祁雨沟金矿井下采空区治理方案研究

张社稷

(贵州锦丰矿业有限公司，贵州 贞丰 562200)

0 引言

金属矿山采空区存在严重的隐患问题，若不采取正确防治措施，往往会造成地表塌陷、冒顶、透水等一系列事故的发生，更为严重的是采空区突然垮塌会产生高速气流和冲击波，造成人员的伤亡、设备的损坏以及经济的损失，严重威胁矿井安全生产[1-3]。因此，矿井采空区隐患治理必须引起重视。目前地下采空区处理方法主要包括：崩落法、充填法、支撑法以及封闭隔离法。其中崩落法能及时消除采空区隐患，且成本相对较低，但地表易发生移动和沉陷；充填法控制地表移动的效果较好，但成本较高；支撑法一般不能避免采空区冒顶或顶板冲击地压；封闭隔离法仅适合处理孤立小采空场等。在一定条件下，可采用吸收了上述4种基本方法优点的联合法处理采空区，以克服其局限性。无论是4种基本处理方法还是联合处理方法，每一种又有许多种具体的施工工艺和方法。因此，采空区的治理技术，需要秉持“因地制宜、技术可行、经济合理”的原则，针对现有的采空区现状，选择合适的方案进行防治，实现矿区的可持续发展[4，5]。

1 矿山井下采空区现状

1.1 矿山开采现状

随着社会经济发展较快，各行各业对矿产的需求与日俱增，但是由于特殊的地质构造，但部分矿产资源赋存规模较小，为了平衡矿产资源产量和进口量，采矿技术势必要得到改进，使矿产资源能够得到最大程度的开采利用。目前常用的井下使用的采矿方法主要有中深孔浅孔分段留矿法、空场采矿法及充填采矿法等。其中，空场开采法主要应用于矿区后部的缓倾斜开采段，这种采矿方法的主要特征是在矿石回采过程中临时或永久保留安全支柱，以支撑顶部岩层，该方法会形成空置的采空区；留矿法也是空场法的一种采矿方法，该方法主要用于围岩及矿层厚度较为稳固的情况，采用留矿法采矿，矿石倾角要求大于53°，矿房回采时先采矿房，再采矿柱。崩落法也被广泛使用，采矿方法主要用于切割矿体的底壁，将巷道划分成不同大小的空间体，然后通过压制中间层来钻探岩石，爆破后通过铲车将矿石运出矿井，利用循环后退的方式开采；充填采矿法是指在矿山中，需要开采大量矿石，然后采空区内填充各种物料，以稳定围岩和顶岩，防止围岩塌陷、下降，为了减少地面压力的影响，后续的采矿操作将在成型的固体填充体内进行。

1.2 祁雨沟金矿矿区地质及采空区分布

1.2.1 矿区地质

矿区地层简单，除山谷、沟系有少量第四系沉积外，主要为太古宇太华岩群、中元古界熊耳群许山组和新近系，区内构造以断裂构造和爆破角砾岩构造为主。断裂构造主要有NW、NE和近南北向三组。矿区内具有工业价值的角砾岩体有4个(J4、J5、J6、J2)，角砾岩型金矿体严格受角砾岩体控制，多赋存有一个到数个金矿体。角砾岩体在矿区的主要分布范围以及形态、规模、产状见表1。

表1 主要角砾岩体分布范围一览表

本次治理采空区位置分布在J5角砾岩体内，角砾岩体内的角砾成分以顶板及围岩角砾为主，岩浆岩角砾较少。

1.2.2 采空区分布

目前祁雨沟金矿的矿体有J4、J5、J6、189矿体，主采矿体为J4、J5两个矿体。本次采空区隐患治理主要针对J5矿体的3-1采空区、3-4线采空区，189矿体的0线采空区和J4-310-709-2采场。计划对祁雨沟金矿井下J5矿体340-3-1采空区、500-3-4线采空区、189矿体292-0线采空区及J4-310-340-709-2采空区进行充填处理。

3 采空区治理措施-分级尾砂充填

3.1 充填系统对矿山的适用性

参照原长沙矿山研究院对河南金源公司选矿厂的全尾砂进行的X衍射分析结果与渗透性和沉降特性试验结果，可以得出以下结论：祁雨沟金矿尾砂的主要矿物成分有石英、白云母、斜长石、钾长石、方解石等。尾砂成分中含硫化物较少，属于惰性材料，可以用来作为井下充填骨料[6，7]。全尾砂的渗透系数小于1，渗透性能比较差，说明尾砂中细粒级含量较多，不适宜直接用于井下充填。分级尾砂的沉降速度较快，主要是因为分级尾砂经过脱泥后剩下的主要是粒径比较大的尾砂，与全尾砂相比，分级尾砂的渗透性能和沉降性都比全尾砂好，可用于井下充填。故本次采空区治理方案中采用分级尾砂进行充填作业。

3.2 充填系统简介

河南金源公司祁雨沟金矿充填站主要包括尾砂分级站、地表充填站等充填系统。充填站还设有贮水池、事故池、厂房及辅助设施等。其尾砂胶结充填系统主要包括：充填材料、尾砂分级与输送、水泥存储与输送、尾砂存储与输送、充填料浆制备与输送。

整个充填系统工艺见图1。充填主管道敷设从地表充填站充填料浆出口、经由地表充填钻孔延伸至井下400 m中段，或通过580 m平硐进入J5矿体，然后由分支管进入各中段，中段充填管再由分支管进入各采空区上部充填口进行采空区充填。

图1 充填系统工艺流程图

3.3 充填管路设计

1)充填站搅拌均匀的充填料浆通过充填管道经充填钻孔输送至井下400 m中段，然后通过400 m中段铺设的充填管道输送至J5-400中段待充填采空区边部。搅拌桶出口标高为580 m，充填中段标高400 m，垂直高差180 m。充填钻孔采用陶瓷内衬钢管，管径为DN100，400中段充填管采用高分子耐磨材料内衬钢管，管径为133 mm，整个充填管路长度约为1 200 m。

设计自然压头水力管道充填系统时，为简便起见，常暂不考虑局阻、无压区和负压区等的影响，而以“充填倍线”来估计水力充填系统的服务范围及生产能力。

充填倍线，即充填管路总长度与管路出入口垂直高差的比值，其值大小反应充填料浆管道输送的难易程度。其按公式1进行计算。

N=L/H

(1)

式中：N—充填倍线；L—管路总长度，m；H—充填系统中料浆入口与料浆出口的垂直高差，m。

根据搅拌桶出口标高为580 m，400 m中段标高为400 m，高差为180 m，整个充填管路长度约为1 200 m，结合充填倍线的计算方法，经计算本次充填空区的充填倍线为6.7。

根据计算的充填倍线来看，充填倍线不大，能够满足充填料浆自流输送的要求。

2)充填站搅拌均匀的充填料浆通过充填管道经580平硐输送至井下540 m中段，然后通过540 m中段铺设的充填管道输送至J5-540中段待充填采空区边部。搅拌桶出口标高为580 m，充填中段标高540 m，垂直高差40 m。580-540 m中段充填管采用高分子耐磨材料内衬钢管，管径为133 mm，整个充填管路长度约为900 m。

设计自然压头水力管道充填系统时，为简便起见，常暂不考虑局阻、无压区和负压区等的影响，而以“充填倍线”来估计水力充填系统的服务范围及生产能力。

充填倍线，即充填管路总长度与管路出入口垂直高差的比值，其值大小反应充填料浆管道输送的难易程度。其按公式1进行计算。

根据搅拌桶出口标高为580 m，540 m中段标高为540 m，高差为40 m，整个充填管路长度约为900 m，结合充填倍线的计算方法，经计算本次充填空区的充填倍线为22.5。

根据计算的充填倍线来看，充填倍线过大，需安装增压泵才能够满足充填料浆输送的要求。

3)充填站搅拌均匀的充填料浆通过充填管道经充填钻孔输送至井下400 m中段，然后通过400 m中段铺设的充填管道输送至189-400运输巷地井处，通过地井铺设的充填管道输送至189-340中段，最后通过340中段铺设的充填管道输送至待充填采空区边部。

搅拌桶出口标高为580 m，充填中段标高340 m，垂直高差240 m。充填钻孔采用陶瓷内衬钢管，管径为DN100，400 m中段、340 m中段充填管采用高分子耐磨材料内衬钢管，管径为133 mm，整个充填管路长度约为1 467 m。

设计自然压头水力管道充填系统时，为简便起见，常暂不考虑局阻、无压区和负压区等的影响，而以“充填倍线”来估计水力充填系统的服务范围及生产能力。

充填倍线，即充填管路总长度与管路出入口垂直高差的比值，其值大小反应充填料浆管道输送的难易程度。其按公式(1)进行计算。

根据搅拌桶出口标高为580 m，340 m中段标高为340 m，高差为240 m，整个充填管路长度约为1 467 m，结合充填倍线的计算方法，经计算本次充填空区的充填倍线为6.1。

根据计算的充填倍线来看，充填倍线不大，能够满足充填料浆自流输送的要求。

3.4 充填挡墙设计

对于待充采场或待充空区的密闭，是充填准备工作一项重要的内容。如果待充空区密闭不好，充填浆体四处散溢，到处跑浆，有时还会发生充填料浆淹埋巷道、设备等严重的安全事故。待充空区的密闭，一般采用充填挡墙密闭的方式，充填挡墙按材质有刚性挡墙、柔性挡墙之分；按用途又有密封挡墙、滤水挡墙、活动挡墙等多种型式[8，9]。

基于金源公司以往的充填经验，设计采用柔性挡墙+钢筋混凝土挡墙联合封闭的方式，便于滤水和密闭管理。考虑到充填体对充填挡墙的压力作用，结合以往充填经验，挡墙高度以下充填时设计每次充填高度为0.5 m，待第一次充填完成之后，等待尾砂完全脱水之后，再进行第二次充填。挡墙高度以上充填时设计每次充填高度为1.5 m，待上次充填完成之后，等待尾砂完全脱水之后，再进行下次充填作业，以此类推直至整个采空区完全充填结束。

3.5 充填脱水设计

在进行充填作业时，充填浓度应控制在68%～72%，浓度越高，充填料浆含水量越低，越利于井下脱水。每当向空区充填1 m3充填料浆，会有0.5～0.6 m3水存在，这些水需要从空区充填体中及时排出才能形成密实的充填体。

采场充填体脱水，有溢流脱水和渗流脱水两种形式[10]。本次设计采用溢流脱水为主，渗流脱水为辅，利用脱水管排出充填体中的水，设计采用软性透水管作为空区脱水管材。其主要结构为：滤水管骨架和滤水网见图2,脱水管布置方案见图3。采空区滤水采用管道或水沟方式导流至340 m中段T2地井处，经过地井自流至310 m中段水泵房，通过水泵排至地表水仓。软性透水管与普通的刚性滤水管相比，大幅度增加了过水面积，提高了滤水效率。

图2 柔性滤水管

图3 脱水示意图

3.6 施工作业要求

3.6.1 充填体强度

胶结充填时，在地表充填站进行现场取样，制作模块试样，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm可装卸的三联试模，浆体经充分搅拌后灌入试模并进行养护，强度测试交由第三方机构进行。设计28天抗压强度不低于1.0 MP。

3.6.2 充填作业联络

为了保证充填时作业联络，矿区架设了地表充填站至井下400 m中段、340 m中段、540 m中段、500 m中段、292 m中段、310 m中段人员作业处的直通通信电话,确保充填作业时人员安全。

3.6.3 充填安全管理

作业人员应严格遵守班前会管理制度、交接班管理制度、采空区管理制度、顶板分级管理制度、敲帮问顶管理制度和安全生产确认制管理制度，加强作业现场的安全管理，严格执行“不确认、不生产；确认不合格，不生产”的原则，实现安全确认与监管全覆盖。

4 结语

针对祁雨沟金矿J4、J5两个矿体的采空区进行论证研究，采用分级尾砂进行充填作业，提出了完善的分级尾砂充填系统。充填主管道敷设从地表充填站充填料浆出口、经由地表充填钻孔延伸至井下400 m中段，或通过580 m平硐进入J5矿体，再由各个分支管道进入采空区。确定了充填体强度；完善了充填作业通讯信号；并制定了合理的管理制度。根据设计数据，分级尾砂填充法在采场生产能力、采矿工效、资源回收率、采矿成本等诸多方面均具有较大优势。有效降低了尾砂对土地的占用，保护了当地生态环境，实现了地下矿山绿色开采，同时消除了地表变形破坏的影响，避免出现地表塌陷，保护了周边地表建(构) 筑物。