鄧 釗,冉 輝,左昌虎

(湖南省水口山有色金屬有限公司, 湖南常寧市 421513)

水口山鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)治理方法探討

鄧 釗,冉 輝,左昌虎

(湖南省水口山有色金屬有限公司, 湖南常寧市 421513)

水口山鉛鋅礦采用空?qǐng)隽舻V法,遺留了大量的采空區(qū)亟待治理。為此,基于對(duì)水口山老采空區(qū)特征的研究,綜合對(duì)比各種治理方法,擬采用膏體充填治理采空區(qū),系統(tǒng)討論了充填材料、充填工藝、充填系統(tǒng)、充填擋墻等,通過(guò)膏體充填,采空區(qū)得到了有效治理,消除了安全隱患,并且殘礦得到了充分回收,避免了資源浪費(fèi)。

膏體充填;采空區(qū);治理措施;水口山鉛鋅礦

水口山鉛鋅礦采用空?qǐng)龇ú傻V,歷經(jīng)一百多年的開(kāi)采,遺留了大量的采空區(qū),且部分采空區(qū)互相貫通,形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的采空區(qū)群。歷史上,多次因采空區(qū)坍塌而造成了人員傷亡,財(cái)產(chǎn)損失及環(huán)境破壞。同時(shí),大量采空區(qū)的存在也給井下生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的安全隱患。近年來(lái),礦山對(duì)采空區(qū)采取了多種治理手段,如封閉采空區(qū)、井下廢石充填、建立地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地表沉降觀測(cè)網(wǎng),但如何從根本上消除采空區(qū)帶來(lái)的安全威脅有待進(jìn)一步研究。

采空區(qū)治理一直是礦業(yè)界需要解決的一大技術(shù)難題,采空區(qū)治理的技術(shù)與理論研究也一直在不斷的發(fā)展和進(jìn)步,如在隱伏采空區(qū)的探測(cè),采空區(qū)的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià),采空區(qū)的治理措施,采空區(qū)的應(yīng)力分析、位移監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展了大量研究并取得了較好的成果[1-5]。本文在前人研究基礎(chǔ)上,充分收集水口山鉛鋅礦采空區(qū)形狀、體積、分布等特征,探討治理方法及措施,以期達(dá)到消除安全風(fēng)險(xiǎn)并高效、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保的回收礦產(chǎn)資源。

1 鉛鋅礦采空區(qū)現(xiàn)狀

水口山鉛鋅礦老鴉巢礦區(qū)共有18個(gè)采空區(qū),其中規(guī)模較大的為4＃、8＃、9＃、10＃采空區(qū),所占采空區(qū)比例為60.56%。目前,已經(jīng)塌陷的采空區(qū)計(jì)58.11萬(wàn)m3,充填采空區(qū)計(jì)100.74萬(wàn)m3,待處理采空區(qū)計(jì)115.54萬(wàn)m3。

對(duì)地表威脅較大的采空區(qū)為5＃、6＃、10＃、11＃、19＃(已充填)采空區(qū),按75°錯(cuò)動(dòng)角計(jì)算,預(yù)計(jì)地表錯(cuò)動(dòng)帶范圍內(nèi)24萬(wàn)㎡的建筑物、構(gòu)筑物受其影響。受影響的地表構(gòu)筑物和設(shè)施包括:五號(hào)豎井、發(fā)電站主廠房、2＃、3＃斜坡道、選礦廠(包括康家灣選礦廠)、機(jī)修車間、礦行政辦公樓等。

2 采空區(qū)治理方法的選擇

目前國(guó)內(nèi)外處理采空區(qū)的方法主要有:崩落、封閉、充填和支撐加固[6-7]。針對(duì)鉛鋅礦井下采空區(qū)多,體積大,地質(zhì)條件復(fù)雜,地面居民建筑密集的狀況,采用崩落法容易造成采空區(qū)群的連鎖崩塌,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,對(duì)地表環(huán)境及井下生產(chǎn)作業(yè)影響都非常大。因此,崩落法不適宜于鉛鋅礦采空區(qū)的治理。

封閉和支撐加固法雖然是治理采空區(qū)最簡(jiǎn)單、最快速的方法,但該方法僅適用于巖石穩(wěn)固、體積小且互為獨(dú)立的采空區(qū)治理。但該方法并不能從根本上消除采空區(qū),針對(duì)鉛鋅礦礦區(qū)地表及井下實(shí)際情況,長(zhǎng)期存在的大量采空區(qū)對(duì)于居民生活、生產(chǎn)以及礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)都是一個(gè)巨大的安全隱患。因此,該方法僅適用于鉛鋅礦井下部分體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的空區(qū)治理。

充填法不僅可以從根本上消除采空區(qū),而且充分利用尾礦回填,有利于環(huán)境保護(hù)和廢棄物的再利用。此外,通過(guò)充填法治理采空區(qū)可以最大限度的回收殘礦資源,是治理采空區(qū)的最有效、最徹底的方法,也是礦山安全、持續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)的有力保障措施[]。

充填法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,目前種類繁多,技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛。其中膏體充填技術(shù)具有以下優(yōu)越性:

(1)不需要在井下工作面設(shè)立泄水系統(tǒng),節(jié)省了排水費(fèi)用;

(2)不影響工作面機(jī)械化的應(yīng)用;

(3)不存在或只有極輕微沁水,無(wú)充填污染;

(4)水泥消耗量少且收縮率小,能保證較好的接頂質(zhì)量;

(5)充填濃度高,有利于提高充填體的的強(qiáng)度;

(6)可輸送顆粒較大的物料(25～35mm),降低了材料的加工要求,有利于降低充填成本;

(7)充填體易于接頂,有利于采場(chǎng)穩(wěn)定和采礦作業(yè)安全等[9]。

因此,綜合分析鉛鋅礦采空區(qū)賦存特征、礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀、充填材料來(lái)源等因素,擬主要采用膏體充填治理水口山鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)。

3 膏體充填

充填采用3班制,每班有效充填時(shí)間6h,年充填量36萬(wàn)m3,計(jì)劃3年內(nèi)完成采空區(qū)治理。

3.1 充填材料

目前,鉛鋅礦選廠日產(chǎn)尾砂200m3,康礦選廠日產(chǎn)尾砂1800m3,尾礦漿濃度24%,尾礦庫(kù)庫(kù)存尾砂270萬(wàn)m3,材料來(lái)源充足,滿足采空區(qū)充填需求。選廠尾砂顆粒級(jí)配見(jiàn)表1、表2,尾砂粒徑結(jié)構(gòu)比例合理,滿足膏體制備條件。

表1 水口山鉛鋅礦分級(jí)尾砂粒級(jí)組成

表2 水口山鉛鋅礦全尾砂粒級(jí)組成

此外,水口山有色金屬公司冶煉廠產(chǎn)生的大量水淬爐渣、粉煤灰可作為充填骨料,尤其是粉煤灰,除了可部分替代水泥降低充填成本外,還可以改善漿體流動(dòng)性能,提高漿體懸浮性,減少充填體沁水率,是膏體制備最好添加物[10]。

為提高膏體濃度及抗壓強(qiáng)度,改善膏體流動(dòng)性,可加入減水劑等化學(xué)外加劑。減水劑不僅可以提高膏體濃度和強(qiáng)度,減少水泥用量,而且可以作為泵送劑,防止膏體在泵送管路中離析和堵塞,使其在泵壓下順利通行,對(duì)于膏體制備及輸送作用明顯[11]。

參照類似礦山實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及采空區(qū)充填條件,充填料漿濃度不應(yīng)低于76%,在后期充填過(guò)程中也可以根據(jù)實(shí)際情況確定最優(yōu)充填料漿濃度。

3.2 膏體充填工藝流程

按照經(jīng)濟(jì)、合理的原則,選用“選廠低濃度尾砂＋尾礦庫(kù)干尾砂＋普通硅酸鹽水泥＋粉煤灰＋減水劑”型充填材料。其工序主要包括物料準(zhǔn)備、定量攪拌制備膏體、泵壓管道輸送、采場(chǎng)充填作業(yè)4部分[12]。

(1)在立式砂倉(cāng)中將選廠尾砂漿和尾礦庫(kù)干尾砂進(jìn)行混合,提高尾砂漿濃度,同時(shí)在水泥倉(cāng)中加入水泥、粉煤灰、水淬爐渣等骨料進(jìn)行混合;

(2)通過(guò)水泥倉(cāng)給料機(jī),立式砂倉(cāng)放礦裝置將物料排放到攪拌裝置中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?在攪拌過(guò)程中加入減水劑及其他外加劑,以此提高膏體強(qiáng)度及其他性能;

(3)待制備出適合管道輸送的膏狀物料后通過(guò)鉆孔或者管道采用自流或泵壓輸送方式送入充填區(qū)。充填工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 水口山鉛鋅礦膏體充填工藝流程

在膏體制備中,要盡量做到用料精準(zhǔn),符合膏體制備技術(shù)參數(shù)。在攪拌過(guò)程中,要盡量做到攪拌充分,特別是對(duì)使用外加劑的充填料漿,充分?jǐn)嚢栌绕渲匾?/p>

3.3 充填系統(tǒng)構(gòu)成

建立一套自動(dòng)化充填工藝控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)配給,料漿濃度的自動(dòng)檢測(cè),膏體的自動(dòng)輸送,并避免人工操作導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。

地表充填站對(duì)廢棄的4＃金礦體尾砂膠結(jié)充填站進(jìn)行改造。充填系統(tǒng)主要設(shè)備和設(shè)施為:

(1)容積600m3式砂倉(cāng)1個(gè),用于選廠尾砂與尾礦庫(kù)干尾砂的混合,吊裝式圓盤(pán)給料機(jī)、振動(dòng)篩、皮帶機(jī)供料,給料能力60～90t/h;

(2)250m3立式砂倉(cāng)1個(gè),用于儲(chǔ)存并混合水泥、粉煤灰、爐渣等,雙管螺旋給料機(jī)供料,給料能力30～50t/h;

(3)攪拌機(jī)選用1臺(tái)STF－Φ600型雙軸葉片式攪拌機(jī)和1臺(tái)STF－980型強(qiáng)力活化攪拌機(jī),經(jīng)過(guò)2次攪拌,使其充分混合,形成良好的膏體充填料[]。

水泥倉(cāng)、立式砂倉(cāng)為鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu),膏體泵采用栓塞泵,布置在廠房?jī)?nèi),位于地表儲(chǔ)料倉(cāng)出口附近。在充填鉆孔的上方,建一個(gè)地表儲(chǔ)料倉(cāng),保證料漿的順利輸送,并實(shí)現(xiàn)料漿的再次攪拌。

3.4 充填線路布置

礦山采空區(qū)充填根據(jù)充填倍線的不同采用充填料漿自流和泵送兩種方式。制備好的料漿通過(guò)地表充填管道下至充填鉆孔,經(jīng)井下水平管路到達(dá)采空區(qū)。在布置充填線路時(shí),充分利用礦山現(xiàn)有的4＃金礦體充填管道。

在充填采空區(qū)時(shí),需要在采空區(qū)上部開(kāi)鑿充填鉆孔,充填鉆孔應(yīng)布置在采空區(qū)中部最高處以達(dá)到接頂目的。

3.5 充填擋墻

充填作業(yè)前,在沿脈運(yùn)輸巷道與底部出礦穿脈巷道口處建立井下充填擋墻(見(jiàn)圖2)。井下充填擋墻由空心預(yù)制磚砌筑,厚度為1.2～1.5m。充填擋墻砌筑時(shí)選擇巖石穩(wěn)固性好、斷面小、易于排水的巷道壁部位,擋墻中間距底板0.3m處預(yù)留濾水管,濾水管道沿靠近采空區(qū)出口一側(cè)固定在采空區(qū)圍巖壁上,保障充填濾水效果。

圖2 充填擋墻結(jié)構(gòu)

在充填過(guò)程中,由于正在開(kāi)拓深部工程,掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢石直接充填井下采空區(qū),在設(shè)置充填擋墻時(shí)要布置緩沖區(qū)段。充填時(shí),待廢石填滿采空區(qū)后可利用膏體料漿填充廢石縫隙,以提高充填體的強(qiáng)度。

3.6 充填質(zhì)量管理

(1)嚴(yán)格做好充填物料的質(zhì)量檢驗(yàn),避免不合格材料的使用,控制膏體濃度,精準(zhǔn)料漿配合比,充分?jǐn)嚢栉锪?

(2)嚴(yán)格做好充填日常管理工作,嚴(yán)格按照生產(chǎn)指令執(zhí)行,避免不正常的停車;

(3)確保穩(wěn)定的物料供應(yīng),避免因物料供應(yīng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致儀表、輸送設(shè)備頻繁調(diào)節(jié),避免供料不足而導(dǎo)致料漿質(zhì)量下降;

(4)加強(qiáng)設(shè)備點(diǎn)巡檢,強(qiáng)化各崗位人員操作,減少事故停車率,及時(shí)處理設(shè)備故障,做好設(shè)備檢修,避免因故障停車而導(dǎo)致的堵管或者膏體質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

4 應(yīng)用效果

(1)有效治理了采空區(qū),避免了地表塌陷,處理了大量堆積尾砂及冶煉廠固體廢棄物,利用充填系統(tǒng)將選廠尾砂充填采空區(qū),避免了尾砂排放帶來(lái)的環(huán)境影響,保護(hù)了生態(tài)環(huán)境;采空區(qū)得到有效治理,為井下殘礦回采提供更安全的開(kāi)采條件;避免了因采空區(qū)貫通而導(dǎo)致的通風(fēng)紊亂,實(shí)現(xiàn)了有效通風(fēng),保證了工人職業(yè)健康。

(2)使老鴉巢礦區(qū)的殘礦資源得到充分回收,避免了資源浪費(fèi),延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限;大量的尾砂充填,延長(zhǎng)了康家灣礦齋家沖尾礦庫(kù)的服務(wù)年限,節(jié)省了尾礦庫(kù)壩體加高擴(kuò)容費(fèi)用;新建的充填系統(tǒng)在鴨公塘礦區(qū)深部開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用,使得鴨公塘深部5000余萬(wàn)噸礦石得到有效利用和安全開(kāi)采;在水文條件極其復(fù)雜的鴨公塘深部,膏體充填體對(duì)圍巖涌水起到很好的封堵效果,減少疏排水費(fèi)用;冶煉廠廢渣的利用,節(jié)省了處理廢渣所需費(fèi)用。

(3)消除安全隱患,避免了地表塌陷給居民帶來(lái)的不安定性,化解了與周邊村民的矛盾,維護(hù)了社會(huì)及礦區(qū)的和諧穩(wěn)定。

(4)膏體充填可以為鴨公塘礦區(qū)深部充填采礦提供技術(shù)依據(jù);也可為康家灣礦充填系統(tǒng)升級(jí)改造提供技術(shù)依據(jù)。

5 結(jié) 論

水口山鉛鋅礦作為歷經(jīng)一百多年開(kāi)采的老礦山,開(kāi)展采空區(qū)治理已迫在眉睫,通過(guò)本文的初步探討,系統(tǒng)分析了鉛鋅礦采空區(qū)的體積及特征;通過(guò)各種治理方法的綜合對(duì)比,擬采用膏體充填方法進(jìn)行采空區(qū)治理;系統(tǒng)討論了充填物料選擇、配比及要求,充填工藝及方案的實(shí)施;采空區(qū)治理后,在環(huán)保、資源回收、經(jīng)濟(jì)、安全等方面取得了較好的效果。膏體充填治理采空區(qū),不僅可以解決目前鉛鋅礦采空區(qū)治理及井下生產(chǎn)問(wèn)題,也可為其他類似礦山采空區(qū)治理起到借鑒作用。

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2017-04-25)

鄧 釗(1987－),男,江西九江人,采礦助理工程師,主要研究井下采礦生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)工作,Email:361548028＠qq.com。