條帶開采嗣后充填法充填膏體強度設計及工程應用

姚俊耀，李志立，左 迪

(中赟國際工程有限公司， 河南 鄭州 450000)

條帶開采嗣后充填采礦法是在條帶回采后，利用充填設備將具備一定強度和力學性能的充填材料送至采空區，用以回收礦柱和管理頂板。不僅可以解決礦床開采帶來的環境破壞問題，同時還能最大程度地提高資源采出率。是綠色開采的重要組成部分，因而在鹽巖礦山的地下開采中得到了廣泛應用[1-4]。

1 工程概況

礦區開采對象為鉀鹽礦，礦層呈層狀，似層狀產出，分布連續，范圍廣，產狀相對平緩，傾角約5°～15°。鉀鹽礦層直接頂板為泥巖，直接底板為厚層巖鹽，鉀鹽礦層上覆地層巖石的物理力學強度較差，頂板穩定性較差。礦體地質構造和水文地質條件中等。

采礦方法為條帶開采嗣后充填法，回采工藝為綜合機械化掘采。目前開采水平為+450 m，采場結構參數見表1，綜合機械化采場布置見圖1。

表1 綜合機械化采場結構參數表/m

2 膏體充填

膏體充填是把礦山附近的廢石、尾礦、山石、河沙、建筑垃圾等固體廢物與膠結劑攪拌制成一定濃度的無臨界流速、不脫水的膏體，利用充填工業泵泵送，通過管道的長距離運輸輸送至充填區域，待膏體凝固后形成一定強度對巷道、采空區進行大面積支護，有效控制地表的深陷，確保生產區域的安全，也確保地表水資源、植被資源、公路、村莊不受破壞。同時凝固后的膏體還能置換礦山中的保安礦柱，提高礦產資源的可采率。

圖1 綜合機械化采場布置

2.1 膏體充填材料的一般要求

（1）成本低：充填成本增加、充填工藝復雜勢必會阻礙充填技術的應用和發展，因此，低成本是選擇充填膏體材料的首要因素。

（2）來源廣泛：鹽巖礦山一般采用選礦尾鹽和尾液廢棄物等做骨料，以生石灰與充填體中的尾液反應生成的膠結體作為膠結料。既滿足了成本低、來源廣泛的要求，同時“變廢為寶”，實現了資源的綜合利用。

（3）要有足夠的早期強度：要保證采場的安全，充填體前期要有足夠的強度保持自立，同時還要對頂板起到一定的支撐作用。因此，充填膏體必須有足夠的早期強度。

（4）能有效改善采場圍巖力學條件，減小上覆巖層彎曲變形，以達到控制地表沉降的效果[5]。

2.2 膏體充填材料的特點

（1）膏體充填材料為膠結性材料，凝固后形成一定強度的充填體，合理選擇膏體充填材料強度，可以維持充填體主體永遠不發生破壞。這種充填體壓縮率只有1%～3%，遠小于干式充填的壓縮率，能夠取得更好的地表沉陷控制效果。

（2）由于膏體充填壓縮率低，減沉效果好，具有更大的適用性。采用膏體充填一般都可以實行無礦柱開采，能最大限度的提高資源回收率。

（3）膏體充填材料管道輸送效率高，采用管道水力輸送，輸送管道占據空間小，可以方便適應拐彎、下坡和上坡，其中的水構成充填體的有機組成部分，在充填工作面不需要泌出，管道輸送物基本全部得以利用。

（4）膏體充填材料具有良好的穩定性，在管道中較長時間靜置不沉淀、不泌水、不離析，重新啟動輸送容易，對管道布置要求較低，不易出現管路堵塞事故。

2.3 膏體充填材料的選擇

結合膏體充填材料特性和資源綜合利用的綠色開采原則，選用鉀鹽礦山選礦過程中產生的尾鹽和尾液作為充填材料，利用生石灰與尾液反應生成的膠結體作為膠凝材料，形成具有一定早期強度、固結速度快、彈性模量較高和塑性強化特性明顯的膏體。

3 充填體強度設計

充填體強度是充填技術的核心，對充填質量、采場穩定性控制以及地表沉陷控制起著決定性作用。根據具體的開采技術和充填條件，確定技術可行、經濟優化的充填體強度是充填開采的前提。

根據采場結構參數和回采布置情況，分別采用經驗公式法、Thomas模型、盧平修正模型對充填體的強度進行了計算[6-10]。

3.1 經驗公式法

膠結充填體的強度與充填體的高度是一種半立方拋物線關系。即：

式中，h為膠結充填體高度，m；σc為為膠結充填體強度，MPa；n為經驗系數，充填體一般取600。

3.2 Thomas模型

考慮膠結充填體與圍巖壁的摩擦力所產生的成拱作用，提出了Thomas模型：

式中：σc為膠結充填體強度，MPa；γ為充填體重度，MN/m3；h為膠結充填體高度，m；b為充填體寬度，m。

3.3 盧平修正模型

在Thomas模型基礎上，充分考慮了充填體的幾何尺寸、充填體料的密度、充填體自身的強度特性，盧平提出了如下修正模型：

3.4 計算參數及結果分析

充填體及巖體物理力學參數，按礦山實際資料選取，見表2。

表2 充填體及圍巖力學參數

引入安全系數f，根據生產實踐取f=2。結合以上公式，可得到充填體設計強度，詳見表3。

綜合考慮機械化回采工藝、采場結構及嗣后充填工藝等因素，從安全角度出發，取充填體設計強度為0.96 MPa。

表3 充填體強度計算表

3.5 充填體自立高度

采用南非公式來計算充填體極限自立高度，即：

式中，a為垂直方向加速度，m/s2；γ為充填體重度，kN/m3；F為安全系數，一般取1.2；β為滑移角，取 80°。

其余參數同上。

將充填體物理力學參數帶入式（4），得到充填體極限自立高度為15.4 m，大于礦山的實際開采高度，滿足其自立穩定性的要求。

4 工程應用效果考察

根據設計計算所得充填體強度0.96 MPa，按一定的配合比制成膏體充填材料，在+450 m開采水平進行礦山安全回采驗證工程，結果表明：

（1）條帶礦房綜合機械化回采后，條帶礦柱保持良好的的穩定狀態，頂板和礦柱兩側變形量較小，未出現片幫、垮落等現象。由于頂板為層狀泥巖，延展性較好，出現了連續彎曲現象，彎曲下沉量較小。監測數據顯示，下沉量基本在20 mm范圍之內，巷道兩幫收斂量在5 mm以內；

（2）根據地表沉降觀測結果，充填開采范圍內，地表沉降量最大值為25 mm，地表最大傾斜率為0.65 mm/m，各變形值均小于磚混結構建筑物損壞Ⅰ級指標[11]。

5 結 論

（1）充分利用尾鹽和尾液作為充填材料，全部充填處理尾鹽和尾液廢棄物，實現了資源回收和綜合利用的綠色開采目標，降低了環保壓力。

（2）綜合多種經驗、理論模型對充填體強度進行了計算，結合采場布置、結構參數、回采工業和采礦方法，最終確定充填體強度為0.96 MPa。

（3）通過現場驗證工程，充分證明條帶開采嗣后充填采礦法能有效的控制地表沉降，保護生態環境。同時由于充填體置換了礦柱，提高了資源回收率，取得了良好的經濟效益。