冬瓜山銅礦提高采場接頂率的技術措施

2019-01-22 08:17:00周強唐愷

現代礦業 2018年12期

周強唐愷

(1.銅陵有色集團公司冬瓜山銅礦；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

充填采空區是地壓管理的重要方法，實現充填體對頂板的無縫連接，是保證礦山安全開采的重要技術支撐之一，直接關系到采場回采安全[1-3]。充填接頂效果一般采用接頂率表示，直觀理解為充填體接觸頂板部分的面積與整個頂板面積之比。接頂率越高，充填體與頂板的接觸面積越大，充填體支撐頂板的效果越好，回采時的安全程度越高[4-5]。為有效提高冬瓜山銅礦采場充填接頂率，在分析充填接頂影響因素的基礎上，對提高充填接頂率的技術措施進行分析和實踐。

1 礦山概況

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市東郊，處于獅子山礦田深部，該礦床主礦體賦存于標高-690～-1 106 m，38#～75#線，為緩傾斜礦體，采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，國內首次研發使用“全尾砂高濃度連續充填”新技術，實現了“一廢治兩害”的目標。隨著二步驟采場回采工作的深入，部分采場的一步驟采場充填接頂率不高，造成二步驟回采貧化急驟增大。針對充填接頂率偏低問題，利用紅外測距儀，對5個已經充填完畢的采場充填接頂率進行了調查統計，結果見表1。結合表1計算，可得2011年充填完畢后采場平均接頂率僅為91.1%。

表1 充填接頂率統計結果

2 采場接頂影響因素

(1)尾礦特性。利用選礦廠產生的尾礦進行膠結充填時，在接頂過程中，要確保所要充填的膠結充填體與采空區無縫連接，就必須在實施接頂前對膠結充填體中的尾礦特性進行試驗及研究。通過充填試驗和建模分析，對尾礦的基本特性參數(稠度、黏度、化學成分、粒級組成、密度、容重、孔隙率、滲透系數、流動性、凝結時間)進行討論，并對膠結充填體尾礦漿的流動性和管道阻力損失進行計算，綜合各種試驗、分析和計算結果，得出采場接頂所需要的相關指標，如輸送充填漿體的管道直徑、充填漿體流速和漿體的輸送能力等，在輸送過程中可以通過添加各種添加劑，調節充填漿體在輸送管道中的狀態，改善其流動性，降低管道阻力損失，從而提高采場充填接頂率。

(2)充填下料孔位置和數量。對于充填空區的幾何形狀，國家規范并未有具體規定。假設充填空區頂板幾何形狀很不規則，無規律性，如果采用的充填方法不恰當，充填下料孔的位置和數量不適宜，比如集中一點充填下料，會導致充填材料在該下料點逐漸堆積，形成一個自然安息角，堆積到充填空區頂板后，便無法繼續下料，導致空區無法充滿，形成空頂，不利于采場接頂。

(3)尾礦流平性。不同礦床和礦石類型的尾砂物理化學性質(如粒徑大小、流平性等)各不相同，直接關系到采場的接頂效果，特別對于粗粒級尾礦，由于流動性差，需要通過多點下料方可確保對整個充填采場頂部的全覆蓋。

(4)采場接頂觀測條件限制。由于采場其他條件及觀測手段限制，導致無法有效掌握空區接頂情況，在很大程度上影響了采場充填接頂效果。

(5)充填漿體濃度。在充填過程中，漿體在管道輸送過程中以自流輸送為主，其在管道中會發生沉降，這是傳統膠結充填中的一種普遍現象。一方面由于充填漿體顆粒大小不一，在水中沉降速度各不相同，因而會出現料漿分層現象，致使大部分水離析在表面，當這部分水流失后，在充填漿體表面和采場頂板之間便會存在一部分空間，過低的料漿濃度也是導致充填無法接頂的重要因素，低濃度充填料漿容易導致充填料離析分層，增大自然坡積角；另一方面，固體顆粒之間存在水分，水分流失后，充填漿體仍會繼續沉降，嚴重影響接頂效果。

(6)濾水速度。濾水速度受尾礦物理化學性質制約，如尾礦含泥量、濾水設施形態、采場地質條件、構造發育情況等。同時，存在尾礦漿體中的積水由于濾水速度慢，無法及時排出，在充填完畢后相當長的時間段內會占據充填空間，不易于充填接頂，隨著下料充填堆積體的增高，由于底部脫水速度慢，大量積水無法及時排出，導致頂部脫水難度增大，不利于充填漿體流動，影響接頂效果。因此，充填漿體的濾水速度是影響采場接頂的重要因素[4-6]。

(7)充填漿體阻力。在充填過程中，漿體一般會采用自流輸送方式。當采用自流輸送方式時，充填漿體在管道輸送過程中會出現沉降。因此，根據充填漿體的流動性，應選擇適宜的自流坡度。當漿體流動性好時，自流坡度可小；反之，自流坡度應增大。因此，充填漿體自流阻力也是影響采場接頂的重要因素。

(8)采礦方法。采礦方法的選擇決定了采后空區頂板的形狀，當頂板形狀很不規整時，特別是下料點并非最高點時，充填料漿在下料點容易逐漸堆積，導致無法完全接頂，產生空頂。

3 充填接頂率提高措施

3.1 選擇適宜的充填料及合適的漿體濃度

在充填過程中，當充填漿體充入采空區時，由于水在沉降過程中會滲出，充填料也會在重力作用下發生沉降。粗顆粒沉降在底層，細顆粒在上層，根據這一特點，應選擇適宜的充填料，如粒級分布較合理、透水性較好、流動性較強的充填料。充填漿體應有較強的流動性，但是隨著充填漿體濃度的增大，其流動性會變差，一般來說，充填漿體應選擇流動性較好但不含有過多水分的濃度為宜。

3.2 提高充填料濾水能力

根據不同的尾礦粒徑選擇脫水設施，優化脫水設施，充分利用地質構造加速采場脫水，達到提高采場濾水能力的目的。一方面應掌握尾礦性質，對于粗粒徑尾砂，濾水管孔徑可選取大值，對于含泥量較大的尾砂，濾水管孔徑應選取小值；對構造比較發育的采場進行噴漿時，應充分利用裂隙、層理構造等，在給采場周邊進行噴漿過程中，本著滲水不滲砂的原則，使采場充填積水通過構造噴出。

在采場爆破前，沿采場頂板增設1根2寸濾水管并加以保護，待采場封閉墻施工時，將該濾水管沿墻頂部伸出，使采場最高點有濾水裝置；調整清洗時間，要求技術人員對每個進入接頂階段的采場制定詳細的接頂方案，并確保每位施工人員嚴格按照方案進行施工。清洗水從充填站到充填料排放口的時間為7 min，沖洗3 min后，管道完全被清洗干凈，因此本研究決定將原單次充填沖洗時間30 min調整為20 min且要求流量穩定在120～130 m3/h。

3.3 高位接頂

高位接頂是采場接頂的重要方法之一，無論是采用何種方法接頂，接頂的充填管在采空區充填過程中，要求必須懸掛在所充填采空區最高點的安全地帶，在進行充填設計時，充填孔位置必須依據尾砂流動性進行設計，以確保充填過程中接頂密實，在充填設計時也需在最高點設計2個及以上充填孔。該設計思路主要是基于負壓原理，通過采場內氣流在其它下料口排出，產生負壓，從而使充填料漿面不斷升高，達到接頂目的。

3.4 多點實施下料

由含有粗顆粒較多的尾砂制備的充填漿體的流動性較差，為確保在充填過程中能夠提高接頂率或者盡可能充滿采空區，避免充填后的采空區出現真空地帶，在充填過程中應采用充填管實施多點下料，根據充填漿體的流動規律選擇充填順序。下料點位置選擇應根據試驗確定，其位置應與充填漿體特性和充填采空區形狀相匹配。根據一般布置原則，充填管應懸掛于充填采空區頂板最高位置，盡可能處于采空區橫斷面中心位置。

3.5 多次強制擠壓接頂

為克服充填體接頂時自流不暢的影響，在采場最高點下料孔處施工1個平行泄壓孔以釋放采場空氣壓力[5-6]，采用強制擠壓接頂方法直至原漿從泄壓孔中溢出，該方法對下料口充填管道強度和韌性要求過高，同時增加了作業現場的管理難度。

3.6 速凝充填

隨著充填技術的發展，目前出現了一種新型充填工藝，即高水速凝充填，利用速凝材料混合后具有較強的固水能力，不刻意提高充填漿體濃度，實現充填漿體較大范圍內高濃度充填。速凝充填主要是在充填漿體中加入高速固結材料作為固化劑，充填時，將速凝固結材料與尾礦混合，形成濃度約30%的混合充填漿體，通過充填管輸送至采場，實現初凝需要1 h，2 h無需脫水即可形成固態充填漿體，8 h后進行充填作業。通過采用上述方法后，冬瓜山銅礦充填接頂效果大為改善，截至2013年4月，對5個充填完畢的采場采空區充填接頂效果進行了實測，結果見表2。分析表2可知：冬瓜山銅礦采場充填接頂率平均達到98.8%。