膏體膠結(jié)充填技術(shù)在下向進(jìn)路采礦的應(yīng)用與優(yōu)化

馬元磊,賀 鵬(.山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司,山東 萊蕪700;.山東科技大學(xué),山東 青島66000)

1 前言

萊蕪礦業(yè)應(yīng)用機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路膏體膠結(jié)充填采礦法已近10 年,在采礦充填技術(shù)方面進(jìn)行了大量探索應(yīng)用工作,取得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著膏體膠結(jié)充填技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了采礦過程的“不冒頂、不片幫、不塌方”,從根本上避免了的金屬礦山井工開采頂幫冒落傷人問題,解決了礦山行業(yè)發(fā)展的安全風(fēng)險(xiǎn)難題。隨著對(duì)該采礦方法的不斷深入研究和探索[1-2],也發(fā)現(xiàn)該采礦方法的各個(gè)工序的應(yīng)用技巧,尤其在膏體膠結(jié)充填料制備方面和充填工藝實(shí)施過程方面積累了大量的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 下向進(jìn)路采礦方法簡介

下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法以膠結(jié)充填體作為人工假頂,采用自上而下逐層逐條回采方式進(jìn)行采礦。進(jìn)路礦房尺寸為寬度5 m ×高度4.5 m ×長度50 m,各采礦分層采用穿沿脈進(jìn)路交錯(cuò)布置,采礦方法如圖1所示[3-4]。主要工藝包括采礦工藝、鋪網(wǎng)吊掛工藝、封堵工藝、充填工藝。鑿巖設(shè)備采用BooMer281 鑿巖臺(tái)車,鉆鑿炮孔深度3.95 m,孔徑45 mm,鑿巖工班效率258 m/臺(tái)·班。爆破工藝采用2 號(hào)巖石乳化炸藥,直徑38 mm 卷狀,裝藥系數(shù)60.6%,采用毫秒微差塑料導(dǎo)爆管起爆,炮孔利用率85.6%,炸藥單耗0.43 kg/t。出礦工作采用斗容為3 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)倒運(yùn)至出礦溜井進(jìn)行放礦。頂幫浮石處理采用撬毛臺(tái)車,錨固工藝采用HT-92 錨桿臺(tái)車,噴漿工藝采用噴漿臺(tái)車;溜井、泄水井等措施工程采用天井鉆機(jī)施工。全部采礦工序采用機(jī)械化大型設(shè)備形成一條完整的機(jī)械化生產(chǎn)線,該采礦方法采礦貧化率低、損失率小、生產(chǎn)效率高、安全系數(shù)高,盤區(qū)生產(chǎn)能力15 000 ～18 000 t/月,采礦損失率5%,貧化率8%,千噸采準(zhǔn)比6.46 m/kt。

圖1 下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法示意圖

3 膏體充填方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 膏體充填膠結(jié)材料

萊蕪礦業(yè)有限公司自1992 年開始試行充填采礦技術(shù)以來先后使用了河沙充填、尾礦庫干砂充填、全尾礦壓濾濾餅制漿充填、流態(tài)化礦倉制漿充填和大錐角立式砂倉制漿充填,但這些制漿方法均沒有制備出高濃度或膏體尾砂料漿。結(jié)合自身的多年的充填實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及國內(nèi)下向膠結(jié)充填采礦應(yīng)用先行單位經(jīng)驗(yàn),開展了基于無動(dòng)力深錐濃密機(jī)的膏體充填技術(shù)的研發(fā)工作,解決了細(xì)粒級(jí)全尾砂膏體充填技術(shù)工藝中的關(guān)鍵問題,取得了良好的效果[5-8]。目前,研發(fā)的膏體充填技術(shù)方案的膠結(jié)材料(以下稱為膠固粉)能夠達(dá)到以下要求:

(1)細(xì)度:用80 μm 篩析機(jī),負(fù)壓≥70 kPa,取25 g 注漿粉,篩析儀運(yùn)轉(zhuǎn)2 min,篩余量≤3%。

(2)凝結(jié)時(shí)間:初凝≥45 min,終凝≤390 min。

(3)強(qiáng)度:膠固粉尾砂試塊3 d 抗壓強(qiáng)度>1.5 MPa,28 d 抗壓強(qiáng)度>3.5 MPa。

3.2 膏體充填材料配比優(yōu)化

充填工藝對(duì)充填料的要求主要包括4 個(gè)方面:充填體強(qiáng)度、管輸特征、采場充填接頂率、采場脫水量。膏體膠結(jié)充填料是指不經(jīng)分級(jí)和脫泥的全尾砂作為充填料,以膠固粉為膠結(jié)劑構(gòu)成的膠結(jié)充填料。充填料漿由全尾砂、水、膠固粉等材料以一定的比例配制并混合而成。為了分析細(xì)粒級(jí)全尾砂充填的可行性,研究不同灰砂比對(duì)膠結(jié)性能的影響,分別對(duì)膠固粉進(jìn)行了不同配比的膠結(jié)試驗(yàn)。對(duì)不同灰砂比、不同濃度、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同灰砂比和料漿濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)在灰砂比1∶4條件下,料漿濃度從50%增加到62.5%,28 d 膠結(jié)強(qiáng)度從2.93 MPa 增加到7.06 MPa;當(dāng)料漿濃度為52.5% ～57.5%時(shí),3 d 抗壓強(qiáng)度可超過0.5 MPa,達(dá)到0.71 ～0.97 MPa;28 d 抗壓強(qiáng)度可超過3.0 MPa,達(dá)到3.02 ～4.18 MPa。

(2)在灰砂比1∶6條件下,料漿濃度從50%增加到62.5%,28 d 膠結(jié)強(qiáng)度從1.41 MPa 增加5.47 MPa;當(dāng)料漿濃度為57.5%時(shí),3 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到0.61 MPa;28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.28 MPa。由此可見,充填濃度是影響膠結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能提高充填濃度。

料漿流動(dòng)性指標(biāo)測試試驗(yàn)表明料漿流動(dòng)性存在一個(gè)急劇變化的臨界濃度,該臨界濃度約為58%。考慮降低料漿輸送輸送阻力的難題,充填料漿的濃度應(yīng)控制在58%以下。考慮料漿塌落度和擴(kuò)展度的影響,在實(shí)際生產(chǎn)中采用料漿灰砂比1∶4、濃度在54% ～57%,經(jīng)測試此濃度下料漿的塌落度為23 ～25 cm,能夠滿足礦房接頂要求。

3.3 膏體充填方案的應(yīng)用優(yōu)化

充填料漿采用兩級(jí)連續(xù)膏體攪拌技術(shù),溢流式高液位雙軸攪拌機(jī),保證了攪拌時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了膏體狀態(tài)下尾礦與膠結(jié)粉料的充分均勻混合,充填料漿不離析、不分層、不脫水,避免了充填膠結(jié)料的流失,保證了充填體強(qiáng)度。

充填作業(yè)根據(jù)充填過程依次分為鋪底充填、正常充填和接頂充填。鋪底充填濃度為55% ～58%,膠固粉單耗為300 ～320 kg/m3;正常充填濃度為54% ～57%,接頂充填濃度為53% ～55%,膠固粉單耗均為180 ～190 kg/m3。平均每立方充填料漿添加220 kg 膠固粉,制備的充填料漿濃度為53% ～58%(塌落度23 ～25 cm),28 d 強(qiáng)度3.5 MPa 以上,滿足膏體膠結(jié)充填的抗壓強(qiáng)度要求。

4 膏體充填技術(shù)的應(yīng)用難題及優(yōu)化措施

機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法應(yīng)用的關(guān)鍵在于膏體充填技術(shù)的應(yīng)用,膏體充填技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐過程中存在以下三大難題[9-11]:鋪網(wǎng)吊掛工藝實(shí)施難題、封堵濾水工藝難題、充填工藝分層及接頂難題。

4.1 鋪網(wǎng)吊掛工藝實(shí)施難題

1)問題的提出

前文所述,53% ～58%濃度、膠固粉220 kg/m3的充填料漿能夠滿足抗壓強(qiáng)度需要。但在實(shí)際應(yīng)用過程中,充填體頂板暴露于礦房空區(qū),關(guān)系頂板整體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素為充填體的抗拉強(qiáng)度。該采礦方法應(yīng)用實(shí)踐初期,常常發(fā)生充填體冒頂現(xiàn)象,尤其是局部充填體離析分層區(qū)域,爆破后充填體冒頂現(xiàn)象隨著進(jìn)路跟進(jìn),局部區(qū)域充填體整層全部冒落,高度達(dá)到8 m;并且充填體一旦發(fā)生冒落,整體性遭到破壞且常規(guī)的噴錨網(wǎng)支護(hù)無法達(dá)到有效支護(hù)的目的,嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)。鑒于膏體充填體膠結(jié)后的抗拉強(qiáng)度較低,研究試用了鋪設(shè)50 cm 厚的混凝土層用于支撐充填體頂板,由于混凝土層與充填體不能有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體且該混凝土層受到爆破振動(dòng)后破碎嚴(yán)重,該解決措施在試用后直接被否決。

2)優(yōu)化方案

通過多年的實(shí)踐摸索,采取了鋪網(wǎng)吊掛工藝,即在充填體內(nèi)加入配筋,以提高膠結(jié)充填體的整體強(qiáng)度。進(jìn)路礦房回采完畢后進(jìn)行清底、平整。底板鋪設(shè)厚度為10 cm 的碎礦石作為下一分層的爆破緩沖層,以減少下水平進(jìn)路采礦爆破對(duì)本水平礦房充填體的震動(dòng)沖擊;在緩沖層表面鋪設(shè)編織布或麻袋,以實(shí)現(xiàn)下水平進(jìn)路采礦爆破后的礦石與本水平礦房充填體有效分離。底板縱向居中鋪設(shè)3 條間距為1.5 m 的三角桁架用于加強(qiáng)吊筋對(duì)充填體的吊掛作用;在三角桁架上鋪設(shè)φ4 mm 鋼筋網(wǎng),網(wǎng)度15 cm×15 cm,網(wǎng)片尺寸為6.0 m ×2.0 m,兩幫預(yù)留0.3 m的鋼筋網(wǎng)與相鄰礦房鋼筋網(wǎng)連接,各采礦分層鋼筋網(wǎng)連成整體。

安裝吊筋吊掛三角桁架和鋼筋網(wǎng),對(duì)空區(qū)充填體形成吊掛加固,為下一水平的進(jìn)路采礦形成安全可靠的充填體假頂。吊筋的作用原理與深孔錨索支護(hù)原理相類似,吊筋選用φ12 mm 螺紋鋼制作,網(wǎng)度1.0 m×1.0 m。需注意首采層預(yù)設(shè)網(wǎng)度1.0 m×1.0 m吊掛錨桿,吊筋安設(shè)在吊掛錨桿上,吊筋底部預(yù)埋吊環(huán)在底板緩沖層,第二層回采后吊環(huán)自行揭露用于吊筋安設(shè)。

3)實(shí)施效果

該優(yōu)化方案的緩沖層有效地解決了采礦爆破對(duì)頂板充填體的沖擊震動(dòng)作用,保持了其完整性;吊筋+三角桁架+鋼筋網(wǎng)三個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)充填體的有效吊掛和加固,提高了其整體穩(wěn)定性。鋪網(wǎng)吊掛工藝實(shí)施以來,充填體頂板冒落問題得以有效解決,爆破后的進(jìn)路頂板平整堅(jiān)固,進(jìn)路采礦安全得以保障。

4.2 封堵濾水工藝難題

1)問題的提出

充填體脫水速度關(guān)系到接頂效果和充填體凝結(jié)時(shí)間。快速脫水,則接頂效果好、充填體凝結(jié)時(shí)間短;脫水速度慢,則導(dǎo)致礦房接頂效果差、充填體凝結(jié)時(shí)間長,影響相鄰進(jìn)路礦房的回采進(jìn)度。而充填體脫水速度的快慢不僅和充填體自身的性質(zhì)有關(guān),還受封堵墻濾水效果的影響。初期分別試驗(yàn)了空心磚墻封堵工藝和木墻封堵工藝,其中木墻封堵如圖2 所示。該兩個(gè)封堵方案均存在耗材多且重復(fù)低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高等缺陷,并且濾水效果較差,導(dǎo)致礦房接頂效果不好、局部未接頂。相鄰礦房回采過程中揭露頂板與未接頂區(qū)域相連,暴露面積極大,嚴(yán)重威脅著采礦安全。

圖2 木墻封堵示意圖

2)解決辦法

改進(jìn)封堵濾水墻。采用無縫鋼管+鋼筋網(wǎng)+麻袋片制作封堵墻對(duì)空區(qū)進(jìn)行封堵,為減少聯(lián)絡(luò)巷頂板暴露面積,采取弧形鋼支架封堵方式。無縫鋼管作為立柱支撐,細(xì)鋼絲繩作為拉筋進(jìn)行加固,無縫鋼管上安裝鋼筋網(wǎng)并鋪設(shè)麻袋片用于濾水,封堵墻如圖3所示。需注意封堵墻的底部必須清到硬底并根據(jù)彎管弧度開挖40 cm×20 cm 槽溝,立柱安設(shè)底部須潛入溝槽,中間用錨桿進(jìn)行固定,頂部借助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)接實(shí)頂板。

圖3 封堵墻示意圖

(2)每條進(jìn)路礦房分四層充填,第一層為打底層(厚度2.0 m),第二層、第三層為正常充填層(厚度2.0 m),該三層充填體濾水凝固后再實(shí)施第四層接頂充填,接頂充填層厚度0.5 m。該辦法能夠?qū)崿F(xiàn)充填體分多次濾水,第四層接頂充填厚度0.5 m,濾水總量相對(duì)減少。

3)實(shí)施效果

該封堵方式應(yīng)用以來,充填料濾水分多次進(jìn)行,濾水徹底,提高充填體膠結(jié)速度,能夠?qū)崿F(xiàn)礦房有效接頂;弧形鋼支架實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)絡(luò)巷道的有效支護(hù),減少了充填體頂板的暴露面積,保障了安全生產(chǎn)。更重要的是該封堵工藝的耗材能夠重復(fù)循環(huán)使用,大大降低了封堵成本。

4.3 充填工藝分層及接頂難題

1)問題的提出

每條進(jìn)路礦房回采完畢后及時(shí)進(jìn)行充填,膠固粉作為充填膠凝材料,尾礦作為充填惰性輔料,充填材料為尾砂+膠固粉配置成充填膏體。進(jìn)路充填方式為同水平接頂充填,充填料的流動(dòng)性較差且凝固過程存在分層離析現(xiàn)象,導(dǎo)致充填體出現(xiàn)分層問題。充填體一旦出現(xiàn)分層,下一層進(jìn)路采礦過程中,薄層充填體會(huì)全部垮落,嚴(yán)重威脅采礦安全。

充填體接頂是關(guān)系相鄰進(jìn)路采礦的關(guān)鍵,接頂不好則導(dǎo)致相鄰礦房采礦過程中暴露面積加大,易發(fā)生大面積冒落事故。而濾水速度、接頂層高、排氣管道、充填管管位都是影響充填接頂?shù)年P(guān)鍵因素。

2)解決辦法

為解決充填體分層及接頂問題,采取了縱向分層和橫向分段充填方式。其中縱向分層方式已述,礦房分四層進(jìn)行充填,接頂充填層厚度0.5 m。橫向分段方式每10 m 安設(shè)一組充填進(jìn)料管道和回氣管道,進(jìn)料管口和回氣管口安設(shè)在礦房頂板高位,充填方案如圖4所示。每一層充填工作通過充填主管道上安設(shè)的三通或者四通實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)及近分段集中供料、依次充填。

圖4 充填方案示意圖

3)實(shí)施效果

縱向分層和橫向分段充填方式應(yīng)用以來,接頂率顯著提高,達(dá)到95%左右。并且徹底解決了充填體分層問題,充填體的整體強(qiáng)度達(dá)到:3 d 強(qiáng)度1.5 MPa,28 d 強(qiáng)度3.5 MPa;解決了分層問題后,高強(qiáng)度充填體與吊筋鋼筋網(wǎng)有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體,強(qiáng)度大幅度提高。實(shí)踐應(yīng)用表明,縱向分層和橫向分段充填方式科學(xué)合理,能實(shí)現(xiàn)充填體假頂光滑平整、整體強(qiáng)度高、堅(jiān)固可靠。

5 結(jié)論

膏體膠結(jié)充填技術(shù)在下向進(jìn)路采礦的應(yīng)用以來,通過不斷探索和研究,確定鋪底充填濃度為55% ～58%,膠固粉單耗為300 ～320 kg/m3;正常充填濃度為54% ～ 57%,接頂充填濃度為53% ～55%,膠固粉單耗均為180 ～190 kg/m3。平均每立方充填料漿添加220 kg 膠固粉,制備的充填料漿濃度為53 ～58%(塌落度23 ～25 cm),28 d 強(qiáng)度3.5 MPa 以上,能夠滿足膏體膠結(jié)充填的抗壓強(qiáng)度要求。

對(duì)實(shí)踐應(yīng)用三大難題的改進(jìn)和試驗(yàn)表明:(1)預(yù)鋪設(shè)爆破緩沖層保護(hù)充填體假頂、吊筋+三角桁架+鋼筋網(wǎng)三個(gè)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)充填體的有效吊掛和加固,保證其整體穩(wěn)定性,解決充填體頂板冒落問題。(2)弧形鋼支架+鋼筋網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)封堵工藝能夠?qū)崿F(xiàn)充分濾水,改善充填體凝固強(qiáng)度,大大降低了封堵成本。(3)縱向分層和橫向分段充填方式能夠徹底解決充填體分層難題和接頂難題,保障充填體的整體強(qiáng)度。