三山島金礦采場充填脫水工藝改進措施

顏丙乾 楊 鵬 呂文生

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083;3.北京市信息服務工程重點實驗室，北京100101)

三山島金礦是我國第一個進行海底采礦的硬巖礦山，為了保證開采工作的連續性和安全性，礦山要求提高井下充填體早期強度，以便充填后短期內相臨盤區開展下一步開采工作。采場充填脫水作為充填工藝中的重要組成部分，脫水情況的好壞對充填體的初凝強度和后期強度都將產生較大影響。充填脫水效率高可使充填速度明顯加快，同時充填體初凝時間會大大提前，充填體早期強度也會得到有效提高。

1 三山島金礦充填材料及充填脫水

尾砂可分為分級尾砂和全尾砂2 種，三山島金礦充填料漿制備主要是使用分級尾砂和充填水泥，用高鹵地下水拌合而成。分級尾砂主要是選廠產生的全尾砂經過旋流器分級脫泥脫水產生。

三山島金礦的充填料漿的濃度一般為70% ～72%，但是在自流輸送過程中難免出現部分堵管趨勢，此時充填系統將臨時調低充填料漿濃度。該礦采場分次充填［1］，灰砂比安排:最下部1 m 為1 ∶ 5(2014 年之前為1∶ 6)，中間1.21 m 為1∶ 10，最上部接頂灰砂比為1∶ 8。分次充填不僅有利于脫水，同時根據現場強度要求不同分配灰砂比，更有利于充填用固結材料的合理利用。

礦用充填材料為非均質流，在充填料漿充填至采空區之后會產生水泥離析現象，為了在充填現場減少離析對充填體的不利影響，在采場內使用可隨時移動的充填軟管。采場脫水以溢流為主，同時使用土工布滲流脫水，并設置了鐵質濾水籠部分代替了木質擋墻。采場中充填料漿會發生沉降，如圖1 所示，較粗和較細粒級的顆粒沉降之后，上層出現一定量的相對澄清的水，而這部分水的排出是溢流管脫水的主要任務。排出澄清水之后的充填漿液濃度得到較大提高，但是其中仍有大量結合水、毛細水和重力水［2］，重力水在重力作用下需要通過土工布滲透脫水，而毛細水與結合水很難通過重力或者其他機械脫水方式脫水。雖然充填料漿制備中使用的是分級尾砂，但是礦用充填水泥顆粒相對較細，灰砂比越高的充填料的滲透性越差，滲透脫水的速度越慢、排水量越小。

圖1 采場充填沉降后的狀態Fig．1 The stope filling state after settlement

尾砂膠結充填料漿沉降過程中，充填管道出料口附近會富集更多的粗粒級顆粒，遠離出料口位置細粒級較多［3］，同時粗粒級充填料會沉積在底部，細粒級顆粒處在中間位置，上層為澄清水。三山島金礦充填用管為移動式充填管道，在防止充填水泥過分離析對充填體產生不利影響的同時，也使充填料漿粗細顆粒分布較為均勻。由于細粒級顆粒和充填水泥部分成分分布在中間位置，保水性好，滲透性較差，充填表層澄清水滲透脫水效果很差，只能通過溢流方式脫出。

2 三山島金礦采場充填脫水改進措施

2.1 充填脫水理論

尾砂膠結充填體脫水除了沉降后表層水的溢流方式脫出之外，滲透脫水是重力水等其他形式的水脫出的主要方式，滲透脫水效果及脫水速度主要受尾砂的滲透系數的影響。干而密實的尾砂滲透系數與其孔隙率密切相關，如圖2(a)中所示的理想狀態下等粒徑球狀顆粒的孔隙率計算公式［4］為

式中，r 為顆粒半徑，mm。

從式(1)中可以看出，理想狀態下等粒徑球狀顆粒的孔隙率是常數，不隨顆粒粒徑的變化而變化。但是等粒徑顆粒的分布一般并不是按照圖2(a)中所示的狀態分布，而是如圖2(b)中所示的狀態分布的，式(1)并不能完全反應等粒徑球狀顆粒的孔隙率。因此，式(1)所表現的孔隙率為理想狀態的最大值，隨著顆粒粒徑的減小，實際的孔隙率會變小。滲透系數顯然隨粒徑的減小而變小，這較好地體現了滲透系數與孔隙率的正相關性。

圖2 等粒徑顆粒分布情況Fig.2 The distribution of equal size particles

正是由于充填體脫水效率和其滲透特性密切相關，因此，充填體滲透系數是影響充填脫水效率的重要因素。

滲透系數通常指在各向同性介質中，流體通過孔隙骨架的難易程度。儲水系數，反映含水層水頭下降或上升單位高度時，從單位水平面積和高度等于含水層厚度的柱體中釋放或儲存水體積能力的一個參數。由于儲水系數是從單位面積儲存中釋放出來的水的體積，所以它是個無量綱的量。

通過實驗室試驗測定出充填分級尾砂的滲透系數和儲水系數，設計充填空區中充填層厚度和脫水井間距，研究這些相關參數之間的變化關系。不同影響因素和相關參數之間的關系如圖3 ～圖6 所示。

圖3 滲透系數與滲流時間的關系Fig.3 Relationship between permeability coefficient and percolation time

圖4 儲水系數與滲透系數的關系Fig.4 Relationship between storage coefficient and permeability coefficient

圖5 充填層厚度與滲流時間的關系Fig.5 Relationship between filling thickness and percolation time

圖6 脫水管間距與滲流時間的關系Fig.6 Relationship between dewatering tube spacing and percolation time

從圖3 可以明顯看出，滲透系數增加，脫水時間減少，脫水速度加快，因此可以增加充填料的孔隙度，進一步提高滲透系數，從而提高充填體脫水效率。從圖4 可以看出，儲水系數和滲透系數呈近似負相關關系，滲透系數隨儲水系數的增加而減小。從圖5 可以看出，充填分層高度對滲流時間影響不大，但是滲流時間會隨著充填層高度的增加略微增加，充填層高度越高越不利于滲流速度的提高，因此可以在不影響工程進度和其他參數的情況下，適當控制充填層高度。從圖6 可以看出，脫水管布設間距越大，相同充填采場的脫水管數量越少，脫水速度越慢，脫水所需時間隨之增加，因此，要提高脫水效率，在充填成本允許的條件下，適當增加脫水管的數量，并將脫水管盡量分布均勻。

2.2 三山島金礦采場充填脫水改善措施

充填料漿充填至采空區之后，在重力和水力分異作用下，充填體會產生自然沉降，充填料漿中的相對較粗的顆粒沉積在充填采場的下部，相對較細顆粒分布在中間部分，上層出現大量沉積產生的澄清水。在水和細粒級顆粒之間會因水泥中部分成分或尾砂中的泥質富集產生較薄的不透水層。因此溢流管和滲透脫水管可以穿過這個小分層。

由于粗粒級顆粒集中在出料管口位置附近，沉降之后上層澄清水會聚集在遠離出料管口的位置，三山島金礦使用可移動充填管，相對較粗粒級顆粒集中在下部，如圖7 所示，上層澄清水相對平均分布在上層。三山島金礦使用的一根溢流管，溢流管布置在圖7 所示位置。

圖7 采場充填脫水管布設Fig.7 Arrangement of the stope filling dewatering tube

在溢流管將上層澄清水脫出之后，充填料中的相對粗顆粒和細顆粒中還富存大量重力水和其他形式的水，因此需要加設脫水管。初步設計脫水管布置如圖7 所示，由于脫水管在脫水過程中難免出現較細粒級顆粒進入脫水管的情況，為了更好地發揮脫水作用，脫水管不宜水平布置［5］。

脫水管豎直布設，可以在充填之前先將脫水管用專用的連接裝置固定在頂板位置，并用連接口將管口封閉，避免接頂充填時料漿灌入脫水管。同時為了進一步增加脫水管與充填料漿的接觸面積，更有利于充填脫水，將脫水管設計成波紋管，提高脫水效率。波紋管的的凹槽內每圈鉆一些脫水孔，在脫水管外面套一層濾水布，避免充填料漿通過脫水孔進入脫水管。

當采場不滿足脫水管豎直布設條件，分層采場不方便構筑向下的脫水井時，則脫水管不能豎直布置，充填料漿脫水不能排到脫水井中。為了使脫水管更好地發揮脫水效果，只能將脫水管傾斜布置，脫水管的一端固定在采場空區的頂板位置，另一端通過濾水擋墻伸向擋墻外，脫水管中間穿過上層澄清水、細粒級充填料顆粒、粗粒級充填料顆粒，脫水管布置與底部的夾角在30°以上，脫水管外部也要包一層濾水布，避免較細顆粒進入脫水管后無法脫水。傾斜布置的脫水管可以通過重力作用將沉降后充填料中的重力水排出，傾角越大排水效率越高。

三山島金礦現場使用的脫水方案是溢流管溢流脫水和加有土工布的鐵絲網濾水擋墻滲透脫水，由于在滲透脫水過程中，濾水擋墻使用的土工布被充填料中的細顆粒堵塞，在后期不能依靠重力和滲透作用脫水。然而，如果將堵塞的濾水布清洗后雖然能繼續脫水，但是清洗工作難以開展，必須對擋墻的設計加以改進。由于土工布的孔徑較小，因此可以將單層土工布改成雙層孔徑較大的濾水布，這樣可以改善細粒級顆粒對濾水布的堵塞，增加有效滲透脫水時間，脫水工作更高效。另外，由于細粒級顆粒在充填料重力水滲透脫水過程中會聚集在濾水布附近，堵塞濾水布，影響后期脫水，因此可以在濾水布與充填料漿接觸部分堆放廢石(如圖8 所示)，減小充填料漿與濾水布的直接接觸，防止細粒級聚集在濾水布附近阻礙重力水的滲透排出。

圖8 濾水擋墻和土工布布置Fig.8 Arrangement of retaining walls and drainage geotextile

采場充填過程中為了防止洗管水和引路水進入充填空區，設計使用了充填管道三通閥［6］，將對充填有害水排在充填采場外，三通閥安裝在充填管道采空區外10 ～50 m 的位置，雖然操作復雜但有效減少了洗管水和引路水進入充填空區。

然而，三通閥可阻止洗管水和引路水進入采場，但不能對充填料漿直接脫水。為此，設計使用濾水器(如圖9 所示)代替三通閥，安裝位置與三通閥相似。濾水器是在充填管道中間設計一段比充填管道略粗的金屬網管，將充填管道中的充填料漿在進入充填空區前通過金屬網濾水，提高進入空區的充填料漿濃度，減少充填料漿中水泥的離析，同時提高充填密實度，大大降低了充填后的脫水量。在金屬網和管道內壓力作用下，尾砂等不會從金屬網流出，濾水器布置方式如圖10 所示。

圖9 濾水器設計Fig.9 Water filter design

圖10 充填管道加設濾水器設計Fig.10 Design of additional water filter for filling tube

充填料漿充入采空區之后能否及時脫水直接影響著充填工作效率和充填能力大小，同時對充填體后期強度產生較大影響。充填料漿脫水速度慢，充填料漿沉降離析嚴重，充填體質量將大大降低，因此脫水效果的好壞對充填體強度產生較大影響。

鑒于此，很多礦山也嘗試使用其他措施提高充填體脫水效果。如有研究［7］發現在直流電作用下，充填料漿脫水速度增加10 倍以上;在采場中安裝吸水管形成負壓強制脫水［8］，但是負壓脫水之前需要封閉空區，以取得良好的脫水效果。

新式脫水籠［9］在很多礦山有過現場使用經驗，脫水籠結構如圖11 所示。在采空區底部設立底部集水區和底部排水管，集水區上部架設濾水鋼結構，濾水鋼結構外部使用濾水布。新式脫水籠安裝繁瑣，但是脫水效果比較好，礦山需要根據自身采空區條件進行選擇。

圖11 新式脫水籠結構Fig.11 The new dewatering cage structure

3 結 論

三山島金礦采場充填體脫水速度和效果，對充填體的初凝和后期強度產生較大影響，針對溢流脫水和充填擋墻滲透脫水2 種方案存在的問題，研究了充填體的脫水改進措施。

(1)通過實驗室測定及分析得出，滲透系數與充填料的孔隙度有明顯的正相關性，增加充填料的孔隙度，可以進一步提高滲透系數，進而提高充填體脫水效率，而儲水系數和滲透系數呈近似負相關關系。充填分層高度對滲流時間影響不大，滲流時間會隨著充填層高度的增加略微增加，但是脫水管布設間距對脫水效率有較大影響，因此要提高脫水速度需要適當增加脫水管的數量，并將脫水管盡量分布均勻。

(2)通過對充填擋墻濾水布的材料和布設改進，提高滲流脫水效果。增加布設豎直或傾斜脫水管，同溢流脫水和滲透脫水等多種脫水措施并用，進一步提高脫水效率。

(3)為了有效降低充填至空區充填料漿的濃度，減少脫水工作量，對充填管道在空區外增加了濾水器，既可有效降低充填料漿進入空區后的離析，又可使充填體初凝時間大大提前，對充填體后期強度大有益處。

(4)對相關礦山采用的其他脫水措施進行了研究發現，負壓強制脫水、直流電脫水和新式脫水籠等脫水方案，雖然脫水效果顯著，但是新式脫水籠安裝繁瑣，對充填采場條件要求較高，使用的經濟性還需進一步研究。

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