地下礦山充填接頂技術的研究

劉婉瑩，賴 偉，王小軍，姜順鵬

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；4.山東黃金礦業(鑫匯)有限公司， 山東 青島 266715)

地下礦山充填接頂技術的研究

劉婉瑩1,3，賴 偉1,2，王小軍4，姜順鵬4

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；4.山東黃金礦業(鑫匯)有限公司， 山東 青島 266715)

充填接頂是充填采礦工藝實現的關鍵技術，在分析充填不能接頂的原因的基礎上，就充填接頂技術進行了梳理，簡要介紹了人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂和料漿膨脹接頂技術。并對充填料漿接頂的輔助措施進行了探討，認為可通過優化改善料漿的流平性和沉縮性，泌水快排技術以及管網優化等技術以達到接頂的目的。

充填體；充填接頂；膨脹；沉縮

0 前 言

隨著國家對資源綜合利用率和環保要求的提高，越來越多的礦山采用充填采礦法進行開采，相關的技術研究也越來越多，其中充填接頂技術是礦山充填的關鍵技術之一，其直接關系到采場的生產安全，例如，采用兩步驟回采的采礦法，若一步驟充填不接頂，相鄰二步驟采場回采后頂板與一步驟采場頂板貫通，頂板暴露跨度、面積倍增，回采工作難以實現。不接頂引起的冒落，可能會導致空區與含水層貫通，造成透水事故；地表位移量超預期，造成地表生態、水系和區域地質破壞等，甚至造成不可挽回的災難性事故[1]。

1 不能接頂的原因分析

1.1 料漿特性

影響充填體是否能夠接頂的關鍵因素有：充填料漿沉縮和流動性(流平性)[2]。

料漿沉縮主要由泌水沉縮和擠壓沉縮兩部分構成，泌水沉縮是由于充填料漿處于過飽和水狀態，料漿充入空區后，隨充填料漿骨料的下沉，富裕的水泌出在充填體表面，從而在充填體與空區頂板之間形成間隔；擠壓沉縮主要是由于充填料漿的骨料在重力作用下，骨料顆粒的重排，孔隙率降低造成的沉縮。根據試驗料漿沉縮率為1%～10%，部分礦山達到20%，其特性說明：即使料漿接頂，充填體也不能接頂，是充填體不能接頂的根本原因[3]。

料漿的流動性決定了料漿流平性能，根據充填料漿流平性試驗，料漿濃度在60%～70%時，料漿自流的坡面角在2°～10°，隨濃度的增加而增大，因此在大面積的空區或者長進路中，僅靠充填料漿的重力作用不能完全接頂。

1.2 泌水排放措施不力

充填料漿主要由骨料、膠結劑和水組成，采用全尾砂結構流自流輸送的礦山充填料漿的濃度一般在70%左右，極少數礦山在55%左右，充填料漿含水量達到40%～45%，部分水被膠結劑固化結合和其組成的架構包裹，大部分水需排出采空區，排放措施不力時，大量水富集在充填體表面，造成充填體不能接頂[4]。

1.3 空區形狀不規整

由于地質構造的存在和巖體的離散特性，爆破回采后的空區頂板形狀常為不規則的幾何空間，使得部分空區難以填充，產生空頂[5]。

1.4 充填管網布置不合理

充填管網包括：充填料漿輸送管、充填料漿下料管、充填料漿泌水排放管、采空區充填排氣管以及用于觀察料漿液面的觀察管道[6]。

充填料漿輸送與充填料漿下料管之間未設置洗管水和引管水排放管，直接排放至采空區，造成料漿稀釋，離析等影響充填料漿性能，料漿接頂后，充填體沉縮大不能接頂。充填料漿下料管下料點設置過少，在下料點間不接頂。泌水排放管設置不合理，導致泌水不能外排，占據空區空間，泌水排出后形成空洞不接頂。采空區排氣管設置不當，空區內氣體無法排出，料漿進入充填采空區，由于料漿部分接頂后隔斷的密閉空間內空氣的存在，不能實現接頂。

2 接頂技術

近年來，由于充填采礦法的發展及其推廣應用，進行了大量的試驗研究，開發了人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂、料漿加壓接頂、料漿重力接頂、料漿膨脹接頂等多種接頂技術[7-10]。

2.1 人工接頂

采用大塊廢石和預制砌塊等，人工構筑砌筑的方式接頂。主要用于薄到極薄礦脈的礦柱接頂，無法實現大面積全面接頂，勞動強度大，效率低，僅在小型礦山采用。

2.2 機械接頂

利用拋擲機將充填料拋射動能、推土機擠壓以及其他頂推設備頂壓充填料以實現接頂。該技術廣泛用于煤礦山的廢石充填體的接頂；在金屬礦山主要用于分段充填法、進路充填法等礦山。主要用于高濃度粗骨料膠結料漿和廢石非膠結充填領域。

2.3 強制崩落接頂

利用巖石碎裂后體積膨脹的特性，在充填結束后，有計劃的崩落頂板圍巖，以實現強制接頂。在近采空區布置鑿巖硐室，鉆鑿中深孔，按照擠壓爆破方式設計爆破方案，按照采空區高度，計算頂板的崩落厚度。這種接頂方式，接頂效果好，但在設計時，應嚴格控制一次崩落，防止擠壓過度影響充填體的結構性能。該方法一般用于緩傾斜礦體的充填接頂。

2.4 料漿加壓接頂

可分為充填系統余壓接頂和加壓泵注接頂。充填系統余壓接頂技術主要是利用充填系統管網的高程差，在采空區充填后，利用充填系統管路壓力向空區壓入充填料漿以實現強制接頂，該技術不新增充填泵。加壓泵接頂即采用充填泵加壓，通過鉆孔和管道壓注料漿接頂，該技術需新增充填泵和中轉料倉，相比充填系統管路余壓接頂技術，能夠更好的控制接頂的壓力，同時避免占用主管路，影響充填作業效率等問題。采用加壓接頂技術，必須嚴格控制泵壓，加固擋墻，封閉空區出口(巷道、鉆孔和貫通裂隙等)通道，嚴密觀察擋墻狀況，以防發生安全事故。

2.5 料漿重力接頂

利用料漿在自身重力作用下流平或者利用高差擠壓料漿接頂。常采取在近空區上部鉆充填孔、空區頂板再挑頂、近空區掘進上向措施天井、架設措施擋墻分區、設計斜面頂板和弧形頂板部分接頂。上述措施需新增措施工程，同時在遠離措施工程處仍然存在不能全面接頂的問題，近空區施工安全性差等缺點。

2.6 料漿膨脹接頂

主要利用料漿在充入采空區后，增加充填體體積膨脹以達到充填接頂。常用的有高水膨脹充填接頂技術、添加混凝土膨脹添加劑的料漿自膨脹主動接頂技術。由于高水膨脹材料基本不需要骨料，因此其在缺乏粗骨料的煤礦山得到了推廣應用，但其固結體不穩定，在金屬礦山使用較少。金屬礦山以在充填料漿內添加混凝土膨脹添加劑為多，通過試驗，料漿凝固后的充填體體積比料漿體積可增長約15%～30%，利用料漿的膨脹能夠實現主動接頂，但是必須指出，由于料漿處于圍巖和擋墻構成的封閉體內，在料漿膨脹過程中，膨脹的料漿在接頂的同時，也給擋墻一定的作用力，因此必須嚴格控制料漿的膨脹參數，并加強充填擋墻的監測。此外，利用該技術，充填系統需新增膨脹劑儲料倉，給料系統等設備。

3 充填體接頂輔助技術

3.1 料漿性能優化

影響充填體不能接頂的關鍵因素主要有充填料漿的流動性和沉縮性，針對具體的礦山，通過試驗確定具體的措施，可采取的措施有：

(1) 優化料漿級配，改善料漿的流平性，提高料漿密實性，降低沉縮。

(2) 在滿足料漿輸送要求的前提，提高充填料漿濃度，降低泌水沉縮。

(3) 添加減水劑，在不降低料漿流動性的前提下，提高料漿的濃度；加入膨脹劑，以克服充填料漿沉縮引起的不接頂問題。

3.2 泌水快排技術

合理布置泌水排放措施。

(1) 反濾排水管：主要用于大規模和大面積空區的充填泌水排放。排水管采用波紋管或土工盲溝管，其中波紋管需在管道周鉆孔，然后在管周纏繞濾布或土工布，充填料漿在反濾作用下，泌水經過管道實現快速外排。土工盲溝能夠實現全周的排水，具有不易堵塞，結構強度高，成本低，排水性能好的特點。

(2) 泄水井及濾水井塔：主要用于上向水平分層充填采礦法和大面積緩傾斜薄礦脈空區的充填泄水。泄水井常用架設方式有鐵板焊接井、木材井、鋼構架外繞鋼絲網片和土工盲溝等泄水天井，為了起到反濾作用，常在井周纏繞濾布或土工布。濾水井塔是在待充空區的平面不同位置布置短井，可采用塑料管、竹篾編制籠或土工盲溝等構筑，主要用于收集泌水，然后再通過底部的排水管集中到泄水井排出充填空區。濾水井塔主要起到加密泄水點，加快泌水外排速度的作用，其構筑工藝簡單，成本低，是較好的輔助脫水措施。

(3) 反濾透水充填擋墻：過去通常采用厚實的混凝土擋墻，以實現待充采空區的絕對封閉，但隨著充填技術的發展，充填體機理的不斷揭示，泄水擋墻能夠有效降低靜水壓力對擋墻的荷載，其具有更好的性能。濾水擋墻自空區向外一般分為反濾層、反濾層支撐層和整體支撐固定層。反濾層采用濾布或土工布構筑；反濾層支撐層多采用鋼筋網片等格柵狀的整體片狀的材料構筑；整體支撐固定層采用角鋼，鋼軌和液壓支柱構筑。較傳統的混凝土擋墻構筑該擋墻工藝簡單，勞動強度低，成本低，脫水快速。

3.3 合理布置充填管網

(1) 設置引、洗管水分排三通，避免其稀釋料漿，造成離析，降低充填體強度。

(2) 適當增加料漿下料點，直接增加管道出料口，或采取預設斷管點和管道接頭自動分離裝置的辦法增加下料點，降低自流坡度的影響。

(3) 合理設置排氣管道，在空區高點、下料點間或全程安裝透氣管道，消除料漿隔斷形成封閉空區無法接頂的問題。

(4) 布置觀察管，掌握并控制充填量。

4 結 論

人工接頂、機械接頂、強制崩落接頂能解決特定條件下的接頂問題，但是其效率低，勞動強度大，難以實現大規模開采的充填接頂要求。料漿重力接頂技術作為通用的改善料漿接頂技術措施，在大量礦山推廣應用。料漿重力接頂和料漿加壓接頂所指的是料漿接頂，而非充填體接頂，在料漿泌水沉縮后仍不能完全接頂，因此料漿重力接頂和料漿加壓接頂實質仍為被動接頂技術。料漿膨脹接頂技術能夠克服空區不規整，料漿不能自流平的問題，能夠實現充填體主動接頂，發揮充填體主動承載作用，是較有發展前景的接頂技術。

進行充填料漿性能優化和合理布置泌水排放管網是解決充填體的最根本措施。

充填體接頂是一個系統工程，接頂方案設計時，應綜合采場設計、采礦工藝過程要求、料漿性能和接頂輔助技術進行比選。

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[2]胡國宏,李夕兵.充填接頂影響因素分析[J].礦業研究與開發,2010,30(03):20-23.

[3]楊陸海,周 旭.充填料漿沉縮性及泌水性分析[J].采礦技術,2013,13(03):32-33.

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[5]周 旭,楊陸海,白朝選,等.膠結充填接頂的技術改進[J].中國礦山工程,2012(04):4-6.

[6]盧央澤,李麗君,姜仁義.關于提高充填接頂率的若干問題探討[J].有色金屬(礦山部分),2009(03):6-8.

[7]徐培良.下向充填采礦接頂工藝探討[J].世界有色金屬,2017(01):193-194.

[8]張月俠.基于膨脹材料的充填接頂技術研究[D].沈陽：東北大學,2014.

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[10]馮勝利,汪令輝.采場和空區充填接頂技術研究[J].中國礦山工程,2011(04):13-15.

2017-05-25)

劉婉瑩(1984-)，女，山東臨沂人，工程師，研究生，主要從事采礦安全技術研究，Email:laijwei@qq.com。