江南某铜矿采空区充填方法的应用分析

2021-12-27周国庆

中国金属通报 2021年18期

周国庆

（江西省煤矿设计院，江西南昌 330000）

1 工程概况

江南某铜矿始建于1978年，矿区面积约0.3715km2。至今已有近30年开采历史，矿山采用斜井开拓方式，现生产规模为90kt/a。矿区地质环境条件较好，地形坡度均小于40°，自然状态下山体稳固，无滑坡、塌方危害。矿区工程地质条件中等，矿体及其底板岩体均属坚硬完整稳固型岩层，顶板为半坚硬岩层。但矿体及其顶、底板受地层不整合面控制，降低围岩强度，导致地下水活动加强，损害了其稳定性，易引发地质灾害，因此，在地下开掘过程中应加强顶底板加固，合理留设矿柱，以防坑道冒顶边邦等安全事故发生。矿山原有的尾矿库已经达到设计的库容量，尾矿堆放严重制约矿山生产能力发挥，矿山增加配套干排工艺，干排的尾矿堆放严重影响当地生态环境，同时也存在较大安全隐患。考虑到上述因素，矿山于2017年建立地面尾砂胶结充填系统，将现有干排尾矿充填井下采空区、有效回填尾矿，避免尾矿库的建设。

2 矿山充填系统工艺分析

矿山目前+40m～-150m中段已形成近23×104m3采空区，主要开采Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体。虽然采用浅孔留矿开采，且矿体顶底板岩性较好，旧采空区未做任何处理，随着采空区范围扩大，顶空时间延长，矿柱超载破坏，已导致岩层崩落，波及至地表，形成地表塌陷。随着矿山进一步向深部开采，地压显现增强影响，采空区围岩活动加剧，矿石贫化率加大，预留矿柱则浪费资源较多。同时，现有的尾矿库已经达到设计的库容量，虽已增加配套干排工艺，干排的尾矿堆放严重影响了当地生态的环境，考虑到以上因素，矿山将干排尾矿充填井下老采空区、进行尾矿回填。

2.1 充填站场地总平面布置

由于矿区采用斜井开拓方式，有主斜井工业场地和斜风井工业场地两个工业场地。矿山主要生产系统在主斜井工业场地，选矿厂、尾砂库等均在斜风井工业区场地，为便于地面制浆和充填管路布设，充填站厂址设置斜风井工业场地。

充填站工业场地总平面布置从考虑满足生产工艺要求，利于安全生产；场内外布置协调，尽量压缩场内运输线路及管线长度，并符合现行规程、规范要求；尽量避开工程地质不良地段，结合地形地貌，采取合理的竖向布置形式，减少土石方工程量。充填站位于斜风井工业场地西侧，沿东西走向布置，采用为地面集中式布置，站内设尾砂供砂斗仓和一个水池。水从水池经管道定量自流入搅拌桶；尾砂经定向振筛机处理后装进斗仓，再由电磁振动给料机喂料给胶带皮带机，然后通过漏斗进入搅拌桶；散装水泥用水泥罐车压送至水泥仓，出料为称重式螺旋给料机按一定灰砂比定量放入搅拌桶；再由高浓度搅拌桶将水、尾砂和干水泥混合搅拌制成浆体，搅拌均匀后通过管道自流至井下采空区充填。

2.2 充填胶结料配比

充填系统主要是利用目前尾矿库及干排尾砂充填采空区，根据安装设备能力，按60m3/h充填能力考虑，充填胶结料量为100kt/a。系统连续运行8h需要配制和输送料浆480m3。按照灰料比1:8计算，料浆浓度65%左右，浆体密度取1.9t/m³。参照有关配比数据见表1。

表1 胶结料配比参数表

2.3 充填系统工艺的组成

采用尾砂、水泥、水等作为充填材料，地面制浆，管道输送至井下采空区。矿山已完成施工，并已竣工，进行了试运转，试运转比较理想。其充填工艺见下图所示。

图1 充填工艺图

整个工艺流程全部采用自动化控制系统及电视监控系统组成，以此实现可视化远程数据的操作与管理。

3 矿山充填材料选择及其充填实施

3.1 充填材料选择

充填材料分为干式、水砂和胶结充填材料三种。干式充填材料一般可利用井下坑道掘进的废石，但来源有限满足不了充填的需要，为此要开辟专用采场开采废石满足充填的需要；水砂充填材料有尾砂、河砂、破碎砂等，水砂充填材料除对化学性质稳定及颗粒本身要有一定的强度外，对渗透性能有较严格的要求，以期及时脱水便于进行回采工作；胶结充填材料主要由胶结材料、骨料和水三部分组成。

该铜矿选厂有大量尾矿排出，现有尾矿库逼近服务年限，为此，矿山增加了配套干排工艺。尾矿干堆场已有大量干尾矿堆积，为消除尾矿及尾矿次生的污泥、浊水、粉尘等对地表的环境污染，因此，胶结充填材料中骨料采用选厂尾矿。充填站运行前期采用尾矿干堆场的尾矿做为充填骨料，后期直接采用浓密后的尾矿浆再添加部分干尾矿作为充填骨料。在项目周边，有两家水泥企业，水泥有325～425号普通硅酸盐水泥。采用水泥作为胶结材料，运输成本低，结合矿区现有条件考虑，胶结材料选用普通硅酸盐水泥（32.5水泥）。因此，确定充填材料为普通硅酸盐水泥、尾矿、水。

3.2 采空区充填过程

该铜矿充填系统充填管路从+150充填站沿28°斜风井至+40标高（长约250m），之后沿+40m中段水平巷道至采空区待充填区（长约310m），初期充填管道总长度约560m。根据采掘工程平面图+40～-150m标高Ⅱ号矿体采空区体积约为12.3×10m4。目前矿山井下采掘作业区在-150m中段Ⅰ号矿体，充填作业在Ⅱ号矿体+40～-150m采空区，Ⅱ号矿体与Ⅰ号矿体平距35m，中间相隔22.5m矿柱。既能做到采充作业互不干扰，又能保证采掘作业与充填作业人员安全。

3.2.1 充填步骤

充填前先对待充填区进行整理，做好待充填区的密闭工作，使整个待充填区与周边所有井巷隔开，以防止充填料的流失，造成污染和安全事故；在充填系统准备就绪后，即可开始充填工作。充填开始时，系统进行设备的系统自检，准备充填，先向管路中充水，充分滑润管路内壁，减少似膏体的沿程阻力；然后，通过截流阀的作用，将斜管充满水。工作完成后，密闭隔墙及滤水设施检查合格后，即可开始充填。首先试充，未发现密闭工程有漏洞时，方可正式充填。然后，密闭隔墙的滤水管在开始充填前关闭，待澄清后，再打开放水。并根据采场的长度每间隔10～15m设置一个下料点，每个下料点设一个三通，以便将引管水或清洗水引入巷道排水沟，不进入充填区。再次，采用分期充填采空区，第一次充填料充填打底高度1.0～1.5m，三天后进行第二次充填，待凝固的充填高度超过挡墙顶部以后可进行连续充填。为了让充填体进行排水和养护，第一次充填料充填达到设计强度(2.0MPa)再进行第二次充填。最后，为保证充填接顶，可将充填下料处通道排顶1.0～1.5m或由上方打孔，使充填料自流接顶，充满采场，根据情况进行复充。

3.2.2 井下充填工艺

（1）空场嗣后充填方法：在矿房采完后，砌筑充填挡墙进行充填，充填管路从斜风井至+40m回风中段的充填联络巷，进入采空区充填。下部充填体灰砂比为1：4～1：6，过渡层2m充填体灰砂比为1：8，其他充填体灰砂比为1：12。

嗣后充填方法相对简单，将与外部相通的下部出矿、凿岩、联络巷等封堵后，即可从上部放料充填。为便于充填体养护和滤排水，避免过高的放料口对正在发生固化反应的充填体造成冲击破坏，应分段设置放料口进行分段充填。

本矿充填线路初期充填培线为4.95，后期充填培线为4.22，因充填倍线不大，充填料浆浓度能达到结构流状态，充填料浆在井下采空区中有少量水需要排出。正常回采时，空场嗣后充填采矿法采场在充填回风中段下放脱水管至出矿进路的充填挡墙中。脱水管为塑料波纹管，直径φ100mm，管壁均匀钻凿φ8mm孔，钻孔梅花型布置，然后用滤布及麻袋布包裹，再用铁丝绑扎牢靠。脱水管采用管卡固定在钢丝绳上。脱水管钢丝绳固定回风穿脉的锚杆上。架设脱水管时，施工人员需系好安全带，作业场地照明良好。

（2）充填体固化强度标号：采空区充填为分期充填，为防止跑浆，减少充填体对隔墙的压力，第一次充填料充填打底高度1～1.5m，三天后进行第二次充填，待凝固充填高度超过挡墙顶部后可进行连续充填。为让充填体进行排水和养护，第一次充填料充填灰砂比1：6，第二次充填料充填灰砂比1：8～12，第一次充填料充填达到设计强度（2.0MPa）再进行第二次充填，设计第一次充填料养护7d后，再进行第二次充填。

（3）挡墙设计：本设计采用10号空心砖砌筑隔墙。挡墙采用空心砖砌筑挡墙厚度均为60～80cm，当断面超过8m2时，需适当加厚挡墙厚度或砌筑墩子。挡墙表面用C20喷砼支护（支护厚度d=50mm)。挡墙砌筑须坚固可靠，喷砼须严实，要求无缝隙，要求对挡墙周围1m范围处喷砼，以防漏水、漏浆；或在挡墙基础上采用钢模复合板做挡墙材料。挡墙上另设2～3个用滤布包裹的φ100mm旧钢管，用于初期充填时挡墙辅助脱水，脱水管位置距巷道底板不能低于1.0m。

充填挡墙的砌筑一般在采空区充填前三天完成，挡墙砌筑完毕后，附近采场爆破作业时应做好防护工作，以避免爆破冲击波破坏挡墙。开始充填时，一次充填高度控制在1m，待充填体凝固后方可继续充填，以防充填挡墙受力过大。充填面超过充填挡墙最高点后，一次充填高度可为2m，但以充填面不积水为原则。

（4）滤水和排水：由于充填空区不能进人，预设滤排水系统较困难，似膏体胶结充填的技术难题是滤水和排水。其排水渠道主要是挡墙反滤排水、围岩裂隙排水和上层泌水排水。且由于配料不同，充填料浆均不同程度地存在泌水现象，根据胶结料添加量不同及充填料浆浓度不同，泌水量变化较大，通常将料浆沉降水体积占总用水体积的百分比作为考核指标：

即泌水率（ν=W泌出水/W总水×100%），泌水率一般为8%～10%，泌水排水量按10%考虑，滤排水时间要求不超过20h。

为加速滤排水，在保证安全情况下，从与空区连通的上部巷道分段安设若干与排水挡墙反滤层相同的滤水笼子或滤水管。

（5）充填接顶：为提高接顶效果，采用预先设计安装排空管道，实行最高位的排水与排浆，以此达到充填体的有效接顶；同时，制备专用的接顶充填料等。