下向分层膏体充填采矿法的生产实践与改进

罗龙波，保文俊

（江西铜业集团有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

随着社会经济的高速发展，对资源需求量逐年上升，而我国矿山易采矿体逐渐减少，迫使矿山向开采难度较大的矿体进行回采。为了提高开采难度较大矿体的安全性与生产效率，需采取对应措施来控制采场地压，分级尾砂充填法即为其中应用较广泛方法，随着开采难度增大，分级尾砂充填逐渐向全尾矿膏体充填发展，膏体充填具有较高的可塑性、流动性和稳定性，以柱塞流的形态下凭借外加力或者胶结体的自重力的方式输送到充填区域[1]。最大的优势在于料浆浓度，浓度控制在80%±5的范围内，在管道输送中，料浆像塑性结构体一样，不会发生离析、沉淀，且拥有90%～95%的尾砂利用率[2]。另外由于料浆的质量浓度高，对水分要求较低，所以极大地减少了排水费用以及所带来的水体污染。对水泥需求量要求较低，在很大程度上有效减低了充填成本，且具备良好的可塑性、流动性和稳定性，能够在很大程度上确保矿体开采的安全性和矿区的稳定性。膏体充填可以应用于开采条件复杂、地表不允许陷落、围岩不稳定的高品位矿体、矿床破碎、矿体围岩不稳定等情况下[3]。

在我国金属矿山开采中，膏体充填在生产实践应用中取得了良好的效果，主要优势在于使用全尾砂充填、充填浓度较高、无需脱水与能有效利用水淬渣及满足无污染矿山开发的要求，特别是在治理生态环境污染的情况下，膏体充填技术优势更为明显，在我国矿山开采中应用前景将非常广泛。

1 膏体充填工艺

1.1 充填料浆制备

对井下采空区膏体充填前需对充填料浆进行制备，充填料浆为机制砂和尾砂混合水泥。使用对应的搅拌机制作胶结料，根据采空区的大小，计算出充填体积，并选择搅拌机数量，确保可以连续泵送充填料浆[4]。如果不需要连续泵送，针对一些临时充填地区，使用电动拖泵输送充填料浆。

1.2 充填准备

第一步，进行平场，并预留50mm～100mm碎矿层，平场在进路回采结束后进行。第二，敷设钢筋网，使用螺纹钢筋按照设计要求进行布设，钢筋规格根据矿体大小选取，钢筋网的网度控制在100mm～150mm之间。第三步，吊挂钢筋网，主要是吊挂钢筋和锚杆的方式，特别在进路帮壁是充填和围岩的情况下。第四步，安装充填管，充填管基本上都是吊挂在最高处，材料以塑料管为主，安装在进路内。第五步，构筑充填挡墙，目的是防止充填料浆随意流动，确保充填的有效性，主要在进路外口构筑，且位置要合理、有效[5]。

1.3 充填材料

水泥是膏体充填的主要材料之一，使用普通硅酸盐水泥即可。全尾砂的选择须要根据实际情况进行选择，不同的矿体对全尾砂要求不同，需注重矿尾砂粒级数，同时注重取样浓度，如果浓度较低，必须要经浓缩脱水，否则充填效果会大大减低。粗骨料的使用主要是为了形成浓度更高的膏体，确保膏体的浓度在合理的范围内，促使充填效果满足实际的开采要求，且对充填物料的级配改善效果良好[6]。在选择粗骨料时可就地取材，采取合适的方式进行筛选，从而确保粗骨料的大小满足实际的需求，基本上粗骨料的直径都是大于10mm。膏体制备材料也可以根据实际情况选择冶炼水淬渣。

1.4 强度及材料配比

使用下向分层膏体充填法，必须要根据铺底层厚度选择对应强度的充填强度，如果铺地层厚度为0.6m，则需要28d膏体强度为4Mpa～5Mpa。一般会使用全尾+水淬渣+水泥膏体和全尾+水泥+废石膏体等两种不同的膏体制备方案，同时也需要考虑到成本和技术等因素[7]。

全尾+水淬渣+水泥膏体。该制备方案主要使用水淬渣作为胶凝材料，但是根据实际应用效果来看，水淬渣并没有达到理想的效果，其对膏体强度的效果较低。为了确保膏体强度满足实际需求，可以将水淬渣作为粗骨料使用，如果要28d膏体强度为1-2Mpa，材料配比按照：淬尾比1：8，灰砂比1：7或者是淬尾比1：5灰砂比1：8，这两种材料配比都可以确保膏体浓度在75%左右。如果要28d膏体强度为4Mpa～5Mpa，材料配比按照：淬尾比1：（7-9），灰砂比1：5的方式可以确保膏体的浓度在76%左右。

全尾+水泥+废石膏体。如果要28d膏体强度为1Mpa～2Mpa，材料配比按照：废石与尾砂比1：（3-5），灰砂比1：（10-12），确保膏体浓度在75%左右。如果要28d膏体强度为4Mpa～5Mpa，材料配比按照：废石与尾砂比1：（3-5），灰砂比1：5的方式可以确保膏体的浓度在73%～76%左右。

1.5 充填接顶

常见的充填接顶方式有很多种，可根据实际情况选择对应的接顶方式。第一，正常情况膏体充填需要在进路回采结束后进行，采取顺倾斜充填。首先对进路口进行封口，构筑充填挡墙，并喷射混凝土，厚度为40mm左右即可。然后安装充填管，安装在回风井处，且回采坡度控制在3°～5°，且安装在进路端部最高点[8]。最后按照充填路径敷设纵横筋，目的是在充填后可以很快形成钢筋混凝土结构，提升充填体的强度；第二，双隔墙挤压充填。此充填接顶方式主要是应用在充填进路较长的情况下，特别是进路大于25m。充填管同样安装在进路口最高点，且在内侧挡墙。在充填管进料口位置预埋溢浆管，当溢浆管出浆液后，继续充填10分钟，然后将前段充填管进行拆除，并对充填管进行清洗，在两堵挡墙之间形成一定的空间，用于容纳充填管线内的浆液和溢出浆液，防止在清洗管道时影响到最后的充填效果；第三，人工接顶。在一层充填结束后需要对其进行检查，确认充填接顶的效果，如果接顶效果不好，则需要人工进行二次接顶。

1.6 应用效益

利用全尾砂对井下采空区进行充填，对矿山而言可实现尾砂零排放、减少对应的废料排放、实现绿色开采。在尾砂有限的情况下，通过使用机械破碎井下掘进渣，利用部分机制砂代替尾砂，可实现开采资源有效利用，进一步优化完善膏体充填。

膏体充填后对围岩应力和变形进行实时监测，从监测结果来看，没有出现明显的围岩位移和变形现象，且采区周边应力大小分布均匀。充填法使围岩受力状态恢复到三轴受压，有效提高了岩石力学强度，同时有效控制了塑性形变和岩体位移。

2 下向分层膏体充填在生产中存在的问题及措施

2.1 假顶破坏

分析出现假顶破坏的主要原因是人造假顶顶板控制不好、膏体被炸落以及人为原因等，主要是操作人员的专业技能和职业素养偏低，从而出现装药量不合理、周边眼数少、顶眼布置不当，在钻凿顶眼时，出现顶眼仰角大，造成顶板的平整度无法有效控制。当出现严重的凹凸不平时，在进行充填时会导致充填体与实际顶板的高度相差较大，顶板上部容易产生浮石，在这种情况下进行填充，会大幅度降低作业的安全性。面对假顶破坏时，最有效的改善措施是将假底与顶眼底之间的距离控制50cm以上，将装药量控制在合理的范围内，保证假顶不被破坏，如果凿岩至膏体假顶里，则需要对此孔进行报废处理，重新进行凿岩。

2.2 分层生产能力的衔接

为了确保分层之间生产能力的有效衔接，保障转层的衔接正常，在回采时集中先回采矿房多的出矿道，搭配回采矿房少的出矿道，确保出矿道数量的合理性，实现从矿房多的出矿道进入下一层，且主要注意分层之间的跨越，分段采场的跨越分层数控制在2层即可。矿房多的出矿道按照先回采、先转层的原则进行，转层后，矿房多则采点多。相反，矿房少的情况下，则收尾快，同时分段采场所跨域的分层数也控制在2层即可，只有这样才能有效提升分层之间的生产能力。

2.3 充填接顶

在进行下向分层膏体充填时，经常出现充填不接顶的现象，特别是在隔一采一布置回采进路和隔三采一布置回采进路时，这种回采方式能够有效控制围岩应力释放、控制围岩的变形、确保围岩体的稳定性，但存在最大的问题是接顶困难。解决这一难题可通过增加桥墩的方式进行强制性接顶，确保假顶的稳定性和安全性。具体操作：一分层每条出矿道的最后一块矿房先不充填，等待下一分层相对应的空区形成后，统一从高处对低处充填确保接顶；为了充填二分层的空区接顶，可在一分层预埋充填管充填二分层；尽量不采用隔三采一或者隔一采一布置矿房，而采用从两端到中间的后退式回采，可以确保每一块矿房都是一边是矿体支撑一边是膏体支撑，达到回采安全部分矿房可对假底进行挑顶充填，最大化保障回采区域的安全性。

3 结语

在矿山资源大面积开发过程中，既要确保生产安全性，又要保证不污染环境。而充填采矿法是目前最有效的方法，对环境破坏小、资源回收率高。对采空区进行膏体充填可以有效控制地压、保证周围矿岩的稳定性，膏体充填采矿法拥有得天独厚的优势，值得在矿山大范围推广使用。在生产实践过程中，加强凿岩爆破技术及管理要求，防止假底破坏；根据实际情况，合理布置出矿进路，分层之间的有序衔接，确保了生产能力；引入了桥墩形式，对部分矿房进行强制性接顶，确保了充填接顶。通过在生产实践中不断优化和改进，为此类矿山生产提供了实践参考依据。