李曉東 溫占國 杜英男 王建新 尹 裕

(1.河鋼集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

石人溝鐵礦于2004年由露天生產(chǎn)正式轉(zhuǎn)入地下開采，經(jīng)歷了三期建設(shè)。一、二期工程采礦方法為平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法，由于在開采期間尚無有效的采空區(qū)治理手段，所以一、二期工程采空區(qū)整體遺留；三期工程采礦方法為分段空場嗣后充填法，按照工程總體設(shè)計要求，于2011年在地表建立并投入使用一座充填站。前期因受三期工程采礦進度影響，充填站運行首要任務(wù)是對一、二期工程遺留下來的采空區(qū)進行充填治理；后期隨著三期工程井下開采逐步展開，逐漸將充填作業(yè)重點轉(zhuǎn)向正常的采充工序銜接。石人溝鐵礦、充填生產(chǎn)工藝屬于四新范疇，在采空區(qū)充填擋墻封堵方面基本沒有可以直接借鑒的經(jīng)驗，通過不斷技術(shù)探討與現(xiàn)場實踐，循序漸進積累經(jīng)驗與方法，以總結(jié)出適合于礦山自身生產(chǎn)需求的充填擋墻封堵技術(shù)。

1 工程概況

石人溝鐵礦充填站共設(shè)有A、B、C、D 4組充填系統(tǒng)。2011年，A、B兩組經(jīng)過自動化系統(tǒng)全面升級改造后正式投入使用，C組在完成初步技改后作為備用系統(tǒng)，D組一直未啟用。充填骨料為選廠全尾砂，經(jīng)大井濃縮后通過水隔離泵輸送至充填站砂倉內(nèi)，砂漿流量約150 m3/h，濃度為40%～45%。該礦在較長時期內(nèi)都使用水泥作為充填膠結(jié)材料，后期在完成新型膠凝材料試驗后，實現(xiàn)了礦渣微粉激發(fā)劑與礦渣微粉混合膠結(jié)材料的大規(guī)模推廣使用，無論是使用水泥還是使用新材料替代品，在平均生產(chǎn)灰砂比為1∶6時，從現(xiàn)場取樣及試驗取樣來看，充填體28 d單軸抗壓強度均大于3 MPa，完全滿足了井下采空區(qū)充填的安全要求。在井下采空區(qū)充填作業(yè)前需對各分段巷道出口及空區(qū)透點進行擋墻封堵。

對于充填生產(chǎn)工序中的充填擋墻封堵技術(shù)來說，面臨的問題較多。石人溝鐵礦面臨的首要問題是確保封堵工程在施工中及投入使用后的安全性，尤其是后者，若擋墻周邊密封性不好，或墻體本身承壓能力弱，輕則出現(xiàn)充填料漿跑、漏事故，重則出現(xiàn)墻體垮塌直至充填料漿大體量潰漿事故，造成的安全問題較大，后續(xù)處理難度也很大[1]；其次是施工進度必須要滿足充填生產(chǎn)需求，若封堵周期過長，會直接影響到后續(xù)一系列充填生產(chǎn)工序的高效銜接；再者是要盡量降低封堵工程成本投入，這對于實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營效益最大化目標(biāo)尤為關(guān)鍵。

2 充填擋墻封堵技術(shù)方案

安全、進度及成本問題是實施充填擋墻封堵工程著重把握的3個要素。石人溝鐵礦技術(shù)攻關(guān)人員通過不斷的技術(shù)探索與現(xiàn)場實踐，研究并實施了3種充填擋墻封堵方法，應(yīng)用于井下采空區(qū)封堵墻施工的各個階段。

2.1 一、二期工程充填擋墻封堵方案

對一、二期工程遺留下來的采空區(qū)進行充填治理時，由于在充填擋墻封堵技術(shù)儲備方面尚屬空白，石人溝鐵礦特組織專業(yè)人員對幾家兄弟礦山的成熟封堵技術(shù)進行了現(xiàn)場考察調(diào)研。鑒于該礦現(xiàn)場施工操作從頭起步，所以較穩(wěn)妥地擬定了重力式擋墻類型中的混凝土澆筑墻體封堵方案。

擋墻選址要求：擋墻封堵位置圍巖狀況要好，無斷層與大裂隙帶，巷道輪廓較平整；擋墻封堵所在巷道斷面盡量小，斷面過大會造成施工不便，且會極大提高施工成本；擋墻封堵位置不能離采空區(qū)太近，否則會增加施工危險系數(shù)，也不能離采空區(qū)太遠，否則會影響到后續(xù)的礦房底部結(jié)構(gòu)礦石回收工作。

擋墻施工技術(shù)方案：擋墻底部開槽深度約300 mm，確保擋墻根部與巷道底板融為一體；擋墻內(nèi)部設(shè)置等距橫向拉筋，每層2根，層間距不大于500 mm，拉筋兩端與錨桿焊接，再將錨桿尾端植入圍巖約350 mm；擋墻內(nèi)呈梅花形預(yù)埋多個4寸鐵質(zhì)排水管，其孔間距與排間距均在1.0～1.5 m，每根排水管內(nèi)高外低敷設(shè)，下傾坡度約5%，且提前將內(nèi)側(cè)端頭與柔性濾水管相接；擋墻厚度設(shè)定為750 mm，施工時在墻體兩側(cè)預(yù)先支立模板，再在模板中間由下至上逐層澆筑混凝土，為使充填接頂效果良好，混凝土精確接到頂板處?；炷翝仓w封堵施工示意見圖1。

圖1 混凝土墻體封堵施工示意

針對石人溝鐵礦一、二期工程遺留下來的采空區(qū)，基本上都采用混凝土澆筑墻體封堵方案，經(jīng)過1 a 多的充填生產(chǎn)實踐，證明了該方法在技術(shù)上安全、有效，這對于尚屬封堵技術(shù)摸索期的礦山來說，發(fā)揮出了較大的作用。但是，混凝土澆筑墻體封堵技術(shù)的一些弊端在采空區(qū)治理后期也逐漸顯現(xiàn)出來，如施工進度稍顯拖沓，尤其是施工成本高昂的缺點最為明顯。

2.2 三期工程前期充填擋墻封堵方案

石人溝鐵礦三期工程采用了分段空場嗣后充填法，對礦房采充生產(chǎn)工序銜接效率更為重視，所以要求改進后的充填封堵技術(shù)在確保安全的前提下，盡量簡化操作步驟，縮短封堵周期，提升封堵效率，同時要合理地降低封堵成本。礦山技術(shù)攻關(guān)人員研究并試驗同屬于重力式擋墻類型中的青磚砂漿墻體封堵方案。

擋墻選址要求同2.1章節(jié)選址要求。

改進后的擋墻施工技術(shù)方案：擋墻底部開槽規(guī)格、擋墻內(nèi)部橫向拉筋設(shè)置、擋墻內(nèi)預(yù)埋排水管等規(guī)定同2.1章節(jié)；擋墻厚度也設(shè)定為750 mm，青磚砂漿逐層砌筑，同樣精確處理擋墻與頂板接縫處；為防止墻體內(nèi)部及周邊縫隙滲水，墻體最外側(cè)實施人工抹面，厚25 mm，同時對墻體周邊巷道進行噴漿處理，厚50 mm，寬1.0 m。青磚砂漿墻體封堵施工示意見圖2。

圖2 青磚砂漿墻體封堵施工示意

該封堵技術(shù)方案在石人溝鐵礦三期工程前期應(yīng)用效果良好，達到了技改攻關(guān)的預(yù)期目標(biāo)。與2.1章節(jié)相比，其縮短封堵周期近1/4，施工成本降低了1/2還多，在安全系數(shù)不打折扣的前提下，進度與成本總體優(yōu)勢提升較大，改進效果非常好。

2.3 三期工程后期充填擋墻封堵方案

石人溝鐵礦三期工程開采后期，為積極貫徹落實上級挖潛增效、降本增效及科技創(chuàng)效指示精神，組織技術(shù)力量啟動了充填擋墻封堵技術(shù)的第三次科技攻關(guān)。該封堵方案不同于前述重力式擋墻類型，而屬于一種可回收式輕型封堵?lián)鯄︻愋蚚2]。

可回收式輕型封堵?lián)鯄κ┕ぜ夹g(shù)方案：在墻體預(yù)定位置巷道底板開槽，寬500 mm，深300 mm；由外到內(nèi)，第一層為鋼骨架，由10#工字鋼搭接而成，橫豎網(wǎng)度尺寸不大于500 mm×600 mm，所有橫豎龍骨交叉點都做焊接處理，每根龍骨兩端采用φ36 mm 錨桿植入巷道圍巖，底部使用錨固劑固定，錨固深度為300 mm，外露200 mm，2個鐵質(zhì)排水管(帶法蘭)選取合適位置焊接在鋼骨架橫豎龍骨交叉點部位；第二層為φ6 mm鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，除預(yù)留人孔外全斷面滿鋪，使用鐵絲綁扎在鋼骨架上；第三層為木板結(jié)構(gòu)，單塊木板規(guī)格為4 000 mm×200 mm×30 mm，相鄰木板間隔不超過20 mm，除預(yù)留人孔外全斷面滿鋪于鋼筋網(wǎng)背面，并與之綁扎固定在一起；第四層為麻袋片結(jié)構(gòu)；第五層為無紡?fù)凉げ冀Y(jié)構(gòu)，土工布厚3 mm，除預(yù)留人孔外2種材料全斷面滿鋪，釘在木板上，同時周邊伸出墻體約200 mm；為防止墻體周邊縫隙漏漿，在其內(nèi)側(cè)巷道頂板與巷道兩幫采用特制木塊加青磚砂漿結(jié)構(gòu)圈實施精細堵縫施工；將麻袋片與無紡?fù)凉げ忌斐鱿锏赖装宀糠种糜诘撞蹆?nèi)，并在底槽內(nèi)外兩側(cè)使用水泥砂漿澆筑嚴(yán)實；2個鐵質(zhì)排水管(帶法蘭)外端部用螺栓連接蝶閥(帶法蘭)，內(nèi)端部采用鐵絲綁扎柔性濾水管；頂板與底板斜支撐也由10#工字鋼制作，位于封堵墻外側(cè)，其一端焊接在鋼骨架橫向龍骨上，另一端采取與鋼骨架相同的錨接方式固定在巷道頂板與巷道底板上；最后使用稍大規(guī)格木質(zhì)人孔擋板完全封閉預(yù)留人孔，周邊用鋼釘釘實，為保證木質(zhì)人孔擋板的嚴(yán)密性，在其封閉面一側(cè)需提前覆蓋2～3層無紡?fù)凉げ糩3]?？苫厥帐捷p型封堵?lián)鯄Y(jié)構(gòu)見圖3。

通過應(yīng)用無紡?fù)凉げ紴V水，該輕型封堵?lián)鯄p少排水管設(shè)置數(shù)量，但并不影響擋墻整體濾水效果。在實施規(guī)范充填生產(chǎn)組織模式下，新型封堵?lián)鯄υ诮^大多數(shù)試驗與應(yīng)用條件下(少數(shù)中深孔集中大爆破區(qū)域除外)，都較好具備了充填擋墻所必備的堅固性、密閉性與良好濾水性，能夠滿足礦房采充工序安全要求。另外，新型封堵?lián)鯄Σ粌H降低了工程施工量，減少了材料耗費，節(jié)省了人力與物力，而且除土工布外其余絕大部分材料都可以回收再利用，降本效果非常明顯，據(jù)統(tǒng)計，同2.2章節(jié)擋墻技術(shù)相比，可降低綜合成本達1/4左右。所以，該輕型擋墻封堵技術(shù)完全具備在井下采空區(qū)封堵工程中的全面推廣與應(yīng)用價值。

上述3種充填擋墻封堵技術(shù)實施效果及評價見表1。青磚砂漿封堵方式相比于混凝土澆筑封堵方式，在確保了使用安全的前提下，封堵周期縮短1/4，施工成本降低一半還多，按照該礦每年平均約3 000 m2充填擋墻封堵面積折算，實施方案二較方案一每年可實際節(jié)約封堵費用達280多萬元；同樣，經(jīng)過擋墻封堵技術(shù)再攻關(guān)后，推廣應(yīng)用可回收式輕型封堵?lián)鯄Φ膬?yōu)勢較前兩種方案也進一步顯現(xiàn)，尤其在經(jīng)濟效益方面，可為該礦每年多節(jié)約充填封堵費用達40多萬元，更為可貴的是，方案三踐行了該礦安全、高效、節(jié)約、環(huán)保發(fā)展理念，為全面打造可持續(xù)開采綠色金屬礦山邁出了堅實的一步。

圖3 可回收式輕型封堵?lián)鯄Y(jié)構(gòu)

表1 3種充填擋墻封堵技術(shù)實施效果及評價

注：方案三全面推廣后，約有1/5環(huán)境受限區(qū)域封堵工程由方案二進行施工補充。

3 結(jié) 語

石人溝鐵礦在井下采空區(qū)充填擋墻封堵工程實踐中，緊緊圍繞保安全、穩(wěn)進度、降成本的總目標(biāo)，由主及次，循序漸進，通過不斷技術(shù)探討和論證，同時充分挖掘與利用各種有效措施，在井下開采的3個階段成功實踐了3種采空區(qū)封堵技術(shù)方案，并最終總結(jié)出了一套適合于石人溝鐵礦充填工藝的成熟采空區(qū)封堵技術(shù)，即在絕大部分區(qū)域以可回收式輕型封堵?lián)鯄橹?，在少?shù)炮震集中區(qū)域以青磚砂漿墻體作為補充的安全、高效、低成本的充填封堵技術(shù)方法，從而為礦山井下采空區(qū)治理與采充生產(chǎn)高效銜接奠定了堅實的技術(shù)保障。該技術(shù)方案的實施也較好地貫徹落實了國家關(guān)于大力建設(shè)安全、高效、綠色金屬礦山的指示精神，對于石人溝鐵礦持續(xù)、健康發(fā)展以及國內(nèi)同類型地下金屬礦山生產(chǎn)經(jīng)營都具有一定的示范意義。