水口山鉛鋅礦復雜采空區治理方法探討

鄧 釗,冉 輝,左昌虎

(湖南省水口山有色金屬有限公司, 湖南常寧市 421513)

水口山鉛鋅礦復雜采空區治理方法探討

鄧 釗,冉 輝,左昌虎

(湖南省水口山有色金屬有限公司, 湖南常寧市 421513)

水口山鉛鋅礦采用空場留礦法,遺留了大量的采空區亟待治理。為此,基于對水口山老采空區特征的研究,綜合對比各種治理方法,擬采用膏體充填治理采空區,系統討論了充填材料、充填工藝、充填系統、充填擋墻等,通過膏體充填,采空區得到了有效治理,消除了安全隱患,并且殘礦得到了充分回收,避免了資源浪費。

膏體充填;采空區;治理措施;水口山鉛鋅礦

水口山鉛鋅礦采用空場法采礦,歷經一百多年的開采,遺留了大量的采空區,且部分采空區互相貫通,形成了結構復雜的采空區群。歷史上,多次因采空區坍塌而造成了人員傷亡,財產損失及環境破壞。同時,大量采空區的存在也給井下生產帶來了巨大的安全隱患。近年來,礦山對采空區采取了多種治理手段,如封閉采空區、井下廢石充填、建立地壓監測系統及地表沉降觀測網,但如何從根本上消除采空區帶來的安全威脅有待進一步研究。

采空區治理一直是礦業界需要解決的一大技術難題,采空區治理的技術與理論研究也一直在不斷的發展和進步,如在隱伏采空區的探測,采空區的穩定性分析評價,采空區的治理措施,采空區的應力分析、位移監測等方面開展了大量研究并取得了較好的成果[1-5]。本文在前人研究基礎上,充分收集水口山鉛鋅礦采空區形狀、體積、分布等特征,探討治理方法及措施,以期達到消除安全風險并高效、經濟、安全、環保的回收礦產資源。

1 鉛鋅礦采空區現狀

水口山鉛鋅礦老鴉巢礦區共有18個采空區,其中規模較大的為4＃、8＃、9＃、10＃采空區,所占采空區比例為60.56%。目前,已經塌陷的采空區計58.11萬m3,充填采空區計100.74萬m3,待處理采空區計115.54萬m3。

對地表威脅較大的采空區為5＃、6＃、10＃、11＃、19＃(已充填)采空區,按75°錯動角計算,預計地表錯動帶范圍內24萬㎡的建筑物、構筑物受其影響。受影響的地表構筑物和設施包括:五號豎井、發電站主廠房、2＃、3＃斜坡道、選礦廠(包括康家灣選礦廠)、機修車間、礦行政辦公樓等。

2 采空區治理方法的選擇

目前國內外處理采空區的方法主要有:崩落、封閉、充填和支撐加固[6-7]。針對鉛鋅礦井下采空區多,體積大,地質條件復雜,地面居民建筑密集的狀況,采用崩落法容易造成采空區群的連鎖崩塌,導致地質災害的發生,對地表環境及井下生產作業影響都非常大。因此,崩落法不適宜于鉛鋅礦采空區的治理。

封閉和支撐加固法雖然是治理采空區最簡單、最快速的方法,但該方法僅適用于巖石穩固、體積小且互為獨立的采空區治理。但該方法并不能從根本上消除采空區,針對鉛鋅礦礦區地表及井下實際情況,長期存在的大量采空區對于居民生活、生產以及礦區生產作業都是一個巨大的安全隱患。因此,該方法僅適用于鉛鋅礦井下部分體積小、結構穩定的空區治理。

充填法不僅可以從根本上消除采空區,而且充分利用尾礦回填,有利于環境保護和廢棄物的再利用。此外,通過充填法治理采空區可以最大限度的回收殘礦資源,是治理采空區的最有效、最徹底的方法,也是礦山安全、持續、穩定生產的有力保障措施[]。

充填法經過長期的發展,目前種類繁多,技術成熟,應用廣泛。其中膏體充填技術具有以下優越性:

(1)不需要在井下工作面設立泄水系統,節省了排水費用;

(2)不影響工作面機械化的應用;

(3)不存在或只有極輕微沁水,無充填污染;

(4)水泥消耗量少且收縮率小,能保證較好的接頂質量;

(5)充填濃度高,有利于提高充填體的的強度;

(6)可輸送顆粒較大的物料(25～35mm),降低了材料的加工要求,有利于降低充填成本;

(7)充填體易于接頂,有利于采場穩定和采礦作業安全等[9]。

因此,綜合分析鉛鋅礦采空區賦存特征、礦山生產現狀、充填材料來源等因素,擬主要采用膏體充填治理水口山鉛鋅礦復雜采空區。

3 膏體充填

充填采用3班制,每班有效充填時間6h,年充填量36萬m3,計劃3年內完成采空區治理。

3.1 充填材料

目前,鉛鋅礦選廠日產尾砂200m3,康礦選廠日產尾砂1800m3,尾礦漿濃度24%,尾礦庫庫存尾砂270萬m3,材料來源充足,滿足采空區充填需求。選廠尾砂顆粒級配見表1、表2,尾砂粒徑結構比例合理,滿足膏體制備條件。

表1 水口山鉛鋅礦分級尾砂粒級組成

表2 水口山鉛鋅礦全尾砂粒級組成

此外,水口山有色金屬公司冶煉廠產生的大量水淬爐渣、粉煤灰可作為充填骨料,尤其是粉煤灰,除了可部分替代水泥降低充填成本外,還可以改善漿體流動性能,提高漿體懸浮性,減少充填體沁水率,是膏體制備最好添加物[10]。

為提高膏體濃度及抗壓強度,改善膏體流動性,可加入減水劑等化學外加劑。減水劑不僅可以提高膏體濃度和強度,減少水泥用量,而且可以作為泵送劑,防止膏體在泵送管路中離析和堵塞,使其在泵壓下順利通行,對于膏體制備及輸送作用明顯[11]。

參照類似礦山實際生產經驗以及采空區充填條件,充填料漿濃度不應低于76%,在后期充填過程中也可以根據實際情況確定最優充填料漿濃度。

3.2 膏體充填工藝流程

按照經濟、合理的原則,選用“選廠低濃度尾砂＋尾礦庫干尾砂＋普通硅酸鹽水泥＋粉煤灰＋減水劑”型充填材料。其工序主要包括物料準備、定量攪拌制備膏體、泵壓管道輸送、采場充填作業4部分[12]。

(1)在立式砂倉中將選廠尾砂漿和尾礦庫干尾砂進行混合,提高尾砂漿濃度,同時在水泥倉中加入水泥、粉煤灰、水淬爐渣等骨料進行混合;

(2)通過水泥倉給料機,立式砂倉放礦裝置將物料排放到攪拌裝置中進行充分攪拌,在攪拌過程中加入減水劑及其他外加劑,以此提高膏體強度及其他性能;

(3)待制備出適合管道輸送的膏狀物料后通過鉆孔或者管道采用自流或泵壓輸送方式送入充填區。充填工藝流程見圖1。

圖1 水口山鉛鋅礦膏體充填工藝流程

在膏體制備中,要盡量做到用料精準,符合膏體制備技術參數。在攪拌過程中,要盡量做到攪拌充分,特別是對使用外加劑的充填料漿,充分攪拌尤其重要。

3.3 充填系統構成

建立一套自動化充填工藝控制系統,可實現物料的精準配給,料漿濃度的自動檢測,膏體的自動輸送,并避免人工操作導致的不穩定性。

地表充填站對廢棄的4＃金礦體尾砂膠結充填站進行改造。充填系統主要設備和設施為:

(1)容積600m3式砂倉1個,用于選廠尾砂與尾礦庫干尾砂的混合,吊裝式圓盤給料機、振動篩、皮帶機供料,給料能力60～90t/h;

(2)250m3立式砂倉1個,用于儲存并混合水泥、粉煤灰、爐渣等,雙管螺旋給料機供料,給料能力30～50t/h;

(3)攪拌機選用1臺STF－Φ600型雙軸葉片式攪拌機和1臺STF－980型強力活化攪拌機,經過2次攪拌,使其充分混合,形成良好的膏體充填料[]。

水泥倉、立式砂倉為鋼筒倉結構,膏體泵采用栓塞泵,布置在廠房內,位于地表儲料倉出口附近。在充填鉆孔的上方,建一個地表儲料倉,保證料漿的順利輸送,并實現料漿的再次攪拌。

3.4 充填線路布置

礦山采空區充填根據充填倍線的不同采用充填料漿自流和泵送兩種方式。制備好的料漿通過地表充填管道下至充填鉆孔,經井下水平管路到達采空區。在布置充填線路時,充分利用礦山現有的4＃金礦體充填管道。

在充填采空區時,需要在采空區上部開鑿充填鉆孔,充填鉆孔應布置在采空區中部最高處以達到接頂目的。

3.5 充填擋墻

充填作業前,在沿脈運輸巷道與底部出礦穿脈巷道口處建立井下充填擋墻(見圖2)。井下充填擋墻由空心預制磚砌筑,厚度為1.2～1.5m。充填擋墻砌筑時選擇巖石穩固性好、斷面小、易于排水的巷道壁部位,擋墻中間距底板0.3m處預留濾水管,濾水管道沿靠近采空區出口一側固定在采空區圍巖壁上,保障充填濾水效果。

圖2 充填擋墻結構

在充填過程中,由于正在開拓深部工程,掘進過程中產生的廢石直接充填井下采空區,在設置充填擋墻時要布置緩沖區段。充填時,待廢石填滿采空區后可利用膏體料漿填充廢石縫隙,以提高充填體的強度。

3.6 充填質量管理

(1)嚴格做好充填物料的質量檢驗,避免不合格材料的使用,控制膏體濃度,精準料漿配合比,充分攪拌物料;

(2)嚴格做好充填日常管理工作,嚴格按照生產指令執行,避免不正常的停車;

(3)確保穩定的物料供應,避免因物料供應不穩定而導致儀表、輸送設備頻繁調節,避免供料不足而導致料漿質量下降;

(4)加強設備點巡檢,強化各崗位人員操作,減少事故停車率,及時處理設備故障,做好設備檢修,避免因故障停車而導致的堵管或者膏體質量不達標。

4 應用效果

(1)有效治理了采空區,避免了地表塌陷,處理了大量堆積尾砂及冶煉廠固體廢棄物,利用充填系統將選廠尾砂充填采空區,避免了尾砂排放帶來的環境影響,保護了生態環境;采空區得到有效治理,為井下殘礦回采提供更安全的開采條件;避免了因采空區貫通而導致的通風紊亂,實現了有效通風,保證了工人職業健康。

(2)使老鴉巢礦區的殘礦資源得到充分回收,避免了資源浪費,延長了礦山服務年限;大量的尾砂充填,延長了康家灣礦齋家沖尾礦庫的服務年限,節省了尾礦庫壩體加高擴容費用;新建的充填系統在鴨公塘礦區深部開發中得到應用,使得鴨公塘深部5000余萬噸礦石得到有效利用和安全開采;在水文條件極其復雜的鴨公塘深部,膏體充填體對圍巖涌水起到很好的封堵效果,減少疏排水費用;冶煉廠廢渣的利用,節省了處理廢渣所需費用。

(3)消除安全隱患,避免了地表塌陷給居民帶來的不安定性,化解了與周邊村民的矛盾,維護了社會及礦區的和諧穩定。

(4)膏體充填可以為鴨公塘礦區深部充填采礦提供技術依據;也可為康家灣礦充填系統升級改造提供技術依據。

5 結 論

水口山鉛鋅礦作為歷經一百多年開采的老礦山,開展采空區治理已迫在眉睫,通過本文的初步探討,系統分析了鉛鋅礦采空區的體積及特征;通過各種治理方法的綜合對比,擬采用膏體充填方法進行采空區治理;系統討論了充填物料選擇、配比及要求,充填工藝及方案的實施;采空區治理后,在環保、資源回收、經濟、安全等方面取得了較好的效果。膏體充填治理采空區,不僅可以解決目前鉛鋅礦采空區治理及井下生產問題,也可為其他類似礦山采空區治理起到借鑒作用。

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2017-04-25)

鄧 釗(1987－),男,江西九江人,采礦助理工程師,主要研究井下采礦生產技術服務工作,Email:361548028＠qq.com。