厚大礦體采空區充填工藝優化研究

賀茂坤,吳世劍,溫震江(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

隨著厚大礦體采用充填法采礦的比例逐年遞增,尤其是對于大規模分多步回采的礦山,厚大充填體的強度、脫水、接頂質量、穩固性等對礦山的生產和安全有直接的影響。因此,充填系統能否保質保量的完成采空區的充填,對厚大礦體的安全開采至關重要。本文通過分析厚大充填體的自立強度和高度要求,提出控制充填料漿的制備質量的措施,在采場設置合適的擋墻設施和脫水系統,通過改善和提高整套充填系統的工藝水平,建立一套完善的充填質量保障體系是提高厚大充填體質量的重要途徑。

2 充填體強度需求

厚大礦體通常采用的兩步驟回采的充填采礦方法,由于一步驟礦房采空區充填形成強度后再進行二步回采。所以一步驟礦房充填體的強度首先要考慮在一定的高度和暴露寬度下是否能夠保持穩定自立,只有一步礦房充填體能保持自立,才能進行二步回采,并結合采準工程的布置要求,對充填體的強度提出綜合需求。

充填體受到的作用力主要包括以下三部分:①充填體自身所受重力;②在滑動面上,阻止充填體下滑的抗剪阻力;③充填體兩側受到圍巖或其他充填體的作用,稱為壁面抗剪阻力[1]。圍繞充填體的自立強度國內外專家學者開展了眾多研究,提出了Thomas計算法,盧平修正計算法,Askwe和McCarthy計算法等,綜合分析自立強度一般約為0.08 ～0.66 MPa。

根據谷巖等[2]提出的充填體充填強度和自立高度的關系,充填體強度和自立高度呈正相關,但是高度增加的前期階段所需自立強度增加較快,隨著充填體高度增加,充填體兩段圍巖或充填體對充填體柱的成拱作用越來越大,從而減小了充填體底部應力。圖1所示為充填體自立高度和強度關系。

圖1 充填體自立高度和強度關系曲線

理論計算分析后,根據采礦方法需求結合礦山經驗類比參考也能確定礦山充填采空區所需自立強度和自立高度。

3 充填料漿制備工藝優化

大量的充填系統資料和相關試驗表明,尾砂漿濃密、輸送濃度與尾砂的粒徑特別是極細顆粒的含量、膠凝材料的添加量與料漿制備質量有著密切關系。通過對充填料漿輸送特性參數的測定,充填料漿黏度—濃度—流速之間有密切關系,在充填料漿輸送過程中,料漿的黏度是決定充填料漿輸送方案十分重要的參數之一。

對于黏度低的充填料漿,通常體積濃度越低,料漿中的固體越容易沉淀而引起堵管,管路越容易磨損,料漿充填到采空區后也越容易脫水,此種情況多見于分級尾砂充填和水砂充填。對于黏度高的充填料漿,充填料漿體積濃度較高或極細粒級尾砂較多,常見于高濃度膏體充填,膏體充填的充填料漿具有幾乎不沉淀、不離析、不脫水的特點,因此對采場的影響小,水泥流失少、充填體強度高,但由于料漿黏度大造成管路流速低、阻力損失大,一般需要泵送,充填成本相對較高。因此,在充填過程中根據充填采礦方法和目標采場進行相應充填濃度選擇和控制。

厚大礦體容易忽視對充填料漿質量控制,應根據充填采礦方法的要求,結合膠結充填,特別膠面質量要求,優化膠面的充填骨料和灰砂比,通過多種級配尾砂充填工藝,減少膠面早凝時間,降低水泥添加量。

4 采場充填設施

4.1 采場充填擋墻的設置

大空場嗣后充填工藝面對的首要問題是充填擋墻的穩定性,它是保障充填采場安全最重要的環節。由于全尾砂充填料漿性能的特殊性,充填擋墻任何形式的破壞及充填料漿的泄漏,都將導致充填體質量下降,并且污染井下工作環境甚至造成安全事故。因此根據采場和充填體的工況確定合適的擋墻形式及工藝參數,針對高階段采場充填,根據擋墻的受力狀態提出充填擋墻受力情況,采場充填及相關作用受力分析如圖2所示。其中H和W分別為充填擋墻設計高度和寬度,L為采場邊界距擋墻距離,h為充填料漿高度,q為作用在擋墻內襯上的線載荷,P為擋墻上的總壓力、M為擋墻內襯上的彎矩、Z0壓力在擋墻上的作用點[3-5]。

圖2 采場充填及擋墻受力圖

根據擋墻的受力分析,可從以下幾個方向優化充填擋墻的設置。

1)選擇正確的充填擋墻設置地點和形式

充填擋墻上的總壓力與其面積大小成正比。因此確定擋墻位置時,在不影響生產和充填的前提下,擋墻設置選擇在距離采場距離較大且巷道面積較小的位置。這樣不僅提高了擋墻的安全性和可靠性,而且可以降低擋墻造價。擋墻的形式是選擇擋墻位置后需要考慮的問題,安全、施工方便、造價低是選擇擋墻形式的重要原則[6-7]。

2)合理確定充填濃度和分次充填高度

研究表明,通過控制和提高濃度可提高充填料漿和充填體的黏結力。當充填體初始強度較大時,充填體自身強度即可承受其自重作用,很大程度降低了對充填擋墻產生的側壓。因此,通過提高濃度來提高黏結力可以顯著減小擋墻受力,改善擋墻的受力狀態。合理控制分次充填的高度,有利于充填體排水和的凝結,起到夯實基礎的作用,這在充填濃度不夠高的時候尤為重要。

3)根據分階段充填調整灰砂比

需要根據不同的充填高度和部位,結合充填采礦方法設計和充填體自立強度計算需求,實時調整充填灰砂比。

4)提高充填料內摩擦角

(1)優化充填骨料的粒徑級配,提高充填料漿的容重。

(2)料漿含水量會很大程度減小充填料內摩擦角。因此,在滿足自流的情況下,盡可能提高充填濃度,降低充填體內含水量,充填時應提前布置合理的脫水設施,實現采場快速脫水。

4.2 采場脫水設施

國內采場脫水一般采用采場周邊布置排水井或采場內架設泄水井等設置進行脫水,這些設計僅僅局限于中小型采場,對于高大型的采場,施工人員不能進入采場施工作業。針對高大型采場充填的特點,國內礦山一般依靠礦巖裂隙滲漏進行脫水,不考慮采場脫水系統。過去國內深孔采場分級尾砂膠凝充填時,采場采用脫水管脫水,使用效果較好。

在采用極細粒級的全尾砂充填時,當充填料面未超過擋墻時,充填料所泌出的水可以從透水擋墻滲透或溢流排出。而當充填料面超過擋墻時,充填料泌水一小部分通過充填體自身滲透并由擋墻及空區周邊圍巖或礦石裂隙排出。由于充填體凝固后滲透系數小,該部分水量僅占總泌水量的5% ～10%。而剩余90%以上的泌水必須通過采場中的脫水設施而排出,以達到下次充填時表面無積水的目的,否則充填料表面積水將導致充填料漿的嚴重離析而使充填體質量嚴重下降。

厚大充填體的脫水系統應重點關注以下問題:

(1)為防止脫水管在充填時被壓扁或垮塌,鉆眼的主脫水管應適當增加管材壁厚;脫水管數量適當增加,增加固定點,確定安裝牢固。

(2)優化脫水末端設置形式,可采用型鋼制作的脫水管籠,最后用土工布或麻布密封,可以較好的避免厚大充填體擠壓脫水管口,使排水管通暢。

(3)合理確定濾布的形式、規格和纏裹層數,因地制宜的采用麻布、棕衣替代土工布都是性價比較高的選擇。

排水系統組件如圖3所示。

圖3 采場脫水管籠

5 膠凝材料的選擇

對于采用充填采礦法的大規模礦山來說,大型機械化設備的使用和大量膠凝材料在水化過程中產生的大量水化熱,特別是深井礦山,不僅使井下環境溫度升高,降低作業環境的舒適度,而且大量消耗膠凝材料,充填成本也居高不下。針對大型采空區的充填膠凝材料選擇,低熱高強且成本低的膠凝材料是選擇基本原則,另外合理確定分次充填的高度對控制大體積充填體膠凝材料的水化熱也同樣重要。在控制充填成本的前提下,選擇合理的膠凝材料,調整各種充填材料比例,可有效保證充填體強度,同時滿足輸送和采礦工藝要求。

為了選擇合適的膠凝材料,分別采用P.O 32.5水泥、P.O 42.5水泥以及新型膠凝材料在不同配比條件下進行充填體強度試驗,結果見表2。

表1 不同膠凝材料和不同配比條件下充填體強度試驗結果

根據試驗結果分析膠凝材料種類及配比對充填 體強度的影響,結果如圖4所示。

圖4 不同膠凝材料膠砂強度試驗結果

分析試驗過程及圖表結果可以得出如下結論:

(1)在配比一定條件下,充填料漿質量濃度越高,則充填體的抗壓強度就越大,因此,應盡可能提高充填料漿濃度,減少充填體脫水量。

(2)料漿濃度一定條件下,膠凝材料的添加量(灰砂比)是影響充填體強度的關鍵因素。在其他因素不變的情況下,隨著膠凝材料用量的增加,充填體的強度顯著提高。

(3)P.O 32.5水泥膠凝效果不佳,即使配比達到1∶4,其7 d強度也僅為0.3～0.5 MPa,而28 d強度也不到1.0 MPa;P.O 42.5水泥,較P.O 32.5水泥膠結充填體強度顯著提高(相同配比條件下均可提高2倍以上),但強度仍偏低,這是由于試驗尾砂細顆粒含量多,難形成高濃度所致。

(4)與P.O 42.5水泥相比,各配比條件下新型膠凝材料充填體強度均提高1倍左右,尤其是早期強度提高顯著,后期強度增長相對緩慢。即新型膠凝材料比較突出特點是早期強度高,這有利于加快作業循環速度,提高采場生產能力;并且價格介于P.O 32.5水泥和P.O 42.5水泥之間,在滿足充填體強度質量要求的情況下,采用新型膠凝材料可大大減少膠結劑用量,從而達到降低充填成本的目的。

6 結論

根據模型計算、理論分析和試驗研究可以得出:

(1)對實際充填體進行建模、受力分析和計算,可以確定厚大充填體的灰砂比、濃度、擋墻等相關充填參數,并對其進行優化。

(2)高濃度、膏體充填是厚大礦體充填的發展方向,充填體質量不僅與濃度有關,并且與尾砂尾砂粒徑級配和膠凝材料種類和添加量等有關,確定合適的充填料漿濃度對充填體強度形成有顯著提高,也有利于采場擋墻的安全和脫水設施排水。

(3)根據擋墻的受力計算,設置可靠的充填擋墻和合理的采場排水措施,是提高采場安全、保障厚大充填體質量的最直接的有效途徑。

(4)對于厚大礦體膠結充填,采用低水化熱、高強度的新型膠凝材料是提高充填體強度的重要方法,也是保證井下工作環境、降低充填成本的重要途徑。