板廟子金礦充填關鍵技術應用研究

常曉娜，石 勇，郭玉杰，邱大剛，李 成

吉林板廟子礦業有限公司， 吉林 白山市 134300)

板廟子金礦充填關鍵技術應用研究

常曉娜，石 勇，郭玉杰，邱大剛，李 成

吉林板廟子礦業有限公司， 吉林 白山市 134300)

板廟子金礦開采條件較差，主要采用分段空場嗣后充填采礦法，從充填材料與配比、充填制備工藝、管道輸送系統、采場充填工藝以及充填體質量控制5個方面詳細闡述了膠結充填關鍵技術在板廟子金礦的應用。礦山實踐表明，采用自產廢石做為充填骨料、粉煤灰做為輔助膠結劑及砌筑噴漿式充填擋墻等技術措施，廢石粉煤灰重量比2∶1，水泥摻量14%時，充填體28 d強度達5.63 MPa，既滿足采礦要求，又有效提高了生產效率，同時節約了大量成本，綜合效益顯著。

充填技術； 尾砂膠結；充填擋墻； 質量控制

板廟子金礦位于吉林省白山市市區北部，礦區地形復雜，溶洞發育，富含裂隙水，開采條件較差[1￣2]。井下主要采用分段空場嗣后充填采礦法，目前礦山井下生產能力約為85萬t/a，充填能力近53萬m3/a。自2009年9月充填站投入使用以來，累計充填量超過180萬m3。充填技術的應用能夠有效控制采場地壓，遏制不穩定巖體移動，減緩地表沉降，保護地表建筑物，是建設綠色礦山、保證礦山可持續發展的重要環節[3￣5]。

板廟子金礦根據采礦順序及采場特點，探索出一套以尾砂膠結充填(CHF)為核心，廢石膠結充填(CRF)與廢石充填(RF)相結合[6￣8]的充填工藝，以及以自流輸送為主，泵送為輔的料漿輸送模式。

1 充填材料與配比

充填材料主要包括膠凝材料和骨料。尾砂膠結充填的膠凝材料主要采用32.5級復合硅酸鹽水泥與粉煤灰，骨料采用外購鐵礦尾砂，并添加井下自產破碎的廢石。采用自產廢石的目的在于取代部分外購尾砂，消耗井下掘進的部分廢石，節約充填成本，減少場地占用。充填材料的物理性質見表1。綜合考慮現場要求的充填用廢石直徑應小于5 mm。自產廢石的10 mm以下粒級分布曲線如圖1所示，經破碎后，約98.5%廢石顆粒直徑小于5 mm，能夠滿足做為充填骨料的需要。

1.2 充填料漿配比

目前，依據不同采場的開采順序和強度要求，水泥摻量分為14%，9%及6% 3個等級。廢石∶尾砂∶粉煤灰的體積比為2∶1∶1和1∶1∶1兩種。

2 充填制備工藝

板廟子金礦充填站采用1號線運輸廢石和尾砂，2號線運輸粉煤灰，3種物料在地表充填制備站的1，2號皮帶處匯合，經計量皮帶稱重后進入攪拌機充分攪拌，有利于3種物料均勻攪拌，進而提高充填體強度，充填制備流程見圖2。

表1 充填材料物理性質

圖1 廢石粒級組成曲線

充填制備系統的主要技術參數見表2。

表2 充填系統主要技術參數

圖2 充填制備流程

3 管道輸送系統

攪拌均勻的料漿經充填鉆孔自流輸送至3條充填管路，分別滿足北區、中區及南區的充填需求。北區部分區域和中區650 m標高以上區域充填倍線不足，需要采用泵送方式充填。現場充填倍線一般在1.5～6.5之間,目前最大值約為8，充填系統管道運輸系統見圖3。充填管道一般從采場上部的穿脈道架設至采場，采場上部不具備管道架設條件時，從采場上部鑿充填鉆孔至待充采場。為保證充填體的接頂效果，在充填擋墻上設置排氣孔。

圖3 充填管道運輸系統

4 采場充填工藝

采場充填工藝不僅直接關系到充填體質量，更影響到井下回采作業的效率、人員設備的安全以及成本控制。

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4.1 充填方式與回采順序

根據回采順序，采場分為一期采場和二期采場，自下而上，“隔一采一”[8]。采場尺寸和形狀根據礦體賦存形態和圍巖條件來確定[9￣11]。一期采場的采空區充填后，充填體取代原巖的支撐作用，為二期采場的安全作業提供保障[12￣13]。充填料漿的水泥摻量根據充填體的作用確定：如果該采空區下部有礦，充填料漿一般添加14%的水泥量做為打底層，保證下方采礦作業安全；如果一期采場相鄰有待采的二期采場，一般添加9%的水泥量以減少二期采場貧化率；二期采場的接頂層一般采用廢石充填，或采用水泥摻量6%的低強度充填體料漿充填，回采順序與充填方式關系見圖4。

圖4 回采順序與充填方式關系

4.2 充填擋墻位置選取

充填擋墻的位置選取主要考慮以下2個因素。

(1) 周圍巖體穩固性。充填擋墻需砌筑在巖石相對穩固的位置，防止擋墻在料漿充填過程中因受力不均而坍塌。

(2) 巷道斷面形狀。將擋墻合理布置在巷道斷面尺寸較小的地方能夠節約成本，減少工作量。同時，應選擇內楔形巷道，以提供更好的支撐效果，充填擋墻受力分析見圖5。圖5(a)中巷道墻壁為充填擋墻提供有效支撐力，而圖5(b)中擋墻受到充填料漿壓力后隨巷道形狀向外滑移，面臨坍塌風險。

另外，充填擋墻的位置需要距離采場空區眉線至少5 m，以確保作業時的人員安全。

圖5 充填擋墻受力分析

4.3 擋墻制作及脫水工藝

板廟子金礦目前使用噴漿式充填擋墻取代了原有砌磚式擋墻，自2014年初應用之后取得很好的效果。

(1) 安裝支架。支架包括垂直立桿和水平橫梁，二者均可伸縮。準確測量巷道的高度和寬度, 利用鏟車或腳手架等輔助工具將立桿垂直于頂板并安裝至巷道高度，采用鉛垂線或L水平儀檢測是否垂直。檢查完畢后，立桿每一端都用4個螺栓將其固定至巖面。立桿安裝完成后，將橫梁放置到立桿支架上并調整橫梁長度，確保其兩端都緊貼巷道側幫巖面，之后橫梁每一端用4個螺栓固定至巖面，最后擰緊立桿支架螺栓。每根立桿間距約1.1 m，橫梁間距約1 m。立桿和橫梁上每隔一定間距焊接有長螺栓，以便后續固定鋼網麻布。支架安裝見圖6。

圖6 擋墻支架安裝

(2) 鋼網及麻布安裝。鋼網及麻布的作用是形成擋墻的實體平面，為后續噴漿作業提供作業面。現場使用的鋼網網度為10 cm×10 cm，規格4 m×2 m。首先根據巷道斷面形狀對鋼網邊緣進行裁剪，最大程度減少鋼網與巖面間縫隙，并用扎帶將鋼網固定于已安裝好的支架上，用支架上原有螺栓將兩層麻布與鋼網貫穿，在麻布外側再附加一層鋼網，最后用托盤螺母緊緊固定。

(3) 深度指示器和排水管安裝。安裝深度指示器的作用是指示噴漿厚度，保證噴漿厚度均勻。深度指示器應均勻布置在鋼網各處。軟質蛇紋濾水管共8根，貫穿采空區內部的硬質PE濾水管共2根，應在搭建支架之前懸掛到位。鋼網麻布安裝完畢后，應用扎帶將濾水管支撐至垂直于鋼網，并用硬質塑料管套在濾水管外進行防護，防止噴漿過程中濾水管被噴漿體埋沒或損壞

(4) 混凝土噴漿。充填擋墻的噴漿體厚度應達到400 mm。混凝土噴漿應遵循自下而上的順序，首先自框架底部到1 m高度范圍內噴漿，達到厚度要求后針對1 m以上高度噴漿至擋墻形成，噴漿厚度以深度指示器被掩蓋為準。充填擋墻養護24 h后方可進行充填作業。

5 充填體質量控制

現場定期開展單軸壓縮試驗(UCS Test)來檢驗充填體的質量。根據采場特點和開采順序，水泥摻量分為14%，9%及6% 3個等級，設計要求的充填體強度見表3。充填體能夠分擔部分地應力，控制圍巖變形，為后續采礦作業提供了有力保障。

表3 充填體28 d強度要求

為進一步檢驗充填體強度以及接頂效果，每季度開展尾砂膠結充填的充填體取芯實驗，取芯地點一般設置在相鄰或下方有二期采場的充填體中，以便驗證充填體是否具備足夠的強度保證下一步采礦安全。

6 結論及展望

(1) 膠結充填技術的應用能夠有效遏制巖體位移，幫助上盤開拓巷道保持穩定，減緩開采作業對地表建筑物的影響，是礦山可持續發展的重要環節。

(2) 自2013年底全面使用井下破碎廢石做為充填骨料以來，有效減輕了地表排土場的負擔，變廢為寶。實驗表明，廢石做為充填骨料可獲得更高的充填體強度，對提高采場充填體的穩定性和降低貧化損失具有十分積極的作用。

(3) 為降低充填成本，板廟子金礦開展了一系列添加粉煤灰做為充填膠結劑的室內試驗。結果表明，粉煤灰摻量越大，充填體強度增長幅度越大。當廢石粉煤灰重量比為2∶1，水泥摻量14%時，充填體28 d強度能夠達到5.63 MPa。

(4) 板廟子金礦正在研究自產尾砂作為充填骨料應用到充填生產的可行性，待解決的關鍵問題是如何消除自產尾砂中氰化物對環境和人員的危害。若氰化物的問題得以解決，充填物料的尾砂成本將大幅降低。

(5) 1號線與2號線的結合使用，解決了物料攪拌不均勻的問題，也提升了物料配制效率。

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2015￣02￣26)

常曉娜，北京科技大學采礦專業畢業，加拿大英屬哥倫比亞大學采礦專業研究，現專職負責板廟子金礦的巖石力學方面的管理及研究工作。。