混凝土泵送技術在下向充填采礦法中的應用

楊清平，陳志強，王紅心

(1.中色非洲礦業有限公司， 贊比亞 基特韋縣 22592； 2.北京金誠信礦山技術研究院有限公司， 北京 101500)

0 引言

謙比希銅礦主礦體的開采自2003年復產以來，經過十幾年的生產，已開采至深部878 m水平中段。隨著礦體開采深度增加，地壓顯現頻度和強烈程度增大，加上地下水量大（55 000 m3/d），礦巖穩固性變得更差，主礦體開采難度越來越大，原用采礦方法的回采指標差，效率低，開采成本極高，最終不得不限制開采或部分采區停止開采。通過采礦方法對比研究，礦山決定采用下向進路分層充填采礦法在主礦體878 m水平中段區域進行開采試驗。

下向分層充填采礦法常用于回采節理裂隙發育、礦巖軟弱破碎或者礦石品位高、開采價值大的急傾斜礦體[1-2]。下向分層充填采礦法的關鍵之處在于構筑用于下分層回采的人工假頂結構，其通常采用足夠配筋率的鋼材和高強度膠結充填材料來一起構筑[3-4]。對于鋼筋砼人工假頂的施工，井下通常采用傳統的機械運搬方式，即采用人工小推車或鏟運機等將拌好的混凝土運至澆筑地點，這種方法具有效率低、工人勞動強度大、澆筑不連續等 缺點。

為提高生產效率，實現降本增效，同時保證人工假頂質量可靠，實現下向安全回采，本文結合謙比希銅礦的主礦體試驗區域工況條件，研究適用于其下向進路分層回采的高效混凝土泵送技術。

1 開采技術條件

1.1 礦體形態特征

878 m水平西礦體位于2060～2700線之間，剩余礦體水平標高為770～878 m。礦體平均傾角為70°，按1.5%品位圈礦，厚度為6.01 m，Cu地質品位為2.81%。礦體下盤有約2 m厚的富礦，Cu品位為3%～6%。礦體頂板與圍巖之間呈漸變過渡，界線不清，肉眼難以辨別，常以取樣化驗來區分。礦體開采區域見圖1。

圖1 開采區域三維示意

1.2 工程地質條件

礦體賦存于泥質板巖中，其直接頂板是礦化泥質板巖，上盤圍巖還包括石英巖、板巖、燧石白云巖等，礦體直接底板為礫巖，還包括泥質石英巖、卵石礫巖、長石石英巖等。礦體下盤的基底花崗巖及片巖、石英巖等總體上穩定性較好。礦體及上下盤圍巖中層理和劈理發育，穩定性不好。尤其是礦體下盤受剪切的泥質石英巖帶和下盤礫巖接觸帶，穩定性差。

1.3 水文地質條件

礦區地形平緩、植被茂盛，表土層滲透性強， 地下水極為豐富，含水層主要有礦體含水層和燧石白云巖含水層。礦體及其上盤白云質泥板巖和石英巖互層統稱礦體含水層，該層總厚約45 m，巖性變化較大，含水性與裂隙發育程度有很大關系。燧石白云巖含水層距礦體頂板約37～60 m，厚約15 m，該層溶蝕空洞非常發育，是礦區最主要含水層，目前礦坑涌水75%來自該層（見圖2）。

圖2 試驗區域地下水分布

2 鋼筋砼假頂下向進路膏體充填法

2.1 盤區布置和采場劃分

將試驗區域（2060～2700線）沿礦體走向劃分為東、西兩個盤區，每個盤區長約320 m。其中預備層一個盤區劃分為8個采場，每個采場長度為40 m，進路尺寸為4.5 m×3.5 m（寬×高）。正常分層 一個盤區劃分為5個采場，每個采場長度為64 m（單側進路采場長度約為32 m），進路尺寸為4.0 m×4.0 m（寬×高）。

770～878 m水平高108 m，上部留14.5 m厚水平礦柱，水平礦柱下即為雙進路預備層，其內填充0.4 m厚的人工鋼筋砼和3.1 m厚的膏體，砼強度等級通過結構力學驗算得到，膏體需滿足自立穩定性要求[5]。預備層下正常分層高為4 m，800 m水平分段暫按3個分層為一個分段，即分段高為12 m；800 m水平分段以下各分段暫按分段高度16 m考慮，一個分段劃分為4個分層。鋼筋砼假頂下向單進路膏體充填法采礦方法如圖3所示。

圖 3 鋼筋砼假頂下向膏體充填采礦法

2.2 采準工程布置

在礦體下盤布置采準工程，采準工程主要有采區斜坡道、脈外分段巷、分層聯絡道、穿脈出礦巷道、溜井、溜井聯絡道、充填回風井及聯巷。兩個盤區布置一條采區斜坡道；每兩個采場共用一個溜井（已有工程不再施工）；分段巷布置在礦體下盤且避開中礫巖層；每個采場的每個分層布置一條分層聯絡道；每個采場布置一條充填回風井，在脈外 分段巷適當位置設置聯絡巷與之相連。

2.3 支護

（1）采準工程支護。采準工程一般布置在穩定性較好的巖石中，設計采用管縫式錨桿支護，每排7根，排距為1.5 m，不穩固地段和聯絡道開口處增加錨網、長錨索及噴射混凝土支護。

（2）采場支護。由于礦巖節理裂隙發育，礦體涌水量大，造成圍巖極其不穩定，所以生產中實行“短掘短支”的方式開采[6]，支護方式主要為錨網噴、錨索及鋼拱架支護，支護斷面如圖4所示。

圖4 采場支護斷面

3 混凝土泵送

3.1 設備選型

根據回采區域整體輸送范圍，結合采場結構參數設計，考慮泵送量及生產效率，選擇JBC40/450混凝土攪拌泵送一體機進行混凝土制備和輸送，設備最大理論輸送能力為40 m3/h；輸送壓力：低壓10 MPa，高壓16 MPa；理論輸送距離：水平600～800 m，垂直60～80 m；最大允許骨料粒徑為40 mm；輸送管徑為125 mm；塌落度范圍為100～230 mm。

3.2 硐室布置

采用鋼筋砼假頂下向進路分層充填采礦法進行開采時，每分層需構筑鋼筋砼假底，需要制備混凝土漿體并輸送。考慮到運距和效率，同時為盡快投入生產，規劃混凝土攪拌硐室布置在預備層分段2310充填回風井和71#溜井間。攪拌泵送一體機硐室規格根據攪拌泵送一體機尺寸大小確定，混凝土原材料（水泥、石子、砂子）硐室規格按一次性最大澆筑64 m長（0.4 m厚）進路采場的混凝土方量確定，硐室斷面為4 m×3.55 m，長為10 m，具體布置如圖5所示。

圖5 混凝土攪拌硐室位置布置平面圖

3.3 混凝土配合比[7]

泵送混凝土即沿管道輸送混凝土，需要混凝土具有良好的泵送性。此外，混凝土作為下分層回采的頂板，需要其具有滿足其承載要求的強度[8-9]。根據采場結構參數，通過結構力學驗算以及塌落度試驗，選擇混凝土強度等級為C20，澆筑厚度為0.4 m，每立方混凝土配合比參數見表1。

表1 每立方C20混凝土配合比

3.4 混凝土制漿工藝及輸送

混凝土原材料（如水泥、中砂、石子）提前用卡車從地表運至指定的分段硐室儲存。充填時，砂子、石子可通過小鏟車或人工向攪拌泵送一體機受料斗中按比例供料，水泥可通過人工或者小鏟車定量添加到受料斗中，然后受料斗在升降機的作用下，將物料送至混凝土攪拌泵送一體機攪拌槽內，再按比例加水經攪拌后形成混凝土料漿，水不能為井下酸性水，混凝土制漿工藝流程如圖 6 所示。

圖6 混凝土料漿制備工藝流程

混凝土輸送管選用DN125 mm鋼管，以滿足輸送壓力要求。輸送管道在達到澆筑區域之前采用鋼管，到達澆筑區域之后換成軟管。

4 結論

（1）針對謙比希銅礦主礦體878 m水平西開采技術條件，介紹了用于其回采的鋼筋砼假頂下向膏體充填采礦法開采方案，包括盤區與采場劃分、采準工程布置及相關支護方式。

（2）考慮輸送范圍、采場澆筑量、生產效率等因素，進行了設備選型，選擇JBC40/450混凝土攪拌泵送一體機進行混凝土制備和輸送，同時根據結構力學驗算及塌落度試驗，選擇強度等級為C20的混凝土，澆筑厚度為0.4 m，其每立方配合比為：32.5 MPa水泥0.4 t，中砂0.411 m3，直徑小于16 mm的石子0.87 m3，水0.22 m3。

（3）混凝土輸送管道達到澆筑區域之前選擇管徑為125 mm的鋼管，到達澆筑區域之后換成軟管輸送。