我國(guó)西部礦區(qū)膏體充填開(kāi)采技術(shù)淺析

呂健華，王 沖

（1.山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源長(zhǎng)城三礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.兗州煤業(yè)菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274705）

我國(guó)幅員遼闊，西部地區(qū)地下蘊(yùn)含著豐富的有色金屬等礦產(chǎn)資源。金屬礦產(chǎn)資源豐富，但傳統(tǒng)開(kāi)采方式會(huì)對(duì)西部水資源、環(huán)境等造成巨大壓力；礦產(chǎn)資源在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比超過(guò)65%，但我國(guó)目前國(guó)有大型礦井平均采出率僅為45%左右，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的減少和城市化進(jìn)程的加快，資源緊缺問(wèn)題日益凸顯，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生產(chǎn)礦井“三下”壓資源量高達(dá)143億t[1]，采用充填開(kāi)采技術(shù)提高礦產(chǎn)的采出率，是礦產(chǎn)資源高效利用解決資源短缺的有效途徑之一。

1 充填開(kāi)采的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

充填開(kāi)采是一種重要的開(kāi)采工藝，隨工作面推進(jìn)，逐步用充填料充填采空區(qū)的方法。與傳統(tǒng)開(kāi)采不同，以充填材料支撐頂板控制覆巖破壞及地表沉陷，可以降低地表破壞程度，解決因開(kāi)采沉陷造成的土地資源破壞，保護(hù)避免水、空氣污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而達(dá)到保護(hù)礦區(qū)環(huán)境的目的；同時(shí)，充填開(kāi)采可以提高資源采出率、保護(hù)地面建筑物。充填開(kāi)采工藝技術(shù)是能源實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的重要途徑，是未來(lái)采礦技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

充填開(kāi)采的發(fā)展歷史：

充填開(kāi)采伴隨采礦技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填到膏體充填過(guò)程[2]。早期膠結(jié)充填大都采用硅酸鹽水泥或其它膠凝材料添加到低質(zhì)量分?jǐn)?shù)水砂充填料中，但由于該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用過(guò)程中存在的各類問(wèn)題[2]，隨后又發(fā)展了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)料漿膠結(jié)充填、高水固化膠結(jié)充填、膏體和似膏體泵送膠結(jié)充填等工藝。膏體充填就是把礦山尾礦矸石山的矸石、劣質(zhì)土和電廠的尾料粉灰等一種或多種固體廢料與水進(jìn)行優(yōu)化組合，配制成具有一定穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可塑性的膏狀漿體，利用外部施壓（泵壓）和重力的作用下通過(guò)管道輸送到井下工作面，適時(shí)充填采空區(qū)的方法。

2 西部礦區(qū)充填開(kāi)采重要意義

2.1 提高金屬礦產(chǎn)及產(chǎn)出率

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，西部是我國(guó)最大的金屬礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備基地及生產(chǎn)基地[4]，同時(shí)，我國(guó)目前西部地區(qū)已探明的礦產(chǎn)資源達(dá)10628億t，約占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的81%[5]。但隨著西部地區(qū)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)及廠礦企業(yè)等建筑設(shè)施逐漸增多，造成了大量的“三下”壓資源；房柱式開(kāi)采金屬礦山，造成資源大量浪費(fèi)。如果不妥善處理這些問(wèn)題勢(shì)必會(huì)給生產(chǎn)造成企業(yè)效率低下及資源的浪費(fèi)等一系列問(wèn)題。因此，采取充填開(kāi)采有效解決資源浪費(fèi)問(wèn)題，是目前提高產(chǎn)出率，提高企業(yè)效率的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)綠色礦山和可持續(xù)發(fā)展的必由途徑。

2.2 減少礦山次生災(zāi)害

充填開(kāi)采處理采空區(qū)，能夠有效控制頂板的周期來(lái)壓，最大程度上減少頂板垮落事故；采空區(qū)被充填體所占據(jù)，原來(lái)采空區(qū)存在的廢氣、廢水等沒(méi)有了下泄空間，有效降低了采空區(qū)積水和采空區(qū)有害氣體集聚等問(wèn)題；由于充填體能夠起到承載作用，充填體可以承擔(dān)并轉(zhuǎn)移部分由于開(kāi)采造成的重新分布的圍巖應(yīng)力，從而減少?zèng)_擊地壓等礦山動(dòng)力災(zāi)害。因此，充填開(kāi)采是預(yù)防礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中次生災(zāi)害發(fā)生的有效途徑。

2.3 礦區(qū)生態(tài)保護(hù)

西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，在最大限度開(kāi)采礦產(chǎn)資源的基礎(chǔ)上，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不被破壞至關(guān)重要。在礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中形成的環(huán)境問(wèn)題主要包括土地、水資源及大氣環(huán)境的破壞。

我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)，缺水嚴(yán)重，資源的大規(guī)模開(kāi)采，破壞了地下水資源的賦存及循環(huán)狀態(tài)，使得地下水資源流失。塌陷區(qū)地表水經(jīng)裂隙流入地下，使得地表水量減少，加重水資源短缺問(wèn)題。

3 西部礦區(qū)風(fēng)積砂充填開(kāi)采技術(shù)指標(biāo)

我國(guó)西部地區(qū)金屬礦產(chǎn)及礦產(chǎn)資源十分豐富，但地面荒漠化、沙化嚴(yán)重，生態(tài)自修復(fù)能力極差。充填開(kāi)采工藝減少了開(kāi)采后的地表沉陷，保護(hù)采場(chǎng)上覆巖層具有較好的完整性，使含水層得到有效保護(hù)，矸石不上井減少大氣污染，對(duì)于解決資源開(kāi)采帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。

充填開(kāi)采首先要有充足的充填材料，除井下矸石外，地面風(fēng)積砂取之方便，又對(duì)環(huán)境無(wú)害且大量分布在礦產(chǎn)資源賦存的礦區(qū)地表，具有顆粒較小，無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)對(duì)水體和環(huán)境造成污染等優(yōu)點(diǎn)，符合充填材料的選擇條件。

西部礦區(qū)采用風(fēng)積沙充填采空區(qū)，該礦采用水泥、破碎矸石及風(fēng)積沙混合充填方式，通過(guò)選定不同配比進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，風(fēng)積沙用量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖1所示。試驗(yàn)研究表明，采用水泥：破碎矸石：風(fēng)積沙為1:3:5.5時(shí)，7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.03MPa，達(dá)到滿足該礦井下充填的要求。充填制漿時(shí)，首先向初漿罐內(nèi)注入定量的水，啟動(dòng)攪拌器后開(kāi)始注入水泥，邊攪拌邊注入水泥，制成初漿；然后將初漿、破碎矸石和風(fēng)積砂按照設(shè)定配比同時(shí)輸入成漿罐，在攪拌器的作用下自上而下強(qiáng)力、快速混合，邊攪拌邊輸出成漿實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備料漿；料漿經(jīng)控流、過(guò)濾、管路輸送系統(tǒng)，靠重力勢(shì)能自流輸送到充填開(kāi)采工作面。

圖1 風(fēng)積沙用量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

充填開(kāi)采選擇風(fēng)積砂作為骨料，既解決了礦井下充填材料的取材問(wèn)題，又可針對(duì)性的進(jìn)行取砂處理，有利于地面防沙治沙。大量消耗礦井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量固體廢棄物，減少因矸石排放而帶來(lái)的環(huán)境污染，對(duì)西部地區(qū)地表沙漠化、地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)采具有重要的意義。

4 風(fēng)積砂充填開(kāi)采治理效果

基于有限差分原理的顯式有限差分程序FLAC3D可以有效模擬非線性系統(tǒng)的大變形力學(xué)過(guò)程，其明顯適合解決礦區(qū)巷道支護(hù)分析是關(guān)系到巷道開(kāi)挖、圍巖穩(wěn)定的非線性大變形問(wèn)題。選用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析充填開(kāi)采與常規(guī)開(kāi)采效果。

根據(jù)該礦實(shí)際，確定工作面模型尺寸X×Y×Z=160m×60m×60m，模型一共劃分為109200個(gè)單元和121342個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。通過(guò)程序?qū)С龉ぷ髅骈_(kāi)挖過(guò)程中采用風(fēng)積沙充填與常規(guī)充填地表下沉量情況如圖表3所示。分析表明，采用風(fēng)積沙充填開(kāi)采，地表沉降值減少70%以上。

5 結(jié)論

（1）利用矸石、風(fēng)積砂等廢棄物進(jìn)行充填開(kāi)采這一科學(xué)采礦方法，既解決了廢棄物的占地，減少對(duì)土地的損害，同時(shí)也解決了廢棄物的污染問(wèn)題，滿足西部地區(qū)防砂治砂的要求。

（2）采用水泥：破碎矸石：風(fēng)積沙為1:3:5.5時(shí)，7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.03MPa，充填體效果最佳，滿足該礦井下充填的要求。采用風(fēng)積沙充填開(kāi)采，地表沉降值減少70%以上。充填開(kāi)采可提高資源采出率，改善井下工作條件，對(duì)水害、瓦斯突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生起到有效的防治作用。

圖2 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

圖3 常規(guī)開(kāi)采與風(fēng)積沙充填開(kāi)采地表下沉圖