淺議膠結充填法在金屬礦采空區處理中的應用

姜文成

摘要：采空區的處理是采礦工作中的重要環節。金屬礦采空區的方法主要有圍巖崩落法、封閉與隔離法、支撐加固法和充填法四種，其中充填法處理采空區既可以保證采礦安全，防止采空區上覆巖層移動，又可以最大限度地開采資源，減少浪費，是前景廣闊的采空區處理方法。文章對膠結充填法在金屬礦采空區處理中的應用進行了探討。

關鍵詞：金屬礦；采空區處理；膠結充填法；采礦工作；礦區地質 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD853 文章編號：1009-2374（2016）12-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.068

在地下采礦活動中，將賦存于巖層中的礦體開采出來以后，巖層中將會出現采空區。采空區的出現使得原本由礦體承受的礦山壓力轉移到了采空區周圍的巖體中，使礦山壓力重新分布。由于采空區范圍一般比較大，如果不及時對采空區進行處理，采空區周圍的巖層可能無法承受過大的礦山壓力而發生破壞，從而造成大面積冒頂垮落，對井下人員和設備造成極大的威脅。因此，采空區的處理是采礦工作中非常重要的一環，對保證采礦工作持續安全地進行具有重要意義。采空區的處理方法主要有圍巖崩落法、支撐法、充填法、封閉和隔離法等，本文擬以一個金屬礦為例，探討膠結充填法在金屬礦采空區處理中的應用。

1 礦區地質情況簡介

1.1 地層

某金屬礦區位于我國內蒙古自治區，礦區地層主要為中元古代遼河群，另有少量中生帶和新生代地層，沒有古生代地層。遼河群分三個巖組九個巖性段，其中賦存礦石最多的是第一巖組，該巖組原巖建造類型為頁巖-砂巖-碳質粉砂質泥巖建造，且下部含有較多的偏酸性的火山巖層，代表一個由海進-海退的沉積序列。而該礦床則產于特定的海進層位中上部的砂巖和碳質粉砂質泥巖建造中，其上部則有少量中-新生代陸相沉積巖系分布。

1.2 地質構造

該金屬礦區構造頗為復雜，總體呈NE-SW走向，在地應力的作用下，構造曾發生多次變動，使遼河群呈現出疊加變形的特征。在該礦區的中南部，分布著較多的褶曲，數量有78個之多，褶曲大多呈群分布或呈帶狀分布，其中金沙灣向斜（Ⅱ1）、獅子山背斜（Ⅱ2）、八家坨向斜（Ⅱ3）、廟兒山褶皺群等是礦區的主要控礦構造，這些構造對礦體起著主要的控制作用（包括控制礦體的形態和空間位置）。

除了褶曲構造以外，該礦區斷裂構造也很發育，大小斷裂共有82條，主要分布在礦區西北地帶，只有F3、F8位于東南一帶，斷裂構造對主要礦體破壞影響相對較小。斷層類型主要是逆斷層，并伴有少量滑動斷層。

1.3 礦體概述

本文所研究的礦體賦存于第一巖組第二巖性段的中部，編號為3號礦體。該礦體呈單層狀、似層狀產出，在形態上總體較為簡單，但是局部礦段也偶有分枝、尖滅再現和多層等現象。礦體頭部褶皺緊密，產狀復雜。3號礦體體長為1900m，在核實范圍內出露長度達到540m。礦體沿傾斜延深為450～1560m，平均延深為820m。該礦體與同一礦區的5號、9號礦體時有接觸，并在一些部位合并成同一礦體。

2 采空區概述

本礦區水平面上采空區分布范圍廣但形狀很不規則，在垂直面上，采空區經常有重疊、交錯的情況。若1100m、1050m中段連續采空，將造成其上盤、頂板大面積暴露（有關具體數據見表1所示），如果不采取恰當的方法進行處理，將帶來極大的安全隱患，有可能造成大面積冒頂崩塌。本文的主要目的是要制定一套合理的采空區處理方案。

3 采空區處理技術概述

3.1 圍巖崩落法

圍巖崩落法，顧名思義，就是采取一定的方法使采空區上方的巖層崩落，由于垮落的松散巖石體積會比以前增加，因此可以充填采空區，避免以后圍巖大量冒落。根據崩落的方法不同，可以分為自然崩落法和強制崩落法。一般金屬礦圍巖都比較堅硬，往往需要通過爆破等方法使圍巖強制崩落。

3.2 支撐法

該法是通過留設礦柱，對采空區頂板進行支撐，達到防止頂板冒落的目的。由于留設礦柱會降低礦石采出率，造成資源損失，因此一般只適用于品位低、價值小的金屬礦藏的開采。

3.3 封閉和隔離法

這種處理采空區的辦法是在采空區的某些部位構筑隔離層，這種隔離層一方面可以把生產區和采空區隔離開來，有效減少采空區的松散巖石混入礦石中而造成礦石的貧化，提高采出礦石的質量；另一方面還對頂板起著支撐作用，防止頂板冒頂。這種采空區處理方法既不需要對采空區進行爆破崩落，也不需要充填采空區，成本低廉，但是適用范圍較小，主要適用于如下三種情況的采空區處理：（1）較大礦體開采后形成連續的采空區，尚需要在該采空區下繼續回采時，可以用該法處理；（2）圍巖穩固性好，采空區若發生冒落不會影響周圍礦體的開采；（3）規模較小的孤立礦體開采后形成的采空區的處理。

3.4 充填法

充填法，顧名思義，就是將礦石采出以后，用充填料對采空區進行充填，從而使采空區頂板獲得支撐。這種方法既可以保證采礦安全，防止采空區上覆巖層移動，又可以最大限度地開采資源、減少浪費，是一種前景廣闊的采空區處理方法。根據工藝不同，充填法可分為干式充填法、濕式充填法、膠結充填法、砼體充填法等。

4 膠結充填法在采空區處理中的應用

該礦以前采用留設礦柱支撐法處理采空區，資源浪費嚴重。綜合分析幾種采空區處理方法的優劣，結合該礦區的地質條件、采空區形狀和暴露面積，現改用尾砂膠結充填法來處理采空區，具體方法為以空場法采礦工藝進行回采，回采后充填處理采空區。充填時利用該礦現有的選礦尾砂作為骨料，加上水泥等作為膠結材料進行充填。這樣既方便取材，又節省了處理尾砂的費用，實現了資源的循環利用，可以大大降低充填成本。

4.1 充填材料的制備及有關參數

充填材料的制備全部在地面進行，如圖1所示，將制備好的選礦尾砂與水泥、水按照一定比例進行混合，充分攪拌，即可制得充填材料，然后充填材料通過充填鉆孔進入地下。該礦目前生產能力為80萬t/a，每年形成的空區約為18萬m3，充填系統的設計年充填能力為14萬m3的空區。據此設計臥式尾砂倉容積為1400m3，水泥倉容積為180t，充填濃度為68%～72%。

4.2 井下充填管路

井下充填系統由充填鉆孔、充填平巷、充填天井及充填管道組成。有關參數如下：充填鉆孔直徑為160mm，孔深為140m，充填料漿輸送方式為自流輸送，即完全利用充填漿料自身的重力作用，使其由地面制漿站自行流到井下待充填區域。自流輸送采用的增強塑料管直徑為Φ120mm。制備好的料漿從地表（1340m水平）豎直向下自流140m至水平充填平巷，進入3號斜井4寸水平充填鋼管，隨即轉運至1142m水平充填平巷。1142～1200m水平空區充填時，將1142m水平各礦柱內的穿脈巷道的增強塑料管與充填平巷內的管路聯接，最后通過各礦柱內的穿脈巷道進入待充填的采空區。

4.3 充填倍線的計算

充填倍線是指水平管長與垂直管長的比值，該指標是衡量自流輸送充填能否取得良好效果的一個重要指標。根據有關資料，要取得好的充填效果，充填倍線應小于5。1142～1200m水平空區、1094～1050m水平空區填時，各水平最大充填倍線計算如表2所示：

從表2可以看出，當1142～1200m水平充填時，充填最遠時候的充填倍線為2.55，1092～1050m水平充填時，充填倍線的最大值為2.95，均小于5，可見該充填方案可以滿足要求。

5 經濟效益分析

目前，該充填方案已經在該礦應用了近一年時間。該充填方案在運營過程中，最大的費用為水泥費用和人工費用，具體成本計算如下：每充填1m3采空區，平均需消耗水泥0.21t，水泥單價按照270元/t計算，則每充填1m3采空區，水泥費用為56.7元，其他材料費單價約合4元/m3，人工費18元/m3，其他費用3元/m3，合計為81.7元/m3。按照每年充填14萬m3計算，每年總的充填成本為1143.8萬元。在應用該方案以前，該礦通過留設礦柱支撐采空區的辦法進行開采，造成大量的資源浪費。改用充填法開采以后，每年可以多采出礦石約6萬t，按照每噸礦石1800元計算，可以增加收入1.08億元，而每年的充填成本僅僅1000多萬元，充填開采優勢非常明顯。

6 結語

膠結充填法是充填法處理采空區中的一種，該方法對礦壓控制的效果非常明顯，可以最大限度地開采資源，減少浪費，對于品位較高的貴重金屬礦藏的開采，特別適用。該金屬礦改用充填法處理采空區，取得了很好的效果，經過充填，采空區的礦壓顯現問題得到了很好的控制，沒有再發生過采空區頂板冒落等安全問題。且相對于增加的礦石產量來說，充填方案成本較低，經濟效益明顯。

參考文獻

[1] 張飛，田睿，菅玉榮，等.內蒙古某多金屬礦2號礦體采空區處理方案探討[J].金屬礦山，2011，（7）.

[2] 徐江，崔棟梁，陳琪.金屬礦山采空區處理方法綜述[J].黑龍江冶金，2007，（4）.

（責任編輯：秦遜玉）