膠結充填在鐵山礦的應用

劉聲雷

(山東金嶺鐵礦，山東 淄博 255080)

1 礦山充填條件概況

山東金嶺鐵礦擁有召口、侯莊、鐵山三個采場。鐵山礦包括辛莊礦體及鐵山礦五礦體、六礦體、七礦體等四個主要礦段。除辛莊礦體外，其余3個礦體都已回采完畢并都已充填。辛莊礦床開采采取的是與鐵山礦床聯合開拓，主要利用階段礦房法和全面法進行回采。鐵山礦現存的采空區主要集中在-160～-314 m水平之間，空區容積15.3萬m3，包括三部分：一部分是未充填中深孔礦房空區；一部分是利用廢石充填未接頂的空區；第三部分是未充填的-233 m淺孔礦房采空區。由于回采的時間過長，部分采區的頂底柱及間柱被破壞，人員無法進入現有的礦房間柱內，空區密閉難度較大。303區與現在無法充填的302區之間的-259～-246 m水平的間柱被回采，形成13 m×12 m斷面的空區，-246～-233 m之間間柱由于受采礦影響有裂隙相通，-233～-230 m，淺采空區把302區、303區連成一個整體。空區處理采用兩種方法：一種是嗣后先用廢石充填，后用全尾砂膠結充填；另一種是嗣后用全尾砂膠結充填。選礦廠每年產出濃度為37%的尾礦50萬m3。尾礦比重為597.2 kg/m3，其它基本情況見表1。

表1 尾礦基本情況

2 充填技術[1]

由于在空區充填時會產生大量流動性強的漿液、尾砂和水，對各個水平的大巷、溜井、采區等生產系統產生極大的危害，因此對空區與各中段通道進行密閉尤為重要。根據現有空區與生產采區分布情況及密閉系統施工難易程度，決定利用302區與303區之間的礦柱把空區與現有的生產采區分離出來。通過施工密閉墻將充填空區與生產采區相連通的地方進行密閉，將充填區域形成一個封閉的系統。

2.1 密閉墻設計與施工[2]

根據空區調研資料顯示： 從-301 m水平至-184 m水平共有40道密閉墻。按照施工工藝及強度要求將密閉墻分為兩類，一是巷道型、二是空區型。

2.1.1 巷道型密閉墻設計與施工

密閉墻位于巷道內，其斷面面積不大，強度高。人員可以直接在巷道內施工。

墻體厚度計算，根據矩形隔水墻理論，按粘結強度進行厚度計算。

d=λhab/2mnτ(a+b)

d—密閉墻厚度，m；a—巷道寬度，m；b—巷道高度，m；λ—超載系數1.2～1.3；m—工作條件系數0.5～0.7；n—粘結強度與抗剪強度比0.5～0.7；h—作用在密閉墻上的單位壓力，MPa；τ—密閉材料的容許剪切強度，MPa。

容許剪切強度計算時按鐵山礦噴射砼試驗最小剪切強度τ=1.29 MPa計算。密閉墻的斷面按最大巷道斷面(3.5×3)m2。充填料比重取1.4 g/cm3。計算墻體厚度0.18 m。為防止充填空區內聯通空隙水對密閉墻的破壞作用，增加其強度，噴漿密閉墻墻體厚500～700 mm施工。在墻體中按0.5 m×0.5 m網度編入鋼筋，固定在錨桿上,施工時先在密閉墻的四周開挖深度為1.0 m的槽，寬度為密閉墻墻體厚度，并沿密閉墻的中間敷設1排錨桿，錨桿采用Φ36 mm圓鋼，間距為0.8 m、長度2.0 m，錨桿之間用Φ14 mm鋼筋編網并焊接好，然后用混凝土進行噴漿，如圖1。如果按密閉墻厚度500 mm進行反算，充填高度為16 m。根據實際情況，考慮各方面的因素，確定分層高度為6 m。

圖1 縱剖面圖和橫剖面圖 /mm

2.1.2 空區型密閉墻設計與施工

1)中深孔采礦空區內密閉墻的施工

密閉墻位于中深孔采空區內，斷面面積較大，最大可達到13 m×12 m，人員無法進入到空區內進行施工作業。

利用固體無流動性、對墻體幾乎沒有壓力的特性，對中深孔空區內的密閉墻實施筑壩方式的分階段施工，實施小分層充填。密閉墻的強度要求較低，只要能滿足單分層充填漿液高度即可。根據實驗情況，確定分層充填高為2.5 m，密閉墻分階段高高度為3 m，厚度0.5 m。空區型密閉墻施工示意圖如圖2所示。

圖2 空區密閉墻剖面圖

2)淺孔空區內密閉墻的施工

密閉墻位于淺孔采礦空區內，密閉墻高度雖然不高，但寬度較長，最長可達到20 m。人員可在空區內短時間作業，應盡量縮短人員在空區內作業的時間。根據試驗，在淺采空區內先用木板設木檔墻，然后在外側施工噴射砼。密閉墻高度一次施工全高，分層充填高為2.5 m，噴射砼的厚度為0.5 m。

2.2 充填工藝

由選礦廠排出的濃度為37%左右的全尾砂漿經專用管道輸送至膠充攪拌站成漿池，成漿池底部由鋼管輸送0.6 MPa的高壓氣體不間斷攪拌防止砂漿沉淀。砂漿再通過電動閥門控制流量排入料漿攪拌池。按照進入料漿攪拌池中砂漿量，以1：8的灰砂比由電腦控制變頻給料機向料漿攪拌池內添加膠固粉，在料漿攪拌池中充分攪拌均勻，由80ZGB型渣漿泵加壓，經膠充復合管路輸送至采空區。膠結充填管路采用DN100塑鋼編復合管，直徑Φ100 mm，全長約4 600 m，由于管路較長，采用渣漿泵加壓的形式防止料漿在運輸過程中沉淀。充填時自下而上進行空區充填，多個空區輪流充填，每個空區充填間隔時間至少兩天，實現充填料漿固結和濾水[3]。料漿的基本情況見表2。

表2 料漿的基本情況

充填系統工藝流程見圖3。

圖3 充填系統工藝流程

2.3 膠結充填的濾排水

膠結充填空區的排水主要通過兩種方式：一種是過濾；一種是溢流[4]。尾砂沉積表面以下的水主要靠濾水排出，尾砂沉積表面以上的水靠溢流排出。由于底部出礦結構比較復雜，空區充填點較少，在空區底部一定存在未充填的空間。充填體與圍巖接觸不是十分嚴密，在空區內也一定存在上下聯通的導水通道。在充填空區底部排水主要靠過濾排水，充填后從空區下部中段水平向充填空區內可能存在的未充填空間施工鉆孔，在孔內安裝濾水管。每根濾水管安裝一只礦漿閥和一只壓力表。根據不同的充填高度設置不同的壓力位，當水壓超過某一數值時，打開閥門進行放水；當水壓達到某一壓力值時，關閉閥門。在充填空區中段水平的排水管主要靠溢流排水。在不同階段水平密閉墻內設置三排排水管，分別位于密閉墻的底部、中部、頂部。各水平距充填口較遠的地點向空區內施工扇形中深孔，孔底距高度控制在1.5 m左右，在孔內安裝排水管。每根排水管安裝一只礦漿閥。排水管為常開狀態，當濾水管出現漿液時，將閥門關閉。隔一段時間再把閥門打開。在空區充填到頂部區域時，在存水較的地點吊裝潛水泵，直接用水泵將水排出。

3 結論

鐵山礦自膠結充填以來，在充填過程中所采取的一些措施是可行的，采取的濾排水措施是非常有效的，空區內的水都能及時的排出；各種密閉墻的設計與相應的分層充填高度是符合要求的，在充填過程中沒有一道密閉墻出現問題。充填后對空區內的充填體進行抗壓試驗，試塊抗壓強度為0.9～2.3 MPa，抗壓強度符合設計要求。充填共歷時126天。完成膠結充填量13萬m3(充填料漿體積19萬m3)。

[1] 山東正元地質資源勘查有限責任公司. 鐵山礦采空區膠結充填設計[R].

[2] 采礦手冊編輯委員會. 采礦手冊[M]. 北京：冶金工業出版社，1991.

[3] 彭志華. 膠結充填體力學作用機理及穩定性分析[J]. 有色金屬：礦山部分, 2009,61(1)：39-41.

[4] 崔茂金. 上向分層膠結充填采場頂板穩定性分析[J]. 有色金屬：礦山部分, 2009,61(6)：51-55.