故[1]。

1 不能接顶的原因分析

1.1 料浆特性

影响充填体是否能够接顶的关键因素有：充填料浆沉缩和流动性(流平性)[2]。

料浆沉缩主要由泌水沉缩和挤压沉缩两部分构成，泌水沉缩是由于充填料浆处于过饱和水状态，料浆充入空区后，随充填料浆骨料的下沉，富裕的水泌出在充填体表面，从而在充填体与空区顶板之间形成间隔；挤压沉缩主要是由于充填料浆的骨料在重力作用下，骨料颗粒的重排，孔隙率降低造成的沉缩。根据试验料浆沉缩率为1%～10%，部分矿山达到20%，其特性说明：即使料浆接顶，充填体也不能接顶，是充填体不能接顶的根本原因[3]。

料浆的流动性决定了料浆流平性能，根据充填料浆流平性试验，料浆浓度在60%～70%时，料浆自流的坡面角在2°～10°，随浓度的增加而增大，因此在大面积的空区或者长进路中，仅靠充填料浆的重力作用不能完全接顶。

1.2 泌水排放措施不力

充填料浆主要由骨料、胶结剂和水组成，采用全尾砂结构流自流输送的矿山充填料浆的浓度一般在70%左右，极少数矿山在55%左右，充填料浆含水量达到40%～45%，部分水被胶结剂固化结合和其组成的架构包裹，大部分水需排出采空区，排放措施不力时，大量水富集在充填体表面，造成充填体不能接顶[4]。

1.3 空区形状不规整

由于地质构造的存在和岩体的离散特性，爆破回采后的空区顶板形状常为不规则的几何空间，使得部分空区难以填充，产生空顶[5]。

1.4 充填管网布置不合理

充填管网包括：充填料浆输送管、充填料浆下料管、充填料浆泌水排放管、采空区充填排气管以及用于观察料浆液面的观察管道[6]。

充填料浆输送与充填料浆下料管之间未设置洗管水和引管水排放管，直接排放至采空区，造成料浆稀释，离析等影响充填料浆性能，料浆接顶后，充填体沉缩大不能接顶。充填料浆下料管下料点设置过少，在下料点间不接顶。泌水排放管设置不合理，导致泌水不能外排，占据空区空间，泌水排出后形成空洞不接顶。采空区排气管设置不当，空区内气体无法排出，料浆进入充填采空区，由于料浆部分接顶后隔断的密闭空间内空气的存在，不能实现接顶。

2 接顶技术

近年来，由于充填采矿法的发展及其推广应用，进行了大量的试验研究，开发了人工接顶、机械接顶、强制崩落接顶、料浆加压接顶、料浆重力接顶、料浆膨胀接顶等多种接顶技术[7-10]。

2.1 人工接顶

采用大块废石和预制砌块等，人工构筑砌筑的方式接顶。主要用于薄到极薄矿脉的矿柱接顶，无法实现大面积全面接顶，劳动强度大，效率低，仅在小型矿山采用。

2.2 机械接顶

利用抛掷机将充填料抛射动能、推土机挤压以及其他顶推设备顶压充填料以实现接顶。该技术广泛用于煤矿山的废石充填体的接顶；在金属矿山主要用于分段充填法、进路充填法等矿山。主要用于高浓度粗骨料胶结料浆和废石非胶结充填领域。

2.3 强制崩落接顶

利用岩石碎裂后体积膨胀的特性，在充填结束后，有计划的崩落顶板围岩，以实现强制接顶。在近采空区布置凿岩硐室，钻凿中深孔，按照挤压爆破方式设计爆破方案，按照采空区高度，计算顶板的崩落厚度。这种接顶方式，接顶效果好，但在设计时，应严格控制一次崩落，防止挤压过度影响充填体的结构性能。该方法一般用于缓倾斜矿体的充填接顶。

2.4 料浆加压接顶

可分为充填系统余压接顶和加压泵注接顶。充填系统余压接顶技术主要是利用充填系统管网的高程差，在采空区充填后，利用充填系统管路压力向空区压入充填料浆以实现强制接顶，该技术不新增充填泵。加压泵接顶即采用充填泵加压，通过钻孔和管道压注料浆接顶，该技术需新增充填泵和中转料仓，相比充填系统管路余压接顶技术，能够更好的控制接顶的压力，同时避免占用主管路，影响充填作业效率等问题。采用加压接顶技术，必须严格控制泵压，加固挡墙，封闭空区出口(巷道、钻孔和贯通裂隙等)通道，严密观察挡墙状况，以防发生安全事故。

2.5 料浆重力接顶

利用料浆在自身重力作用下流平或者利用高差挤压料浆接顶。常采取在近空区上部钻充填孔、空区顶板再挑顶、近空区掘进上向措施天井、架设措施挡墙分区、设计斜面顶板和弧形顶板部分接顶。上述措施需新增措施工程，同时在远离措施工程处仍然存在不能全面接顶的问题，近空区施工安全性差等缺点。

2.6 料浆膨胀接顶

主要利用料浆在充入采空区后，增加充填体体积膨胀以达到充填接顶。常用的有高水膨胀充填接顶技术、添加混凝土膨胀添加剂的料浆自膨胀主动接顶技术。由于高水膨胀材料基本不需要骨料，因此其在缺乏粗骨料的煤矿山得到了推广应用，但其固结体不稳定，在金属矿山使用较少。金属矿山以在充填料浆内添加混凝土膨胀添加剂为多，通过试验，料浆凝固后的充填体体积比料浆体积可增长约15%～30%，利用料浆的膨胀能够实现主动接顶，但是必须指出，由于料浆处于围岩和挡墙构成的封闭体内，在料浆膨胀过程中，膨胀的料浆在接顶的同时，也给挡墙一定的作用力，因此必须严格控制料浆的膨胀参数，并加强充填挡墙的监测。此外，利用该技术，充填系统需新增膨胀剂储料仓，给料系统等设备。

3 充填体接顶辅助技术

3.1 料浆性能优化

影响充填体不能接顶的关键因素主要有充填料浆的流动性和沉缩性，针对具体的矿山，通过试验确定具体的措施，可采取的措施有：

(1) 优化料浆级配，改善料浆的流平性，提高料浆密实性，降低沉缩。

(2) 在满足料浆输送要求的前提，提高充填料浆浓度，降低泌水沉缩。

(3) 添加减水剂，在不降低料浆流动性的前提下，提高料浆的浓度；加入膨胀剂，以克服充填料浆沉缩引起的不接顶问题。

3.2 泌水快排技术

合理布置泌水排放措施。

(1) 反滤排水管：主要用于大规模和大面积空区的充填泌水排放。排水管采用波纹管或土工盲沟管，其中波纹管需在管道周钻孔，然后在管周缠绕滤布或土工布，充填料浆在反滤作用下，泌水经过管道实现快速外排。土工盲沟能够实现全周的排水，具有不易堵塞，结构强度高，成本低，排水性能好的特点。

(2) 泄水井及滤水井塔：主要用于上向水平分层充填采矿法和大面积缓倾斜薄矿脉空区的充填泄水。泄水井常用架设方式有铁板焊接井、木材井、钢构架外绕钢丝网片和土工盲沟等泄水天井，为了起到反滤作用，常在井周缠绕滤布或土工布。滤水井塔是在待充空区的平面不同位置布置短井，可采用塑料管、竹篾编制笼或土工盲沟等构筑，主要用于收集泌水，然后再通过底部的排水管集中到泄水井排出充填空区。滤水井塔主要起到加密泄水点，加快泌水外排速度的作用，其构筑工艺简单，成本低，是较好的辅助脱水措施。

(3) 反滤透水充填挡墙：过去通常采用厚实的混凝土挡墙，以实现待充采空区的绝对封闭，但随着充填技术的发展，充填体机理的不断揭示，泄水挡墙能够有效降低静水压力对挡墙的荷载，其具有更好的性能。滤水挡墙自空区向外一般分为反滤层、反滤层支撑层和整体支撑固定层。反滤层采用滤布或土工布构筑；反滤层支撑层多采用钢筋网片等格栅状的整体片状的材料构筑；整体支撑固定层采用角钢，钢轨和液压支柱构筑。较传统的混凝土挡墙构筑该挡墙工艺简单，劳动强度低，成本低，脱水快速。

3.3 合理布置充填管网

(1) 设置引、洗管水分排三通，避免其稀释料浆，造成离析，降低充填体强度。

(2) 适当增加料浆下料点，直接增加管道出料口，或采取预设断管点和管道接头自动分离装置的办法增加下料点，降低自流坡度的影响。

(3) 合理设置排气管道，在空区高点、下料点间或全程安装透气管道，消除料浆隔断形成封闭空区无法接顶的问题。

(4) 布置观察管，掌握并控制充填量。

4 结论

人工接顶、机械接顶、强制崩落接顶能解决特定条件下的接顶问题，但是其效率低，劳动强度大，难以实现大规模开采的充填接顶要求。料浆重力接顶技术作为通用的改善料浆接顶技术措施，在大量矿山推广应用。料浆重力接顶和料浆加压接顶所指的是料浆接顶，而非充填体接顶，在料浆泌水沉缩后仍不能完全接顶，因此料浆重力接顶和料浆加压接顶实质仍为被动接顶技术。料浆膨胀接顶技术能够克服空区不规整，料浆不能自流平的问题，能够实现充填体主动接顶，发挥充填体主动承载作用，是较有发展前景的接顶技术。

进行充填料浆性能优化和合理布置泌水排放管网是解决充填体的最根本措施。

充填体接顶是一个系统工程，接顶方案设计时，应综合采场设计、采矿工艺过程要求、料浆性能和接顶辅助技术进行比选。

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[6]卢央泽,李丽君,姜仁义.关于提高充填接顶率的若干问题探讨[J].有色金属(矿山部分),2009(03):6-8.

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