大型空區(qū)群安全隱患治理之全尾砂充填方案

陳發(fā)興，黃建君

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引言

生產(chǎn)多年的老礦山，往往會(huì)存在大量空區(qū)未處理的安全隱患及尾礦庫(kù)容不足的問(wèn)題，給礦山持續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)一定困難。最有效的空區(qū)治理方法之一是采用尾砂充填，尾砂充填能減少尾礦外排量，減少尾礦庫(kù)容消耗，尾砂充填還能大大減緩地壓災(zāi)害影響，減少礦柱損失，提高回采率，因此，尾砂充填空區(qū)是一舉多得的舉措。本文結(jié)合某銅礦技改設(shè)計(jì)，對(duì)全尾砂充填方案治理礦山空區(qū)隱患進(jìn)行探討。

1 礦山概況

某礦山為已生產(chǎn)多年的銅礦山，礦體主要賦存于白云巖中，為急傾斜、厚～極厚礦體，礦圍巖穩(wěn)固性好，原主要采用留礦法開采。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，礦體平均傾角約為75°；未采礦體按厚度可分為極厚和厚兩類，平均厚度分別為33.7 m 和17.1 m。原留礦法采場(chǎng)有沿走向布置和垂直走向布置兩類，按實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，沿走向采場(chǎng)平均尺寸為：礦塊長(zhǎng)、寬、高分別為51 m、18 m、92～114 m，已采礦房長(zhǎng)度為38 m、間柱寬為13 m、底柱高為5～13 m、頂柱高為20～30 m。垂直走向采場(chǎng)平均尺寸為：礦塊長(zhǎng)、寬、高分別為50 m、32 m、92～114 m，已采礦房寬度為16 m，間柱寬為16 m，底柱高為5～13 m，頂柱高為20～30 m。

本次技改設(shè)計(jì)范圍的開采對(duì)象包括：設(shè)計(jì)開采范圍保有的工業(yè)礦及部分有條件、有回采價(jià)值的原留礦法開采留下的礦柱和存窿礦，設(shè)計(jì)可采礦量為銅礦石量711.1 萬(wàn)t，銅金屬量51 901 t，礦石平均銅品位0.73%。

為了給設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供依據(jù)，礦山開展了空區(qū)調(diào)查工作，采用資料綜合、激光掃描、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、走訪調(diào)查、資料追溯、鉆孔驗(yàn)證等手段，基本查明了空區(qū)分布、空區(qū)量、采場(chǎng)數(shù)量、空區(qū)穩(wěn)定情況及垮塌情況，提交了空區(qū)平面圖和剖面圖、空區(qū)統(tǒng)計(jì)表、文字報(bào)告等，查明1218～1975 m 各中段空區(qū)體積合計(jì)為 595.36 萬(wàn)m3，包含1975 m 以上至2219 m 中段的空區(qū)，全礦共有空區(qū)數(shù)量525 個(gè)，采空區(qū)體積總計(jì)為1294.13 萬(wàn)m3。

礦山原采用留礦法開采的損失率大，平均回采率只有35%左右，采場(chǎng)回采周期長(zhǎng)，大的采場(chǎng)要回采1 a 以上才能結(jié)束，采用淺孔鑿巖機(jī)在采場(chǎng)內(nèi)人工鑿巖，30 kW 電耙出礦，效率低，為滿足選礦廠的原礦需求，形成了多中段同時(shí)作業(yè)的局面，開采安全性差。

礦山現(xiàn)有尾礦庫(kù)已基本堆滿，已啟動(dòng)閉庫(kù)相關(guān)工作，擬新建的尾礦庫(kù)投資較大，尚未通過(guò)上級(jí)部門的審批。

根據(jù)礦山現(xiàn)狀及特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)主要需解決如下幾方面的問(wèn)題：逐步解決大型空區(qū)群的安全隱患問(wèn)題；提高礦石回采率和開采效率；妥善解決尾礦處置問(wèn)題；提出經(jīng)濟(jì)可行并能保證生產(chǎn)安全的開采方案。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析及采礦方法選擇

2.1 尾礦處置成本對(duì)比分析

按建設(shè)方提供的擬建尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，折算尾礦處置成本為19.9 元/t 原礦，數(shù)據(jù)見表1。

表1 尾礦庫(kù)尾礦處置成本計(jì)算

類比其他全尾砂充填礦山相關(guān)資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該銅礦全尾砂充填成本估算如下：兩步驟回采，膠結(jié)充填與非膠結(jié)充填比例為1:1 時(shí)，充填成本為25.05 元/t 原礦；如果為嗣后充填，充填時(shí)不添加膠結(jié)材料，充填成本為22.08 元/m3。

從上述數(shù)據(jù)看，將尾礦充填到空區(qū)，與堆放到尾礦庫(kù)相比成本并未增加。礦山采用留礦法開采多年，留下大量空區(qū)未充填，這些空區(qū)可用于處置尾礦。要繼續(xù)開采原采場(chǎng)附近的礦體及回采原有礦柱，從開采工藝及開采安全的需要都必須對(duì)原有空區(qū)進(jìn)行充填。

2.2 采礦方法效益分析

選擇充填法（兩步驟回采）、空?qǐng)龇ǎㄋ煤蟪涮睿⒘舻V法（嗣后充填）進(jìn)行效益分析。充填法（兩步驟回采）可提高礦石回采率，但對(duì)一步驟采場(chǎng)要進(jìn)行膠結(jié)充填，充填成本高，相應(yīng)采礦成本也高。空?qǐng)龇ǎㄋ煤蟪涮睿┖土舻V法（嗣后充填）要留設(shè)間柱進(jìn)行采場(chǎng)隔離及支撐，采用嗣后非膠結(jié)充填，充填成本低于兩步驟回采的充填法，但損失率高，留礦法（嗣后充填）開采效率低，回采成本略高于空?qǐng)龇ǎㄋ煤蟪涮睿瑩p失率也比留礦法（嗣后充填）高，3 種采礦方法開采每噸地質(zhì)礦量產(chǎn)生的效益對(duì)比見圖1。從圖1 可看出，在地質(zhì)銅品位分別低于0.58%、0.60%及0.63%時(shí)，空?qǐng)龇ǎㄋ煤蟪涮睿⒘舻V法（嗣后充填）及充填法（兩步驟回采）會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，在地質(zhì)銅品位約在0.58%～0.86%范圍，空?qǐng)龇ǎㄋ煤蟪涮睿╅_采每噸地質(zhì)礦量產(chǎn)生的效益最好，在地質(zhì)銅品位約在0.86%以上時(shí)，充填法（兩步驟回采）開采每噸地質(zhì)礦量產(chǎn)生的效益最好，說(shuō)明在采礦方法選擇時(shí)，當(dāng)?shù)V石品位較高時(shí)，宜選擇回采率高、開采成本也略高的充填法開采，當(dāng)?shù)V石品位不高時(shí)，宜選擇開采成本低，損失率適中的采礦方法。

圖1 三種采礦方法開采每噸地質(zhì)礦量產(chǎn)生的效益對(duì)比

2.3 采礦方法選擇

經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用階段充填法開采，階段高度46～57 m，采用高風(fēng)壓潛孔鑿巖臺(tái)車鉆鑿下向扇形深孔落礦，3 m3電動(dòng)及柴油鏟遙控運(yùn)機(jī)出礦，采后采用全尾砂膏體及廢石充填空區(qū)。品位較高的礦塊不留設(shè)間柱，分兩步驟回采，一步驟采后膠結(jié)充填、二步驟采后非膠結(jié)充填；品位不高的礦塊留設(shè)間柱，采后非膠結(jié)充填。原有礦柱品位較高，采用兩步驟階段充填法回采。

2.4 開采順序安排

根據(jù)階段充填法開采的特點(diǎn)，總體按由下而上的順序進(jìn)行開采，選擇西側(cè)礦體相對(duì)完整的地段為首采地段，走向上按間隔跳采的順序進(jìn)行，先采礦塊充填完成后，才能開采相鄰礦塊，與開采相關(guān)聯(lián)的原有空區(qū)要充填完成后，才能開采相關(guān)聯(lián)的礦塊。原有礦柱回采順序是先采頂柱，再采間柱，對(duì)間柱的回采，要求在原空區(qū)已充填的情況下，兩面臨空的間柱內(nèi)的采切工程才能施工，采切工程施工完成后，才能進(jìn)行落礦工作，因此，間柱回采滯后于頂柱的回采。

3 空區(qū)充填設(shè)計(jì)

3.1 全尾砂粒度組成及沉降試驗(yàn)

該礦全尾砂中+100 目（+150 μm）占比為2.705%，?100～+200 目(?150～+74 μm) 占比為14.957%，?200～+325 目（?74～+45 μm）占比為12.149%，?325～+400 目（?45～+38 μm）占比為11.690%，?400～+500 目（?38～+25 μm）占比為14.599%，?500 目（?25 μm）占比為43.9%。平均粒徑d10、d30、d60、d50分別為3.1 μm、13.5 μm、38.6 μm、34.7 μm。?325 目占70.19%，加權(quán)平均粒徑為43.13 μm。

根據(jù)沉降試驗(yàn)，推薦20%濃度為最佳入料濃度，建議將Ciba1#絮凝劑或BASF 絮凝劑作為尾砂沉降備選產(chǎn)品，絮凝劑單耗為20～25 g/t，建議絮凝劑稀釋濃度0.3%。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，建議深錐底流尾砂放漿濃度控制為68%～72%，動(dòng)態(tài)沉降固體通量隨絮凝劑品種和用量可控制在0.26～0.75 t/(m2·h)。以平均放料濃度70%計(jì)算，可選定固體動(dòng)態(tài)沉降通量為0.4 t/(m2·h)進(jìn)行濃密機(jī)選型。

3.2 充填工藝要求

采礦方法為階段充填法，充填體有一步驟、二步驟及面層三種，其中二步驟包括留礦柱的采后非膠結(jié)充填、處理原有空區(qū)的非膠結(jié)充填。一步驟充填體要求在二步驟礦體開采過(guò)程中，能自立、不會(huì)大量垮落、對(duì)頂板有支撐作用；二步驟充填要求能脫水、固結(jié)；面層須滿足鏟運(yùn)機(jī)在其上方運(yùn)行及出礦的要求，且在其上部落礦時(shí)不被破壞。根據(jù)充填試驗(yàn)，一步驟充填體，每個(gè)充填的段高（46～57 m）可由下而上分層按不同的灰砂比進(jìn)行充填，上部灰砂比低于下部，灰砂比范圍約為1:15～1:7，充填體28 d 強(qiáng)度約為0.5～1.7 MPa；面層充填體設(shè)計(jì)厚度為2 m，按1:5 灰砂比進(jìn)行充填，充填體28 d 強(qiáng)度為2 MPa；二步驟充填體，為利于充填脫水及固結(jié)，可按平均1:30 灰砂比進(jìn)行充填，脫水條件好的或充填不制約采礦的地段，也可不添加水泥，只充填純尾砂。

選擇采用全尾砂+水泥的膏體充填，根據(jù)充填試驗(yàn)成果，漿體設(shè)計(jì)濃度確定為70%（實(shí)際生產(chǎn)可控制在70%～72%之間），膠結(jié)材料推薦采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的P.C42.5 水泥。

3.3 充填空區(qū)分類統(tǒng)計(jì)

需充填及可充填的空區(qū)量分為3 部分：一是原有留礦法開采留下的空區(qū)，二是設(shè)計(jì)要回收的存窿礦量采出后產(chǎn)生的空區(qū)；三是設(shè)計(jì)規(guī)劃回采礦塊開采后產(chǎn)生的空區(qū)。原有留礦法開采留下的空區(qū)按與本次設(shè)計(jì)開采區(qū)域的關(guān)系分為2 類：一類是規(guī)劃設(shè)計(jì)有安全關(guān)聯(lián)及工藝關(guān)聯(lián)的空區(qū)，也就是處于設(shè)計(jì)開采礦塊（含回采存窿礦塊）下方或周邊，對(duì)開采安全產(chǎn)生影響的空區(qū)，或?qū)﹂_采要利用的原有工程有安全影響的空區(qū)；另一類是除上述空區(qū)之外的空區(qū)，對(duì)設(shè)計(jì)開采不產(chǎn)生安全影響，此類空區(qū)稱開采不關(guān)聯(lián)空區(qū)。從充填方式劃分，上述各類空區(qū)又可劃分為3 類：一是需要膠結(jié)充填，以便后續(xù)回采二步驟礦石的一步驟空區(qū)；二是不需要膠結(jié)充填，但需要進(jìn)行非膠結(jié)充填，以保證后續(xù)安全開采的二步驟空區(qū)；三是僅利用已有空區(qū)處理尾礦的空區(qū)，也就是開采不關(guān)聯(lián)空區(qū)。

據(jù)空區(qū)調(diào)查資料及開采規(guī)劃，空區(qū)分類統(tǒng)計(jì)匯總見表2。

表2 空區(qū)分類統(tǒng)計(jì)匯總

3.4 充填進(jìn)度計(jì)劃安排

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)開采規(guī)模為8×105t/a，開采服務(wù)年限為9 a，前8 a 達(dá)產(chǎn)，最后1 a 減產(chǎn)，設(shè)計(jì)采出礦石量6.994×106t，平均銅品位為0.67%。

充填進(jìn)度計(jì)劃結(jié)合出礦進(jìn)度計(jì)劃來(lái)安排。由于空區(qū)量較大，設(shè)計(jì)將全部尾砂及廢石全部充填到空區(qū)內(nèi)，優(yōu)先充填與開采相關(guān)聯(lián)的空區(qū)，有剩余尾砂及廢石時(shí)再充填與開采不關(guān)聯(lián)的空區(qū)，總體上按由下而上跟隨開采順序進(jìn)行空區(qū)充填。

按空區(qū)充填進(jìn)度計(jì)劃，設(shè)計(jì)區(qū)域需充填空區(qū)就消耗了全部廢石及大部分尾砂，只有少部分尾砂用于充填開采不關(guān)聯(lián)的1650 m 中段空區(qū)及1720 m 中段部分空區(qū)，其它剩余空區(qū)需在后續(xù)開采期間利用剩余尾砂及廢石進(jìn)行充填。

3.5 充填料制備及輸送

在選廠附近設(shè)充填站，場(chǎng)地標(biāo)高為1567 m。井下需要充填的中段有1560 m、1650 m、1720 m、1770 m、1832 m、1900 m、1933 m 等中段；充填1933 m中段時(shí)，礦漿輸送管敷設(shè)標(biāo)高為1975 m 水平，此工況礦漿輸送起點(diǎn)至1975 m 標(biāo)高管道線路長(zhǎng)6.3 km，高差408 m。礦漿輸送主管道直徑為180 mm，壁厚為12 mm，管道內(nèi)徑為156 mm，管道材質(zhì)為API 5L X65 裸鋼管。

選廠產(chǎn)出全部尾砂采用Φ20 m 深錐濃密機(jī)進(jìn)行濃密脫水；之后添加水泥（需要時(shí)）、經(jīng)兩級(jí)攪拌，制備成質(zhì)量濃度為70%的充填料漿，用隔膜泵泵送到采空區(qū)進(jìn)行充填。

3.6 空區(qū)充填

（1）廢石充填。井下產(chǎn)出廢石宜充填到采空區(qū)，廢石宜充填到二步驟空區(qū)或開采不關(guān)聯(lián)的空區(qū)，若需要充填到一步驟空區(qū)，則要控制充填量，使廢石基本不堆積到二步驟開采礦體的邊沿。

（2）尾砂充填。設(shè)計(jì)將選廠產(chǎn)出的全部尾砂充填到采空區(qū)，要求充填系統(tǒng)能力與選礦廠相配套，能配合選礦廠連續(xù)運(yùn)行。選廠產(chǎn)出尾礦經(jīng)地表充填站濃密、添加水泥（或不添加）及攪拌、泵送到采空區(qū)進(jìn)行充填。

考慮到充填脫水、養(yǎng)護(hù)及充填安全的需要，一個(gè)空區(qū)連續(xù)充填一定時(shí)間和一定高度（設(shè)計(jì)推薦5～10 m 高）后，要停止充填，然后將泵送到該水平的漿體通過(guò)閘閥切換充填到另一個(gè)準(zhǔn)備好的空區(qū)進(jìn)行充填，需一次準(zhǔn)備3 個(gè)或以上較鄰近的充填空區(qū)進(jìn)行交替充填。切換充填地點(diǎn)時(shí)，要搭接沖洗水管將切換后不輸送漿體的管道段沖洗干凈，沖洗后的污水宜引到不需充填強(qiáng)度的備用空區(qū)內(nèi)沉淀、過(guò)濾后排出。

為便于在意外情況發(fā)生時(shí)，由地表泵送到采區(qū)的尾砂有排放的地點(diǎn)，在上述備有3 個(gè)及以上空區(qū)交替切換的基礎(chǔ)上，應(yīng)再選擇一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、體積大的采空區(qū)，提前做好密閉及脫水措施，作為備用的尾砂排放區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）按照Mathews 穩(wěn)定性圖解法對(duì)設(shè)計(jì)礦房推薦尺寸進(jìn)行分析，礦房各暴露面處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，礦房尺寸較為合理。

（2）采用FLAC3D對(duì)1650～1900 m 中段采用階段充填法回采礦體過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定性分析表明：1650 m 中段礦體回采時(shí)易對(duì)上覆采空區(qū)產(chǎn)生擾動(dòng)，并形成互相影響，礦房四角應(yīng)力集中顯著，具有低至中等的巖爆傾向性，局部礦柱中心出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，具有一定片落風(fēng)險(xiǎn)，建議礦房布置密集區(qū)域且上覆采空區(qū)較多的區(qū)域以及西部首次開挖區(qū)域，建議加大開采間隔，以減少上下采空區(qū)的相互擾動(dòng)和頂?shù)装遄冃瘟浚?770 m 中段礦體回采時(shí)，采場(chǎng)整體基本穩(wěn)定，對(duì)上覆采空區(qū)有輕微擾動(dòng)，礦柱頂?shù)锥藨?yīng)力集中較為明顯，但受到充填體空間限制，出現(xiàn)巖爆幾率較小，頂?shù)装搴偷V柱圍巖出現(xiàn)的拉應(yīng)力較小，頂板垮落或礦柱圍巖片落的風(fēng)險(xiǎn)較小，頂?shù)装錤向變形量均較小。1900 m 中段礦體回采時(shí)，采場(chǎng)整體基本穩(wěn)定，開采擾動(dòng)較小，應(yīng)力集中不明顯，拉應(yīng)力值、Z向變形量均較小，出現(xiàn)巖爆、頂板垮落、圍巖片落的風(fēng)險(xiǎn)較小。

（3）采用階段充填法開采1650～1975 m 中段礦體時(shí)，2038 m 以上采空區(qū)及地表的最小主應(yīng)力、位移和塑性區(qū)未發(fā)生明顯變化，開采造成的影響很小。

（4）除1900 m 中段利用原巷道局部區(qū)域貼近原采空區(qū)擾動(dòng)圍巖范圍，其余各中段新系統(tǒng)巷道均遠(yuǎn)離原采空區(qū)及本次設(shè)計(jì)回采擾動(dòng)范圍，結(jié)合目前礦山主要巷道的穩(wěn)固情況，除個(gè)別區(qū)段受斷層切割破壞影響外，本次所設(shè)計(jì)的巷道基本處于穩(wěn)固圍巖內(nèi)，其自身也基本處于穩(wěn)固狀態(tài)。

本文研究項(xiàng)目為老礦山技改，設(shè)計(jì)采用階段充填法開采，在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的前提下，提出了全尾砂充填治理井下空區(qū)安全隱患方案。該方案解決了困擾礦山多年的大型空區(qū)群安全隱患問(wèn)題，同時(shí)解決了礦山暫無(wú)尾礦庫(kù)可用的難題，利用空區(qū)充填的條件，礦山產(chǎn)出的尾礦及廢石全部用于井下充填，實(shí)現(xiàn)了固廢零排放；由于采用了充填措施、無(wú)軌開采工藝及下向大直徑深孔落礦工藝，大大提高了回采率和開采效率，優(yōu)化了開采順序，并有效控制了開采地壓，保障了開采安全。