淺議膠結(jié)充填法在金屬礦采空區(qū)處理中的應(yīng)用

姜文成

摘要：采空區(qū)的處理是采礦工作中的重要環(huán)節(jié)。金屬礦采空區(qū)的方法主要有圍巖崩落法、封閉與隔離法、支撐加固法和充填法四種，其中充填法處理采空區(qū)既可以保證采礦安全，防止采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)，又可以最大限度地開(kāi)采資源，減少浪費(fèi)，是前景廣闊的采空區(qū)處理方法。文章對(duì)膠結(jié)充填法在金屬礦采空區(qū)處理中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：金屬礦；采空區(qū)處理；膠結(jié)充填法；采礦工作；礦區(qū)地質(zhì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853 文章編號(hào)：1009-2374（2016）12-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.068

在地下采礦活動(dòng)中，將賦存于巖層中的礦體開(kāi)采出來(lái)以后，巖層中將會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)。采空區(qū)的出現(xiàn)使得原本由礦體承受的礦山壓力轉(zhuǎn)移到了采空區(qū)周?chē)膸r體中，使礦山壓力重新分布。由于采空區(qū)范圍一般比較大，如果不及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，采空區(qū)周?chē)膸r層可能無(wú)法承受過(guò)大的礦山壓力而發(fā)生破壞，從而造成大面積冒頂垮落，對(duì)井下人員和設(shè)備造成極大的威脅。因此，采空區(qū)的處理是采礦工作中非常重要的一環(huán)，對(duì)保證采礦工作持續(xù)安全地進(jìn)行具有重要意義。采空區(qū)的處理方法主要有圍巖崩落法、支撐法、充填法、封閉和隔離法等，本文擬以一個(gè)金屬礦為例，探討膠結(jié)充填法在金屬礦采空區(qū)處理中的應(yīng)用。

1 礦區(qū)地質(zhì)情況簡(jiǎn)介

1.1 地層

某金屬礦區(qū)位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)，礦區(qū)地層主要為中元古代遼河群，另有少量中生帶和新生代地層，沒(méi)有古生代地層。遼河群分三個(gè)巖組九個(gè)巖性段，其中賦存礦石最多的是第一巖組，該巖組原巖建造類(lèi)型為頁(yè)巖-砂巖-碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖建造，且下部含有較多的偏酸性的火山巖層，代表一個(gè)由海進(jìn)-海退的沉積序列。而該礦床則產(chǎn)于特定的海進(jìn)層位中上部的砂巖和碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖建造中，其上部則有少量中-新生代陸相沉積巖系分布。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

該金屬礦區(qū)構(gòu)造頗為復(fù)雜，總體呈NE-SW走向，在地應(yīng)力的作用下，構(gòu)造曾發(fā)生多次變動(dòng)，使遼河群呈現(xiàn)出疊加變形的特征。在該礦區(qū)的中南部，分布著較多的褶曲，數(shù)量有78個(gè)之多，褶曲大多呈群分布或呈帶狀分布，其中金沙灣向斜（Ⅱ1）、獅子山背斜（Ⅱ2）、八家坨向斜（Ⅱ3）、廟兒山褶皺群等是礦區(qū)的主要控礦構(gòu)造，這些構(gòu)造對(duì)礦體起著主要的控制作用（包括控制礦體的形態(tài)和空間位置）。

除了褶曲構(gòu)造以外，該礦區(qū)斷裂構(gòu)造也很發(fā)育，大小斷裂共有82條，主要分布在礦區(qū)西北地帶，只有F3、F8位于東南一帶，斷裂構(gòu)造對(duì)主要礦體破壞影響相對(duì)較小。斷層類(lèi)型主要是逆斷層，并伴有少量滑動(dòng)斷層。

1.3 礦體概述

本文所研究的礦體賦存于第一巖組第二巖性段的中部，編號(hào)為3號(hào)礦體。該礦體呈單層狀、似層狀產(chǎn)出，在形態(tài)上總體較為簡(jiǎn)單，但是局部礦段也偶有分枝、尖滅再現(xiàn)和多層等現(xiàn)象。礦體頭部褶皺緊密，產(chǎn)狀復(fù)雜。3號(hào)礦體體長(zhǎng)為1900m，在核實(shí)范圍內(nèi)出露長(zhǎng)度達(dá)到540m。礦體沿傾斜延深為450～1560m，平均延深為820m。該礦體與同一礦區(qū)的5號(hào)、9號(hào)礦體時(shí)有接觸，并在一些部位合并成同一礦體。

2 采空區(qū)概述

本礦區(qū)水平面上采空區(qū)分布范圍廣但形狀很不規(guī)則，在垂直面上，采空區(qū)經(jīng)常有重疊、交錯(cuò)的情況。若1100m、1050m中段連續(xù)采空，將造成其上盤(pán)、頂板大面積暴露（有關(guān)具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示），如果不采取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理，將帶來(lái)極大的安全隱患，有可能造成大面積冒頂崩塌。本文的主要目的是要制定一套合理的采空區(qū)處理方案。

3 采空區(qū)處理技術(shù)概述

3.1 圍巖崩落法

圍巖崩落法，顧名思義，就是采取一定的方法使采空區(qū)上方的巖層崩落，由于垮落的松散巖石體積會(huì)比以前增加，因此可以充填采空區(qū)，避免以后圍巖大量冒落。根據(jù)崩落的方法不同，可以分為自然崩落法和強(qiáng)制崩落法。一般金屬礦圍巖都比較堅(jiān)硬，往往需要通過(guò)爆破等方法使圍巖強(qiáng)制崩落。

3.2 支撐法

該法是通過(guò)留設(shè)礦柱，對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行支撐，達(dá)到防止頂板冒落的目的。由于留設(shè)礦柱會(huì)降低礦石采出率，造成資源損失，因此一般只適用于品位低、價(jià)值小的金屬礦藏的開(kāi)采。

3.3 封閉和隔離法

這種處理采空區(qū)的辦法是在采空區(qū)的某些部位構(gòu)筑隔離層，這種隔離層一方面可以把生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)隔離開(kāi)來(lái)，有效減少采空區(qū)的松散巖石混入礦石中而造成礦石的貧化，提高采出礦石的質(zhì)量；另一方面還對(duì)頂板起著支撐作用，防止頂板冒頂。這種采空區(qū)處理方法既不需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行爆破崩落，也不需要充填采空區(qū)，成本低廉，但是適用范圍較小，主要適用于如下三種情況的采空區(qū)處理：（1）較大礦體開(kāi)采后形成連續(xù)的采空區(qū)，尚需要在該采空區(qū)下繼續(xù)回采時(shí)，可以用該法處理；（2）圍巖穩(wěn)固性好，采空區(qū)若發(fā)生冒落不會(huì)影響周?chē)V體的開(kāi)采；（3）規(guī)模較小的孤立礦體開(kāi)采后形成的采空區(qū)的處理。

3.4 充填法

充填法，顧名思義，就是將礦石采出以后，用充填料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，從而使采空區(qū)頂板獲得支撐。這種方法既可以保證采礦安全，防止采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)，又可以最大限度地開(kāi)采資源、減少浪費(fèi)，是一種前景廣闊的采空區(qū)處理方法。根據(jù)工藝不同，充填法可分為干式充填法、濕式充填法、膠結(jié)充填法、砼體充填法等。

4 膠結(jié)充填法在采空區(qū)處理中的應(yīng)用

該礦以前采用留設(shè)礦柱支撐法處理采空區(qū)，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。綜合分析幾種采空區(qū)處理方法的優(yōu)劣，結(jié)合該礦區(qū)的地質(zhì)條件、采空區(qū)形狀和暴露面積，現(xiàn)改用尾砂膠結(jié)充填法來(lái)處理采空區(qū)，具體方法為以空?qǐng)龇ú傻V工藝進(jìn)行回采，回采后充填處理采空區(qū)。充填時(shí)利用該礦現(xiàn)有的選礦尾砂作為骨料，加上水泥等作為膠結(jié)材料進(jìn)行充填。這樣既方便取材，又節(jié)省了處理尾砂的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，可以大大降低充填成本。

4.1 充填材料的制備及有關(guān)參數(shù)

充填材料的制備全部在地面進(jìn)行，如圖1所示，將制備好的選礦尾砂與水泥、水按照一定比例進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢瑁纯芍频贸涮畈牧希缓蟪涮畈牧贤ㄟ^(guò)充填鉆孔進(jìn)入地下。該礦目前生產(chǎn)能力為80萬(wàn)t/a，每年形成的空區(qū)約為18萬(wàn)m3，充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)年充填能力為14萬(wàn)m3的空區(qū)。據(jù)此設(shè)計(jì)臥式尾砂倉(cāng)容積為1400m3，水泥倉(cāng)容積為180t，充填濃度為68%～72%。

4.2 井下充填管路

井下充填系統(tǒng)由充填鉆孔、充填平巷、充填天井及充填管道組成。有關(guān)參數(shù)如下：充填鉆孔直徑為160mm，孔深為140m，充填料漿輸送方式為自流輸送，即完全利用充填漿料自身的重力作用，使其由地面制漿站自行流到井下待充填區(qū)域。自流輸送采用的增強(qiáng)塑料管直徑為Φ120mm。制備好的料漿從地表（1340m水平）豎直向下自流140m至水平充填平巷，進(jìn)入3號(hào)斜井4寸水平充填鋼管，隨即轉(zhuǎn)運(yùn)至1142m水平充填平巷。1142～1200m水平空區(qū)充填時(shí)，將1142m水平各礦柱內(nèi)的穿脈巷道的增強(qiáng)塑料管與充填平巷內(nèi)的管路聯(lián)接，最后通過(guò)各礦柱內(nèi)的穿脈巷道進(jìn)入待充填的采空區(qū)。

4.3 充填倍線的計(jì)算

充填倍線是指水平管長(zhǎng)與垂直管長(zhǎng)的比值，該指標(biāo)是衡量自流輸送充填能否取得良好效果的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)有關(guān)資料，要取得好的充填效果，充填倍線應(yīng)小于5。1142～1200m水平空區(qū)、1094～1050m水平空區(qū)填時(shí)，各水平最大充填倍線計(jì)算如表2所示：

從表2可以看出，當(dāng)1142～1200m水平充填時(shí)，充填最遠(yuǎn)時(shí)候的充填倍線為2.55，1092～1050m水平充填時(shí)，充填倍線的最大值為2.95，均小于5，可見(jiàn)該充填方案可以滿(mǎn)足要求。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，該充填方案已經(jīng)在該礦應(yīng)用了近一年時(shí)間。該充填方案在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，最大的費(fèi)用為水泥費(fèi)用和人工費(fèi)用，具體成本計(jì)算如下：每充填1m3采空區(qū)，平均需消耗水泥0.21t，水泥單價(jià)按照270元/t計(jì)算，則每充填1m3采空區(qū)，水泥費(fèi)用為56.7元，其他材料費(fèi)單價(jià)約合4元/m3，人工費(fèi)18元/m3，其他費(fèi)用3元/m3，合計(jì)為81.7元/m3。按照每年充填14萬(wàn)m3計(jì)算，每年總的充填成本為1143.8萬(wàn)元。在應(yīng)用該方案以前，該礦通過(guò)留設(shè)礦柱支撐采空區(qū)的辦法進(jìn)行開(kāi)采，造成大量的資源浪費(fèi)。改用充填法開(kāi)采以后，每年可以多采出礦石約6萬(wàn)t，按照每噸礦石1800元計(jì)算，可以增加收入1.08億元，而每年的充填成本僅僅1000多萬(wàn)元，充填開(kāi)采優(yōu)勢(shì)非常明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

膠結(jié)充填法是充填法處理采空區(qū)中的一種，該方法對(duì)礦壓控制的效果非常明顯，可以最大限度地開(kāi)采資源，減少浪費(fèi)，對(duì)于品位較高的貴重金屬礦藏的開(kāi)采，特別適用。該金屬礦改用充填法處理采空區(qū)，取得了很好的效果，經(jīng)過(guò)充填，采空區(qū)的礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題得到了很好的控制，沒(méi)有再發(fā)生過(guò)采空區(qū)頂板冒落等安全問(wèn)題。且相對(duì)于增加的礦石產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，充填方案成本較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）