全尾砂膠結充填技術在金屬礦山坑下采空區治理中的應用

摘 要：為了解決采空區及地表陷落的安全隱患，同時為礦山生產的大量尾礦砂尋找堆存場地，經試驗充分論證，可利用全尾砂對井下采空區進行充填處理，消除地表陷落及采空區垮塌安全隱患。井下采空區充填密閉是全尾砂充填的必要條件之一。文章較詳細介紹了全尾砂膠結充填技術在某金屬礦采空區治理中發揮的作用，治理效果顯著，基本消除了礦區采空塌陷地質災害隱患，為小型礦山采空區治理工作提供技術指導。

關鍵詞：采空區；全尾砂；膠結充填；金屬礦

全尾砂膠結充填技術近十幾年來，在我國不斷得到發展、完善，已在不少礦山推廣應用。某金屬礦于2005年建礦，2008年正式投產，設計生產能力15萬t/a。礦山采用中央下盤斜井開拓，采礦方法為房柱法和淺孔留礦法。經多年開采已經形成了較大范圍的地下采空區，對周圍居民、工廠構成威脅，礦山和各級政府對地表安全監控管理和環境保護治理的工作責任重大。

1 礦山基本概述

1.1 地質條件

礦區處于某向斜盆地的東北邊緣，分布有奧陶系馬家溝組、石炭系本溪組及二疊系地層。由于金嶺巖體的侵入作用，形成向東北傾伏的金嶺短軸背斜，沿接觸帶形成一系列大小不等的磁鐵礦床。

該金屬礦山開采礦床礦體-150m以上部分。礦體形態呈扁豆狀，走向N30°E，傾向SE，傾角20°～40°，礦體沿走向南北長180m，沿傾向延伸165m，水平寬度50～150m。主要有益組分TFe含量一般為30%～55%，最高可達64.74%，平均含量51.41%；礦體最小厚度4.34m，最大厚度16.48m。

1.2 水文地質條件

礦區地處魯中南陸背斜水文地質區、山間盆地亞區的水文地質單元北部。依據含水介質及賦存條件，含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組和巖漿巖類裂隙含水巖組。

礦山投產以來，坑內一直無水，只是在雨季的后期，坑壁上有少量滲水，并不影響坑內作業，也無需排水疏干。該金屬礦水文地質條件簡單。礦床的主要充水因素是奧陶系灰巖巖溶裂隙水。區內沒有大的河流及地表水體，大氣降水順勢流出礦區，不會在本區滯留，對地下開采一般不會構成威脅。

1.3 開采現狀

礦區回采方法為房柱法和淺孔留礦法，礦房、礦柱二步回采，先采礦房，后采礦柱。礦房采用空場法回采嗣后采用尾膠充填，礦柱底部結構先用尾膠接底4米高然后用松散的碎石作為充填料充填采空區，接頂采用尾膠，高度為2米直至充滿采空區。

生產過程中的廢石量較少，遠不能滿足采后空區充填的需要，因此留有大量空區存在。另外該礦地表有公路、良田、工廠和村莊，不允許地表陷落。采空區的存在對其產生很大的危害。

2 全尾砂膠結充填

2.1 充填材料來源

該金屬礦山采用尾砂膠結充填方式。尾砂膠結充填原料為尾砂、膠固粉和水。尾砂主要來自于選礦廠尾礦庫。膠固粉從市場購買。充填水來自礦山生產水和達標的礦坑水。

2.2 膠結充填情況

（1）供水。充填用水采用水泵抽取，通過Φ60mm塑料管輸送至攪拌站，經三通分別接入JS-4000型攪拌機和制漿池。（2）供風。為了防止砂漿離析，在制漿池底部鋪設了間距0.5m、Φ25mm的高壓風管，管道每隔0.5m有一個Φ5mm的氣孔。高壓空氣自空壓機房由Φ100mm的鋼管輸送至制漿池，對砂漿進行攪拌，防止砂漿離析、沉淀。（3）添加尾砂。尾砂由卡車運至攪拌站堆料場堆放，攪拌時，使用ZL50裝載機將尾砂送入攪拌機進行攪拌。（4）添加膠固粉。散裝水泥膠固粉由專用運輸車運送到攪拌站，通過旁通式氣力運送機組揚送入容量為150m3的膠固粉倉儲存。充填制漿時，打開吊掛螺旋計量秤和溢流螺旋給料機的控制柜開關，料倉內的膠固粉連續地流入雙軸攪拌機內。（5）攪拌砂漿。將尾砂添加入攪拌機中，打開供水開關加水，然后開動攪拌機攪拌8～10min，使尾砂與水進行充分攪拌、混合后，放至制漿池。攪拌后的砂漿放入制漿池后，打開供氣開關送入高壓空氣進行攪拌，并適當加水，即制成合格的砂漿。砂漿濃度一般達57%左右。（6）制備和輸送料漿。打開制漿池的手動閘門，同時開動膠固粉添加開關按鈕，將砂漿和膠固粉送入雙軸攪拌機內進行混合、攪拌，在雙軸攪拌機的出口處制備好合格的充填料漿（輸出濃度為=60%），經輸送管道自流至充填空區。（7）測量及控制砂漿濃度。砂漿的制備分為攪拌機攪拌和高壓空區攪拌兩個步驟。在攪拌機攪拌時，適當提高砂漿的濃度，使其濃度在60%左右；當砂漿進入制漿池后，利用高壓空氣進行攪拌，并使用濃度壺測量砂漿濃度。根據多次監測結果，加水將砂漿稀釋至57%左右，制成合格的砂漿。（8）控制灰砂比。充填料漿的灰砂比是通過調整砂漿和膠固粉的添加流量來控制的。根據膠固水泥粉的添加速度，經多次試驗，平均每池砂漿的體積為55m3，給入雙軸攪拌機的時間為60min左右；按砂漿濃度57%、密度1.57t/m3、灰砂比1：4計算，每池55m3的砂漿需添加20t膠固粉。由此，通過控制柜調整膠固粉螺旋給料機的轉速（設定膠固粉流量為6t/h），使其向雙軸攪拌機添加膠固粉的流量為6t/h，并根據螺旋計量秤稱得每池砂漿添加的膠固粉質量，進行校對，使膠固粉和尾砂配比保持在1：4左右。（9）膠結充填時間和數量。該金屬礦山尾砂膠結充填工作歷時364d，每天1～3班。

2.3 充填區密閉和濾水

充填區采用漿砌磚墻進行密閉。墻體厚50cm，表面采用砂漿噴面。設置濾水窗和濾水管使采空區充填料漿離析的充填水通過濾水裝置和巖石裂隙進入礦山深部開采中段水倉，由水泵排至地面進行凈化再利用。

3 充填質量評述

3.1 采空區充填率

該金屬礦設計充填采空區體積4萬m3，充填濃度為60%的料漿94 948m3，按料漿充填系數0.75計算，充填空區體積71211m3。采空區充填率大于90%，充填體單軸抗壓強度大于0.5MPa，使采空區充填充分接頂，滿足設計及有關規范要求。

3.2 膠結充填質量

該金屬礦采空區尾砂膠結充填施工設計膠固粉與尾砂的配比為1：4，料漿濃度為62-65%。在充填施工過程中，膠固粉與尾砂的配比區間為1：4～1：12、一般為1：8～1：9、平均為1：8.8。共取試塊26組，養護后送某檢測有限責任公司進行測試，試塊單軸抗壓強度1.5～3.0MPa，平均值2.2MPa。尾砂膠結充填體的強度滿足設計要求。

4 結束語

（1）本次充填采空區的頂板埋深均小于200m，采用尾砂膠結充填方式進行充填，采空區充填率為95.3%；試塊抗壓強度1.5～3.0MPa，平均值為R28=2.9MPa。本充填方法、充填質量滿足要求。（2）通過本次采空區充填治理，使礦山開采形成的采空區得到了有效的治理，有效保護地表不塌陷和保護遠景資源，消除和大量減少了礦山固體廢料的排放，保持礦區生態體系完整，從根本上最大限度地消除礦產資源開采帶來的負面影響，并且能使礦山效益最大化。（3）許多礦山的實際應用證明，利用尾砂進行地下采空區充填，是一條變害為利、綜合利用、可有效控制和消除地壓危害、保證礦山安全生產、改善地質環境和生態環境的有效途徑，具有很高的社會效益。

參考文獻

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