破碎顶板垮塌采场胶结充填治理*

2024-02-26张增庆魏晓明杨灿显顾攀赵亮

采矿技术 2024年1期

张增庆,魏晓明,杨灿显,顾攀,赵亮

(1.保山金厂河矿业有限公司,云南保山市 678001;2.矿冶科技集团有限公司,北京 100160)

0 前言

云南金厂河多金属矿Zn V3 矿体为缓倾斜矿床,上、下盘围岩为破碎大理岩,矿石为较为稳固的矽卡岩,采用大直径深孔侧向崩落嗣后充填法采矿[1-2],年产矿石70万t。切顶硐室采用锚网喷砼+砂浆长锚索进行支护,支护工程量大。采场掏槽及侧向崩落矿石作业过程中,爆破振动较大,加之采场回采周期较长,破碎顶板冒落风险极大,矿山根据采矿设计逐步回采矿体,出现21#、23#、25#、27#四个采场顶板不同程度冒顶,冒落围岩覆盖于矿石之上,造成矿石贫化,加大了出矿难度。

目前,金厂河多金属矿处于一步骤大规模开采阶段,21#采场垮塌量为13 191 m3,23#采场垮塌量为2964 m3,25#采场垮塌量为330 m3,27#采场垮塌量为3701 m3,21#采场顶板垮塌情况如图1 所示。严重制约了矿山一步骤矿房采场安全高效回采,也将影响后续的二步骤矿柱采场的回采[3-4]。

尤其21#采场在第17次侧崩落矿时出现顶板大面积冒落,破坏了1810中段1#充填平巷。冒落围岩覆盖了6#、7#、8#、9#出矿进路,覆岩内含有较多钢筋网、锚杆及长锚索,采场底部存窿矿石无法进一步清扫,造成损失。矿山随即研究对空区进行紧急密闭充填。充填过程中,伴随周边采场落矿振动的影响,顶板冒落范围继续扩大,冒顶区最高点,超出充填平巷高度27 m,正常靠现有的充填平巷、充填钻孔、充填回风井无法充填接顶。图2是21#采场空区不同时期的扫描模型(4 次扫描颜色标识见电子版)。

图2 21#空区不同时期的扫描模型

1 顶板垮塌采场充填体强度设计

1.1 一步骤胶结充填体强度计算

金厂河多金属矿破碎顶板采场基本分布在17#至30#采场之间,阶段高度平均为40 m,宽度为15 m,长为矿体水平厚度,平均为120 m,两步骤连续回采。本次一步骤采场胶结充填体强度计算采用Mitchell公式及矿冶科技集团有限公司三维力学模型及安庆经验公式[5-6],安全系数取2.5,计算结果分别为1.07 MPa、1.39 MPa和1.24 MPa,因此,选取理论计算结果1.39 MPa(最大值)作为一步骤胶结充填体强度要求。

根据矿山采矿工程布置,一步骤胶结充填体内后期需要施工巷道工程,因此,一步骤胶结充填体结构分底部和中上部两部分,堑沟出矿底部结构高为9 m,中上部高度为29.8 m,其中底部强度为3.0 MPa,中上部强度根据理论计算降低为1.1 MPa,充填体强度分布如图3(a)所示。

图3 21#采场胶结充填体强度分布

由于顶板垮塌采场中含有大量破碎大理岩,考虑到一步骤胶结充填体稳定性,本次对垮塌后采场充填体整体强度设计为3.0 MPa(见图3(b)),后期还应对采场底部废石胶结充填体质量进行评估。

1.2 充填配比试验及强度测试

(1) 测试方案。充填配比试验所用材料为金厂河矿全尾砂,胶结剂为矿冶科技集团有限公司生产的新型胶凝材料。结合矿山深锥浓密机底流浓度,充填配比试验设计充填料浆质量浓度为68%、70%、72%和74%四组;灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10 五组,每组试验进行7 d、28 d 龄期的强度测试。

(2) 测试结果与分析。充填试块达到养护龄期后,开展强度测试,结果见表1。

表1 充填试块强度测试结果 MPa

由表1可知,采用新型胶凝材料制备充填体,随着养护龄期的增加,充填体强度发展稳定,充填体养护28 d后的抗压强度相比7 d提高约3倍。同时选取灰砂比1∶8,料浆质量浓度为70%～74%,28 d平均抗压强度可以达到2.92 MPa、3.10 MPa、3.48 MPa,基本满足了一步骤胶结充填体强度设计要求。

2 充填料浆流动性能研究

2.1 测试方案

为了掌握金厂河矿充填高浓度料浆流动性能,确保充填反坡输送方案设计的可靠性,分别开展了充填料浆扩展度试验和流变试验,设计充填料浆质量浓度分别为68%、70%、72%和74%;灰砂比为1∶8。充填料浆扩展度试验参考《金属非金属矿充填工程技术标准》(GB/T 51450—2022)。充填料浆流变试验采用Brookfield 公司的新型流变仪测试[7]。

2.2 测试结果

(1) 扩展度测试。充填料浆扩展度试验测试过程见图4,料浆质量浓度为68%、70%、72% 和74%,扩展度分别为24.4 cm、22.8 cm、18.9 cm 和15.8 cm。

图4 充填料浆扩展度试验测试过程

(2) 流变参数测试。充填料浆流变试验典型结果如图5所示,对于高浓度尾矿浆体,其流变特征可以用Bingham 流体模型表征,即当剪切应力大于屈服应力时,浆体才能发生流动,具有塑性液体性质,当剪切应力小于屈服应力时,浆体没有流动性,表现为固体[8-10],其表达式为:

图5 充填料浆流变试验典型结果

式中:τ0为屈服应力,Pa;ηp为塑性黏度系数,Pa·s。

根据充填料浆流变参数测试结果,料浆质量浓度为68%、70%、72%和74%时,屈服应力分别为3.0015 Pa、7.8711 Pa、16.861 Pa和28.781 Pa;塑性黏度系数分别为0.1350 Pa·s、0.1538 Pa·s、0.1722 Pa·s和0.2632Pa·s。

(3) 测试结果分析。在灰砂比1∶8情况下,随着充填料浆质量浓度从72%升至74%,屈服应力和塑性黏度系数迅速增大,与该浓度下扩展直径明显减小相符合。随着充填料浆浓度的增大,料浆中颗粒之间的接触点增多,浆体内部的摩擦力增大,导致流变参数增大,进一步表明料浆浓度越大,料浆流动性越差[11-13]。因此,本次反坡输送浓度不应高于72%。

3 空区治理

3.1 充填挡墙布置

本次21#采场空区顶底部均采用空心砖+土工布的密闭墙(见图6),滤水效果良好,施工便捷高效。挡墙制作前,需对场地进行清理,对巷道底部、顶部及周边不稳定岩石进行清理;在挡墙制作完成后,进行周边喷浆密封处理,防止周边跑浆[14]。

图6 充填挡墙现场布置

3.2 采场下料布置

21#采场空区北端塌方严重,顶板仍为风化破碎的大理岩,后期因周边采场掘进、落矿扰动,不排除有进一步塌方的可能。因此,保持现有的充填输送管线不变,将下料口对准1810 m 中段1#充填平巷空区边缘下料,前期因设备、人员、材料无法正常通行,2#充填平巷内的充填钻孔仅作为后期接顶补充充填用[15]。

目前21#采场空区矿岩存窿较多,空区爆堆起伏不平,塌方区域正下方爆堆最高,高度约30 m,易出现充填料浆聚集后“溃坝”冲击充填挡墙,故前期充填应控制下料时间及下料速度,确保充填体顶面均匀稳步上升,最大程度保证密闭墙安全。21#采场布置了21-1#、21-2#、21-3#充填钻孔和1条柔性脱水管,如图7所示。

图7 充填挡墙现场布置

3.3 采场充填

考虑到空心砖充填挡墙承压性较差,加之现场施工条件复杂多变,无法开挖基础及施工锚桩,空区密闭后即进入下料充填工序,充填料浆质量浓度为68%～72%,灰砂比为1∶8。起初充填下料速度不宜过快,应结合三维空区模型判定爆堆形态,使底部充填体充分沉降、凝固,减小因充填料浆冲刷形成泥石流对密闭墙冲击造成不良后果的风险。

3.4 顶板塌落区充填

因顶板垮落区域最高点超出现有充填平巷较多(最高达28 m),原有充填平巷遭到破坏,为确保21#采场正常充填1810 m 中段以上的空区,并继续为后续采区充填服务,矿山在1810 m中段16线穿脉至12线穿脉之间布置了一条充填绕道,供后期充填管道敷设、人员及设备通行。经过方案比选,确定以钻孔连通采空区的形式最为安全高效。在选定的钻孔位置扩刷钻机硐室,采用XY-2地质钻机以方位角158°24'44″,倾角34°50'11″向上施工充填钻孔和排气孔,同时为避免塌孔造成卡钻及后期使用时的堵孔,钻孔时对孔壁进行套管处理,充填钻孔内径为130 mm(孔内套管内径为118 mm),排气孔内径为77 mm(孔内套管内径为60 mm),两个钻孔开孔位置相差1 m,钻孔方位、钻孔倾角均相同(见图8)。

图8 充填钻孔

钻孔施工结束后,延长充填管道至充填钻孔位置,钻孔口采用钢板或混凝土密封,其中平巷充填管道采用黑色塑胶管,弯道段采用钢管,法兰盘连接头有相应的防止料浆喷射伤人的防护罩。管道连接充填钻孔时在弯道处增设一个三通和两个Φ125 mm 闸阀,为方便后期充填时排除孔内洗管水,防止料浆沉淀和空区充满时料浆回流。采空区充填直至排气孔返浆时停充,采用事先准备好的木楔子扎入套管堵住漏浆,将闸阀关闭,拆下充填管进行管道清洗。