广东省大宝山矿采空区处理充填工艺技术研究

广东省大宝山矿采空区处理充填工艺技术研究程国金1,2，张钦礼2（1.河海大学土木工程学院，南京210098；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083）E-mail：[e-mail]摘要：广东省大宝山矿业有限公司铜业分公司2#斜井500～610采空区为一特大型采空区群，其存在直接影响到井底车场和未来回采工作的安全。在对现场进行详细调查和相关资料分析基础上，查清了该采空区的空间分布状况。结合矿山生产需要，通过综合分析提出了两种经济合理的处理方案，即井下掘进废石充填和全尾砂充填两种方案。本论文还分析了充填料的主要物理力学性质和充填体的作用机理，从理论上验证了废石充填或全尾砂充填可实现采空区的有效治理，保障回采工作的安全。研究结果对解决大宝山矿采空区安全隐患，保护地表环境，实现可持续发展具有重要意义。关键词：大宝山矿；采空区；块石充填；全尾砂充填；充填系统中图分类号：TD2文献标识码：B1.引言大宝山矿业有限公司是广东省重要的铜、铁、铅、锌、硫多金属矿山，位于韶关市南约40km的曲江县沙溪镇境内，矿区开采历史久远，多年来已形成了大量的采空区，随采空区规模的扩大和相互贯通，已多次发生大规模的冒落和塌方事故现象，对矿山正常安全生产造成极大危害[1]。当前及未来一段时间内矿山井下开采主要向W47以北方向发展，在此范围内仍然存在大规模的采空区群，对2#斜井井底车场造成潜在的安全威胁，因此，必须根据不同的采空区分布特点，采取经济有效的处理技术和方法，消除隐患，同时所确立的采空区治理措施必须兼顾未来新增采空区的处理要求，以实现矿山持续、稳定、安全生产。综观国内外采空区治理经验与实践，处理采空区的方法主要有封闭、崩落、加固和充填四大类[2]，其中充填空区是昀为彻底、昀为有效的治理手段。本文研究的主要目的即是根据大宝山矿业有限公司井下开采技术条件及2#斜井井底车场附近采空区分布特点，选择合适的充填材料和充填工艺技术并进行充填制备及管道输送系统设计，从根本上消除已有采空区对2#斜井井底车场的安全威胁，并为新增采空区的及时处理提供技术和系统支持。2.井下采空区分布状况调查与分析经过大量的现场调查和详细的资料分析，统计出井下采空区的数量多达254个，采空区总体积约为180万m3。采空区形态大多不规则，空间分布状况复杂，部分地段采空区相互贯通形成大的采空区群。其中2#斜井附近采空区群标高自+500m一直发展至+610m。3.块石充填系统设计3.1充填系统设计为降低充填成本，减轻井下掘进废石堆放压力和对地表的污染，通过对2#斜井地表地形及井下+500m至+610m水平各中段井巷分布情况的调查和分析，决定掘进废石不出窿，直接倒入采空区进行废石充填。根据矿山采矿能力，计算出废石充填系统生产能力（Vr）为27428.57m3/a。本次设计的废石不出坑输送系统为：2#斜井+591m中段以下各中段掘进作业的废石，通-1-斜井井底车场，再通过2#斜井的矿车提升系统将提升到+591m中段，沿+591m中段运输平巷将废石运送至各充填地点进行充填（图1[4，5，6]）。根据澳大利亚芒特艾萨多年的充填经验[3]，并鉴于2#斜井500～610采空区为长方形的特点和上部已有工程的情况，将其分为2个充填区，即2点同时下料，每个充填区的平面尺寸约为28×30m2，接近于方形采场。578.5530中段充填路线水仓通13公里19#窿下500中段通主井570大采空区④空采～578.5二号井JIABCDEFGHKL图1废石输送系统充填路线：○A→○B→○C→○D→○E→○F→○G→○H→○I；○A→○B→○C→○D→○E→○F→○G→○H→○J→○K→○L。改造的三段充填路线：○A→○B→○C→○D；○H→○I；○H→○J。3.2充填系统评价该充填方法可有效地解决大宝山矿2#斜井500～600采空区的安全隐患，保障井底车场和将来深部及北部开采的安全；其次，系统充分利用已有工程，昀大限度的减少基建投资；运输线路避开了采空区范围，安全性好；与将来北部开采废石运输有较好的兼容性。井下掘进废石不出窿，可大幅度减少堆放废石所需的工业场地，即减少了征地费用，又保护了地表环境，因此具有重大的经济效益和社会环境效益。4.全尾砂充填系统设计由于充入空区或采场的块石为松散体，因此废石非胶结充填虽然可以有效地消除采空区隐患，限制顶板岩层陷落，保护地表地貌，但当采空区底部或相邻采场回采时，不能有效地提供安全保护。在这种情况下，必须采取灌注水泥砂浆进行块石胶结充填。另一方面，当废石供应不足的情况下，也应考虑其它替代骨料。通过现场调查，大宝山矿尾砂库内自然分级全尾砂可以用作块石胶结充填体的细骨料或作为废石的补充。-2-尾砂充填性能评价大宝山矿尾砂库内尾砂经过自然分级，靠近排放口附近的尾砂含泥量少，粒级组成合理，SiO2和Fe2O3含量较高（表1），是较理想的充填骨料。经过长时间自然压缩和脱水，已近半干燥状态，含水率低于20%，可以用挖掘机直接铲装，卡车运输。通过室内试验，并参考国内外同类条件矿山经验，胶结充填时，灰砂比确定为1:8，质量浓度70%。表1尾砂化学成份测定结果表充填料名称SiO2%Fe2O3%MgO%Al2O3%CaO%S%Cu%Zn%Pb%全尾砂25.5643.753.683.081.9615.080.200.0620.0184.2充填站及制浆工艺设计由于大宝山矿区位于高山地区，地表工业场地非常有限，经对2#斜井附近地表地形进行现场调查和勘测，以及对2#斜井地表地形图及井下各中段平面图及综合图的整理和分析，确定将全尾砂胶结充填系统的制备站设在硫选厂附近一个较为平缓的山坡上，该场地昀高标高+695m，昀低标高+665m，高差30m，其中在标高为+676.1m处有水平面积约15000m2的平整工业场地，矿区简易公路从该场地边缘通过。可利用标高+676.1m与标高+665m之间的山坡地形建卧式尾砂仓，增大仓容，水池建在山顶昀高处（即标高为+695m处），充分利用自然高差形成供水压力。充填制备站的主要功能是将水泥、全尾砂加水制成合格的全尾砂胶结充填料浆，通过钻孔和管道输送至井下待充填的采场。合理的制浆工艺设计对整个充填系统起着关键性的作用，本次设计的工艺流程如图2所示、充填系统的平面布置如图3[4，5，6，7]所示，水泥水泥罐车压气卸料水泥仓星形给料机水泥螺旋输送机水水池全尾砂卧式全尾砂仓电耙漏斗管道输送汽车运输卸双螺旋输送机Φ2000mm搅拌桶格筛、漏斗充填管路充填采场图2全尾砂胶结充填工艺流程图-3-充填系统平面布置图充填路线：○A→○B→○C→○D→○E→○F→○G；○A→○B→○C→○H。添加的充填巷道：○A→○B，○C→○H。4.3充填能力计算在满足设计的要求原则下，充填制备站采用年工作300天，每天2班，每班5小时的工作制度。经详细计算的充填基本参数如表2、充填系统主要设施设计结果列于表3。表2充填基本参数序号指标名称单位数量备注12345678灰砂比质量浓度28d抗压强度管径流速几何充填倍线昀大充填倍线系统生产能力――%MPammm/s――――m3/h1：8701.51003.4253.213.41938.7由室内实验得出原始给定数据由室内实验得出由计算得出由计算得出由计算得出由计算得出由计算得出4.4充填系统评价该全尾砂充填系统具有以下优点∶（1）尾砂干采干运，成本低；（2）工业场地充足，可充分利用已有交通设施；（3）填挖方工程量小，基建费用低，基建时间短；（4）充分利用山坡地形，借助自然高差实现系统之间物料的转运；（5）本系统即可与块石系统配合使用，实现块石胶结充填，也可进行尾砂非胶结充填；（6）系统生产能力大，既满足当前空区充填需要，又兼顾将来北部开采充填的需要；（7）将来钼选厂上马后，产生的新鲜尾砂通过过滤池脱水沉淀后，仍然可利用本系统；（8）采用卧式砂仓、电耙耙砂、与立式砂仓相比，不仅节约了基建费用，而且避免了-4-立式砂仓仓底容易板结的难题。表3充填系统主要设施设计名称设计结果全尾砂仓卧式；底部标高+668.1m；仓长35m（有效装料长度30m），底宽2.5m，堑沟斜面坡度60º，有效容积538.6m3；采用宽800mm，高400mm的双螺旋输送机输送尾砂。全尾砂地面堆场设在全尾砂仓顶部平台上，标高+676.1m；堆场平均长35m，宽28m，堆料高度1.5m，实际容积1470m3。水泥仓圆柱—圆锥立式密闭型；仓底标高+666.95m；出料口直径Φ300mm，仓全高8m，有效容积58.14m3，可储水泥75.6t。并采用GX型，直径为300mm，长度5.0m，转速30r/min，昀大功率1.25KW的螺旋输送机输送水泥。放砂漏斗圆台形；上口规格2000×2000mm，出料口600×600mm，斗高1500mm，坡度65º。搅拌桶圆柱形；Φ2000×h2000mm，有效容积为5.6m3。直径Φ9m，高度6m，容积381.51m3供水池圆柱形；池底标高在+695m水平上；直径Φ9m，高度6m，容积381.51m3。5.充填体性能的研究5.1充填体的物理力学性质充填体含水与脱水对充填体的力学性质影响较大，由尾砂颗粒组成的充填体，在颗粒自重和外载荷作用下，将产生不同程度的沉降变形和位移。如果充填体的沉降量过大，将会减弱或失去对上部矿层的支撑作用。无论采用哪一种充填采矿法，对充填体都有一定的强度要求。一般根据矿岩的物理力学性质、岩体应力、回采顺序、采矿方法、采场几何形状和大小、暴露时间以及充填体在回采过程中所起的作用，确定充填体应具有的强度。提高充填体强度的途径有：1）改善充填料的粒级组成；2）控制充填体内的含水量；3）提高胶结充填体的凝聚力，控制灰砂比和水灰比。5.2充填体的支撑作用胶结充填体的支撑作用，主要在于对围岩的限制作用和与围岩的共同作用，即一方面阻止和限制围岩发生变形和位移，另一方面又与围岩共同承载，提高承载能力，共同维护采场稳定[8]。6.结论本文以广东省大宝山矿业有限公司铜业分公司2#斜井500～610采空区处理方法为研究对象，进行了块石充填和全尾砂充填处理空区设计研究，取得了以下主要结果：⑴．对不同矿山的采空区进行处理时应结合该矿山的具体情况而采取相应的处理方式，根据大宝山矿业有限公司铜业分公司具体条件，选择采用充填法处理2#斜井500～610特大采空区群；⑵．废石不出坑回填采空区，一方面解决了矿山充填料的不足，另一方面，减少了废石运至地表进行堆放所产生的费用以及对环境造成的严重污染，减轻了工人的劳动强度，加快了充填周期。废石充填系统设计中，充分利用了已有工程，基建费用和运行成本低，基建时间短，工艺简单，可靠性高；⑶．全尾砂充填是考虑到矿山未来开采的需要而提出的，由于该矿后期开采将会有大量的尾砂产生，若将其堆放在地表而不加以利用，不仅增加了筑坝费用，而且大量尾砂堆放尾砂库对矿山乃至周边环境造成严重的污染。经现场勘察，充填制备站设在选硫厂附近的开阔-5-地形上。在选钼项目上马以前，利用现有尾砂库内自然分级全尾砂，干采干运至卧式砂仓（砂仓有效容积538.6m3）。胶凝材料为普通散装硅酸盐水泥。按照1:8灰砂比机械强力搅拌后，沿充填钻孔和对Φ100mm管道充入采场；⑷．根据需要，全尾砂胶结充填系统可以与废石输送系统配合进行块石胶结充填，也可单独使用进行普通的尾砂充填；⑸．两种充填方案均可以有效地解决大宝山矿2#斜井500～610采空区的存在所带来的安全隐患，同时也都考虑到了将来矿山往W49线以北进一步开采矿体的需要。用充填法处理空区解决了矿山建设占用大量耕地的问题，有效地保护了人类赖以生存的地表生态与环境，使该矿山地下矿产资源开发与环境保护更加和谐统一，对矿山的可持