小礦山采空區(qū)治理及采礦回采工藝研究

張久明 陳 超 甘德清

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009;2.灤南縣工業(yè)和信息化局，河北 灤南 063500)

1 礦山工程

雙城鐵礦和西雙城鐵礦從2003年開始建設(shè)，2004年建成投產(chǎn)，一直處于無序開采狀態(tài)，從礦山建成至今，共掘豎井26條，其中雙城鐵礦10條，編號為范1井～范11井(沒有范4井)，西雙城鐵礦16條，編號為1井～16井。這26條豎井均在巖石移動(dòng)界線之內(nèi)，井筒凈直徑均為2.6 m，均為簡易箕斗井，井筒內(nèi)沒有梯子間，沒有專用回風(fēng)井。各豎井大部分為獨(dú)眼井，開采中段標(biāo)高不統(tǒng)一，空區(qū)凌亂。采礦方法屬空場法，類似留礦法的巷道型采場，運(yùn)輸巷道布置在脈內(nèi)，巷道即采場，采高為7 m～40 m不等，一般為10 m～15 m，平底結(jié)構(gòu)，是一種極不正規(guī)而又最簡單的采礦方法，存在安全隱患。該礦已經(jīng)形成了80多萬立方米的采空區(qū)，地表已經(jīng)出現(xiàn)3處塌陷區(qū)，其中范3井已塌陷;范2井和7號井屬于危井，不能繼續(xù)使用。隨著采空區(qū)暴露時(shí)間的增加，地壓活動(dòng)也會(huì)逐漸增強(qiáng)，逐漸威脅各個(gè)井筒的安全和深部階段的生產(chǎn)安全，同時(shí)由于開采不規(guī)范，造成各中段遺留大量礦體未進(jìn)行回采。隨著地壓活動(dòng)的增加，將會(huì)使這部分礦體回采更加困難，甚至不能回采，成為永久性損失。

2 空區(qū)治理方案選擇

目前，該礦已形成80多萬立方米的采空區(qū)，1112.91萬t的礦石儲(chǔ)量沒有回收，因此若采用隔離法處理采空區(qū)，無疑會(huì)造成資源的浪費(fèi)。而若采用崩落法處理采空區(qū):1)地下空區(qū)凌亂，沒有統(tǒng)一的開采中段，一旦崩落空區(qū)，1112.91萬t殘礦的絕大部分將成為永久損失;2)不能利用現(xiàn)有23條井筒完好的豎井(在空區(qū)巖石移動(dòng)界線內(nèi))，重新布置井巷工程量巨大;3)同時(shí)處理這么大面積的采空區(qū)施工組織困難，而且爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的地震波，會(huì)對村莊的房屋產(chǎn)生影響，容易引發(fā)村民糾紛。

綜上所述，采空區(qū)處理方案不能采用隔離法處理采空區(qū)和崩落采空區(qū)，只能采用充填法處理采空區(qū)，充填法處理采空區(qū)有干式充填和濕式充填，為了確保回收殘礦時(shí)安全可靠，選擇全尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)處理方案，具有如下先決條件和優(yōu)點(diǎn):1)可以利用現(xiàn)有23條井筒完好的豎井，大大節(jié)省井巷工程的投入。雖然井筒處在空區(qū)巖石移動(dòng)界線內(nèi)，但可以通過技術(shù)途徑解決存在的安全問題:即按礦體延伸方向，從井筒最深、最下部空區(qū)開始充填。2)充填物料充足，運(yùn)距短，該礦的選礦廠距礦區(qū)不足500 m，選礦廠尾礦庫堆置了大量的尾砂，尾砂是充填料的主要成分，運(yùn)距不足500 m，可以節(jié)省大量的運(yùn)費(fèi)。充填物料的粘結(jié)劑主要成分是水泥，遵化、豐潤、遷西均有水泥廠，所以水泥容易購買。3)全尾砂膠結(jié)充填體具有一定的強(qiáng)度，可以有效地降低空區(qū)圍巖的應(yīng)力集中，減小地壓，充填體凝固一段時(shí)間后，即可進(jìn)行殘礦回采，給殘礦回收提供了安全保證。4)全尾砂膠結(jié)充填體可以阻止或減緩上部涌水滲入深部各中段，降低井下排水費(fèi)用。5)采用全尾砂膠結(jié)充填法，地表不會(huì)被破壞，有利于生態(tài)環(huán)保。

3 滯留空區(qū)充填工藝研究

采空區(qū)充填前要先封閉采空區(qū)的所有出口，封閉擋墻上設(shè)兩個(gè)泄水管，泄水管打上孔之后，用土篷布包好，封閉擋墻要求堅(jiān)實(shí)嚴(yán)密，不能跑漿。

平巷工程布置在空區(qū)頂板下盤巖石移動(dòng)界線外，斷面4.21 m2，充填完工后可作為殘礦回采時(shí)的運(yùn)輸巷道，掘規(guī)格2 m×2 m的水平巷道與空區(qū)連通，充填口巷道底板標(biāo)高比空區(qū)頂板標(biāo)高低1 m～1.5 m左右，鋪設(shè)充填管路至空區(qū)充填口。

移動(dòng)充填站設(shè)在充填井口，尾砂和水泥通過皮帶運(yùn)至攪拌桶攪拌，攪拌好的尾砂水泥砂漿通過井筒充填管路和平巷充填管路自流到空區(qū)充填口進(jìn)行充填，空區(qū)充填采用計(jì)算膠結(jié)配比，采空區(qū)底板殘礦高度大于5 m的，需進(jìn)行回收，為了確保回收殘礦時(shí)頂板安全，空區(qū)底部先充填3 m厚的1∶4的高配比砂漿，養(yǎng)護(hù)期3 d，濾水后約剩2 m厚的充填體，然后上部再充填設(shè)計(jì)的低配比砂漿至充填口標(biāo)高，采用濾水比較好的材料加高封堵充填口，距巷道頂板200 mm左右，架高充填管，邊充邊濾水，直至接頂，養(yǎng)護(hù)期設(shè)計(jì)齡期后方可進(jìn)行回采作業(yè)(見圖1，圖2)。

由于采空區(qū)較大，當(dāng)充填料高度高于巷道頂板時(shí)，就很難從泄水管濾水，上部回水采用溢流的方式從充填口經(jīng)充填平巷流至充填井的水倉內(nèi)，由水泵排出地表，從空區(qū)溢流的水比較混濁，在流入水倉前先進(jìn)入沉淀池沉淀，然后再排入水倉內(nèi)。

圖1 充填到充填口時(shí)示意圖

圖2 充填接頂示意圖

4 殘礦回采方法研究

空區(qū)頂?shù)装鍤埖V回收采用空場法嗣后充填采礦方法(見圖3)。礦塊回采隔一采一，一步采完進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填，水泥尾砂配比取計(jì)算值。充填料固結(jié)后進(jìn)行二步采，采完后用全尾砂膠結(jié)充填。

圖3 頂?shù)装鍤埖V回收采礦方法

礦塊參數(shù):當(dāng)?shù)V體厚度大于10 m時(shí)，礦塊垂直走向布置，礦塊寬度10 m，礦體厚度小于10 m時(shí)，礦塊沿走向布置，礦塊長度15 m，不留間柱，頂柱厚度4 m。采準(zhǔn)切割:當(dāng)?shù)V體厚度大于10 m時(shí)，在上下盤圍巖中掘天井至上階段回風(fēng)巷，每隔3 m～5 m掘聯(lián)絡(luò)道與礦房相通，天井、聯(lián)絡(luò)道規(guī)格為2 m×2 m，礦塊不設(shè)底部結(jié)構(gòu)，直接將礦房底部拉開，高度2 m。

落礦:以拉底為自由面，自下向上分層進(jìn)行，分段落礦，用YT-27型鑿巖機(jī)鑿水平或垂直炮孔落礦，炮孔深度1.8 m～3 m，孔間距0.8 m～1 m，排間距0.8 m，炮孔交錯(cuò)布置。

爆破采用硝銨炸藥，人工裝填藥卷，起爆器起爆導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，毫秒微差爆破。礦石最大塊度400 mm，不合格大塊在采場二次破碎。第一分層回采高度為4.5 m，即拉底層形成后再向上采2.5 m，后續(xù)分層回采高度為2.5 m，以保證充填作業(yè)完成后留有2 m高的作業(yè)空間。殘礦回采充填工藝研究(見圖4):礦房大量放礦之后，即進(jìn)行充填，一步、兩步采礦塊充填配比取計(jì)算值。

圖4 殘礦回收采空區(qū)充填示意圖

殘礦回收充填和滯留空區(qū)治理充填工藝略有不同，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:

1)充填途徑不同。

滯留空區(qū)治理是從巷道充填，巷道底板低于空區(qū)頂板，殘礦回收采空區(qū)充填巷道底板要高于采空區(qū)頂板3 m～5 m，因此需要打鉆孔充填，鉆孔直徑要略大于充填管直徑，這樣有利于排出空區(qū)內(nèi)的空氣。

2)濾水方式不同。

滯留空區(qū)治理時(shí)采空區(qū)體積較大，且下部巷道口僅有1個(gè)～2個(gè)，因此濾水主要是從空區(qū)頂部濾水。殘礦回收采空區(qū)充填是隨采隨充，空區(qū)面積較小，高度不大，采用天井聯(lián)絡(luò)道和礦塊下部出礦穿濾水。

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