劉婉瑩,賴 偉,王小軍,姜順鵬
(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012; 2.國家金屬采礦工程技術研究中心,湖南 長沙 410012; 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012;4.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司, 山東 青島 266715)
地下礦山充填接頂技術的研究
劉婉瑩1,3,賴 偉1,2,王小軍4,姜順鵬4
(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012; 2.國家金屬采礦工程技術研究中心,湖南 長沙 410012; 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012;4.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司, 山東 青島 266715)
充填接頂是充填采礦工藝實現(xiàn)的關鍵技術,在分析充填不能接頂?shù)脑虻幕A上,就充填接頂技術進行了梳理,簡要介紹了人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂和料漿膨脹接頂技術。并對充填料漿接頂?shù)妮o助措施進行了探討,認為可通過優(yōu)化改善料漿的流平性和沉縮性,泌水快排技術以及管網優(yōu)化等技術以達到接頂?shù)哪康摹?/p>
充填體;充填接頂;膨脹;沉縮
隨著國家對資源綜合利用率和環(huán)保要求的提高,越來越多的礦山采用充填采礦法進行開采,相關的技術研究也越來越多,其中充填接頂技術是礦山充填的關鍵技術之一,其直接關系到采場的生產安全,例如,采用兩步驟回采的采礦法,若一步驟充填不接頂,相鄰二步驟采場回采后頂板與一步驟采場頂板貫通,頂板暴露跨度、面積倍增,回采工作難以實現(xiàn)。不接頂引起的冒落,可能會導致空區(qū)與含水層貫通,造成透水事故;地表位移量超預期,造成地表生態(tài)、水系和區(qū)域地質破壞等,甚至造成不可挽回的災難性事故[1]。
影響充填體是否能夠接頂?shù)年P鍵因素有:充填料漿沉縮和流動性(流平性)[2]。
料漿沉縮主要由泌水沉縮和擠壓沉縮兩部分構成,泌水沉縮是由于充填料漿處于過飽和水狀態(tài),料漿充入空區(qū)后,隨充填料漿骨料的下沉,富裕的水泌出在充填體表面,從而在充填體與空區(qū)頂板之間形成間隔;擠壓沉縮主要是由于充填料漿的骨料在重力作用下,骨料顆粒的重排,孔隙率降低造成的沉縮。根據(jù)試驗料漿沉縮率為1%~10%,部分礦山達到20%,其特性說明:即使料漿接頂,充填體也不能接頂,是充填體不能接頂?shù)母驹騕3]。
料漿的流動性決定了料漿流平性能,根據(jù)充填料漿流平性試驗,料漿濃度在60%~70%時,料漿自流的坡面角在2°~10°,隨濃度的增加而增大,因此在大面積的空區(qū)或者長進路中,僅靠充填料漿的重力作用不能完全接頂。
充填料漿主要由骨料、膠結劑和水組成,采用全尾砂結構流自流輸送的礦山充填料漿的濃度一般在70%左右,極少數(shù)礦山在55%左右,充填料漿含水量達到40%~45%,部分水被膠結劑固化結合和其組成的架構包裹,大部分水需排出采空區(qū),排放措施不力時,大量水富集在充填體表面,造成充填體不能接頂[4]。
由于地質構造的存在和巖體的離散特性,爆破回采后的空區(qū)頂板形狀常為不規(guī)則的幾何空間,使得部分空區(qū)難以填充,產生空頂[5]。
充填管網包括:充填料漿輸送管、充填料漿下料管、充填料漿泌水排放管、采空區(qū)充填排氣管以及用于觀察料漿液面的觀察管道[6]。
充填料漿輸送與充填料漿下料管之間未設置洗管水和引管水排放管,直接排放至采空區(qū),造成料漿稀釋,離析等影響充填料漿性能,料漿接頂后,充填體沉縮大不能接頂。充填料漿下料管下料點設置過少,在下料點間不接頂。泌水排放管設置不合理,導致泌水不能外排,占據(jù)空區(qū)空間,泌水排出后形成空洞不接頂。采空區(qū)排氣管設置不當,空區(qū)內氣體無法排出,料漿進入充填采空區(qū),由于料漿部分接頂后隔斷的密閉空間內空氣的存在,不能實現(xiàn)接頂。
近年來,由于充填采礦法的發(fā)展及其推廣應用,進行了大量的試驗研究,開發(fā)了人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂、料漿膨脹接頂?shù)榷喾N接頂技術[7-10]。
采用大塊廢石和預制砌塊等,人工構筑砌筑的方式接頂。主要用于薄到極薄礦脈的礦柱接頂,無法實現(xiàn)大面積全面接頂,勞動強度大,效率低,僅在小型礦山采用。
利用拋擲機將充填料拋射動能、推土機擠壓以及其他頂推設備頂壓充填料以實現(xiàn)接頂。該技術廣泛用于煤礦山的廢石充填體的接頂;在金屬礦山主要用于分段充填法、進路充填法等礦山。主要用于高濃度粗骨料膠結料漿和廢石非膠結充填領域。
利用巖石碎裂后體積膨脹的特性,在充填結束后,有計劃的崩落頂板圍巖,以實現(xiàn)強制接頂。在近采空區(qū)布置鑿巖硐室,鉆鑿中深孔,按照擠壓爆破方式設計爆破方案,按照采空區(qū)高度,計算頂板的崩落厚度。這種接頂方式,接頂效果好,但在設計時,應嚴格控制一次崩落,防止擠壓過度影響充填體的結構性能。該方法一般用于緩傾斜礦體的充填接頂。
可分為充填系統(tǒng)余壓接頂和加壓泵注接頂。充填系統(tǒng)余壓接頂技術主要是利用充填系統(tǒng)管網的高程差,在采空區(qū)充填后,利用充填系統(tǒng)管路壓力向空區(qū)壓入充填料漿以實現(xiàn)強制接頂,該技術不新增充填泵。加壓泵接頂即采用充填泵加壓,通過鉆孔和管道壓注料漿接頂,該技術需新增充填泵和中轉料倉,相比充填系統(tǒng)管路余壓接頂技術,能夠更好的控制接頂?shù)膲毫?,同時避免占用主管路,影響充填作業(yè)效率等問題。采用加壓接頂技術,必須嚴格控制泵壓,加固擋墻,封閉空區(qū)出口(巷道、鉆孔和貫通裂隙等)通道,嚴密觀察擋墻狀況,以防發(fā)生安全事故。
利用料漿在自身重力作用下流平或者利用高差擠壓料漿接頂。常采取在近空區(qū)上部鉆充填孔、空區(qū)頂板再挑頂、近空區(qū)掘進上向措施天井、架設措施擋墻分區(qū)、設計斜面頂板和弧形頂板部分接頂。上述措施需新增措施工程,同時在遠離措施工程處仍然存在不能全面接頂?shù)膯栴},近空區(qū)施工安全性差等缺點。
主要利用料漿在充入采空區(qū)后,增加充填體體積膨脹以達到充填接頂。常用的有高水膨脹充填接頂技術、添加混凝土膨脹添加劑的料漿自膨脹主動接頂技術。由于高水膨脹材料基本不需要骨料,因此其在缺乏粗骨料的煤礦山得到了推廣應用,但其固結體不穩(wěn)定,在金屬礦山使用較少。金屬礦山以在充填料漿內添加混凝土膨脹添加劑為多,通過試驗,料漿凝固后的充填體體積比料漿體積可增長約15%~30%,利用料漿的膨脹能夠實現(xiàn)主動接頂,但是必須指出,由于料漿處于圍巖和擋墻構成的封閉體內,在料漿膨脹過程中,膨脹的料漿在接頂?shù)耐瑫r,也給擋墻一定的作用力,因此必須嚴格控制料漿的膨脹參數(shù),并加強充填擋墻的監(jiān)測。此外,利用該技術,充填系統(tǒng)需新增膨脹劑儲料倉,給料系統(tǒng)等設備。
影響充填體不能接頂?shù)年P鍵因素主要有充填料漿的流動性和沉縮性,針對具體的礦山,通過試驗確定具體的措施,可采取的措施有:
(1) 優(yōu)化料漿級配,改善料漿的流平性,提高料漿密實性,降低沉縮。
(2) 在滿足料漿輸送要求的前提,提高充填料漿濃度,降低泌水沉縮。
(3) 添加減水劑,在不降低料漿流動性的前提下,提高料漿的濃度;加入膨脹劑,以克服充填料漿沉縮引起的不接頂問題。
合理布置泌水排放措施。
(1) 反濾排水管:主要用于大規(guī)模和大面積空區(qū)的充填泌水排放。排水管采用波紋管或土工盲溝管,其中波紋管需在管道周鉆孔,然后在管周纏繞濾布或土工布,充填料漿在反濾作用下,泌水經過管道實現(xiàn)快速外排。土工盲溝能夠實現(xiàn)全周的排水,具有不易堵塞,結構強度高,成本低,排水性能好的特點。
(2) 泄水井及濾水井塔:主要用于上向水平分層充填采礦法和大面積緩傾斜薄礦脈空區(qū)的充填泄水。泄水井常用架設方式有鐵板焊接井、木材井、鋼構架外繞鋼絲網片和土工盲溝等泄水天井,為了起到反濾作用,常在井周纏繞濾布或土工布。濾水井塔是在待充空區(qū)的平面不同位置布置短井,可采用塑料管、竹篾編制籠或土工盲溝等構筑,主要用于收集泌水,然后再通過底部的排水管集中到泄水井排出充填空區(qū)。濾水井塔主要起到加密泄水點,加快泌水外排速度的作用,其構筑工藝簡單,成本低,是較好的輔助脫水措施。
(3) 反濾透水充填擋墻:過去通常采用厚實的混凝土擋墻,以實現(xiàn)待充采空區(qū)的絕對封閉,但隨著充填技術的發(fā)展,充填體機理的不斷揭示,泄水擋墻能夠有效降低靜水壓力對擋墻的荷載,其具有更好的性能。濾水擋墻自空區(qū)向外一般分為反濾層、反濾層支撐層和整體支撐固定層。反濾層采用濾布或土工布構筑;反濾層支撐層多采用鋼筋網片等格柵狀的整體片狀的材料構筑;整體支撐固定層采用角鋼,鋼軌和液壓支柱構筑。較傳統(tǒng)的混凝土擋墻構筑該擋墻工藝簡單,勞動強度低,成本低,脫水快速。
(1) 設置引、洗管水分排三通,避免其稀釋料漿,造成離析,降低充填體強度。
(2) 適當增加料漿下料點,直接增加管道出料口,或采取預設斷管點和管道接頭自動分離裝置的辦法增加下料點,降低自流坡度的影響。
(3) 合理設置排氣管道,在空區(qū)高點、下料點間或全程安裝透氣管道,消除料漿隔斷形成封閉空區(qū)無法接頂?shù)膯栴}。
(4) 布置觀察管,掌握并控制充填量。
人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂能解決特定條件下的接頂問題,但是其效率低,勞動強度大,難以實現(xiàn)大規(guī)模開采的充填接頂要求。料漿重力接頂技術作為通用的改善料漿接頂技術措施,在大量礦山推廣應用。料漿重力接頂和料漿加壓接頂所指的是料漿接頂,而非充填體接頂,在料漿泌水沉縮后仍不能完全接頂,因此料漿重力接頂和料漿加壓接頂實質仍為被動接頂技術。料漿膨脹接頂技術能夠克服空區(qū)不規(guī)整,料漿不能自流平的問題,能夠實現(xiàn)充填體主動接頂,發(fā)揮充填體主動承載作用,是較有發(fā)展前景的接頂技術。
進行充填料漿性能優(yōu)化和合理布置泌水排放管網是解決充填體的最根本措施。
充填體接頂是一個系統(tǒng)工程,接頂方案設計時,應綜合采場設計、采礦工藝過程要求、料漿性能和接頂輔助技術進行比選。
[1]陸玉根,陳建宏,蔣 權,等.基于采場充填接頂率與充填體承載性能的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2011,31(05):18-21.
[2]胡國宏,李夕兵.充填接頂影響因素分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010,30(03):20-23.
[3]楊陸海,周 旭.充填料漿沉縮性及泌水性分析[J].采礦技術,2013,13(03):32-33.
[4]王樹海,李啟月,趙國彥.提高充填接頂率的技術措施研究[J].礦冶工程,2011(01):13-15,18.
[5]周 旭,楊陸海,白朝選,等.膠結充填接頂?shù)募夹g改進[J].中國礦山工程,2012(04):4-6.
[6]盧央澤,李麗君,姜仁義.關于提高充填接頂率的若干問題探討[J].有色金屬(礦山部分),2009(03):6-8.
[7]徐培良.下向充填采礦接頂工藝探討[J].世界有色金屬,2017(01):193-194.
[8]張月俠.基于膨脹材料的充填接頂技術研究[D].沈陽:東北大學,2014.
[9]江 寧,鄧代強,姚中亮.草樓鐵礦充填接頂新工藝[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010,30(03):18-19,84.
[10]馮勝利,汪令輝.采場和空區(qū)充填接頂技術研究[J].中國礦山工程,2011(04):13-15.
2017-05-25)
劉婉瑩(1984-),女,山東臨沂人,工程師,研究生,主要從事采礦安全技術研究,Email:laijwei@qq.com。