下向分層膏體充填采礦法的生產實踐與改進

羅龍波，保文俊

（江西銅業集團有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

隨著社會經濟的高速發展，對資源需求量逐年上升，而我國礦山易采礦體逐漸減少，迫使礦山向開采難度較大的礦體進行回采。為了提高開采難度較大礦體的安全性與生產效率，需采取對應措施來控制采場地壓，分級尾砂充填法即為其中應用較廣泛方法，隨著開采難度增大，分級尾砂充填逐漸向全尾礦膏體充填發展，膏體充填具有較高的可塑性、流動性和穩定性，以柱塞流的形態下憑借外加力或者膠結體的自重力的方式輸送到充填區域[1]。最大的優勢在于料漿濃度，濃度控制在80%±5的范圍內，在管道輸送中，料漿像塑性結構體一樣，不會發生離析、沉淀，且擁有90%～95%的尾砂利用率[2]。另外由于料漿的質量濃度高，對水分要求較低，所以極大地減少了排水費用以及所帶來的水體污染。對水泥需求量要求較低，在很大程度上有效減低了充填成本，且具備良好的可塑性、流動性和穩定性，能夠在很大程度上確保礦體開采的安全性和礦區的穩定性。膏體充填可以應用于開采條件復雜、地表不允許陷落、圍巖不穩定的高品位礦體、礦床破碎、礦體圍巖不穩定等情況下[3]。

在我國金屬礦山開采中，膏體充填在生產實踐應用中取得了良好的效果，主要優勢在于使用全尾砂充填、充填濃度較高、無需脫水與能有效利用水淬渣及滿足無污染礦山開發的要求，特別是在治理生態環境污染的情況下，膏體充填技術優勢更為明顯，在我國礦山開采中應用前景將非常廣泛。

1 膏體充填工藝

1.1 充填料漿制備

對井下采空區膏體充填前需對充填料漿進行制備，充填料漿為機制砂和尾砂混合水泥。使用對應的攪拌機制作膠結料，根據采空區的大小，計算出充填體積，并選擇攪拌機數量，確保可以連續泵送充填料漿[4]。如果不需要連續泵送，針對一些臨時充填地區，使用電動拖泵輸送充填料漿。

1.2 充填準備

第一步，進行平場，并預留50mm～100mm碎礦層，平場在進路回采結束后進行。第二，敷設鋼筋網，使用螺紋鋼筋按照設計要求進行布設，鋼筋規格根據礦體大小選取，鋼筋網的網度控制在100mm～150mm之間。第三步，吊掛鋼筋網，主要是吊掛鋼筋和錨桿的方式，特別在進路幫壁是充填和圍巖的情況下。第四步，安裝充填管，充填管基本上都是吊掛在最高處，材料以塑料管為主，安裝在進路內。第五步，構筑充填擋墻，目的是防止充填料漿隨意流動，確保充填的有效性，主要在進路外口構筑，且位置要合理、有效[5]。

1.3 充填材料

水泥是膏體充填的主要材料之一，使用普通硅酸鹽水泥即可。全尾砂的選擇須要根據實際情況進行選擇，不同的礦體對全尾砂要求不同，需注重礦尾砂粒級數，同時注重取樣濃度，如果濃度較低，必須要經濃縮脫水，否則充填效果會大大減低。粗骨料的使用主要是為了形成濃度更高的膏體，確保膏體的濃度在合理的范圍內，促使充填效果滿足實際的開采要求，且對充填物料的級配改善效果良好[6]。在選擇粗骨料時可就地取材，采取合適的方式進行篩選，從而確保粗骨料的大小滿足實際的需求，基本上粗骨料的直徑都是大于10mm。膏體制備材料也可以根據實際情況選擇冶煉水淬渣。

1.4 強度及材料配比

使用下向分層膏體充填法，必須要根據鋪底層厚度選擇對應強度的充填強度，如果鋪地層厚度為0.6m，則需要28d膏體強度為4Mpa～5Mpa。一般會使用全尾+水淬渣+水泥膏體和全尾+水泥+廢石膏體等兩種不同的膏體制備方案，同時也需要考慮到成本和技術等因素[7]。

全尾+水淬渣+水泥膏體。該制備方案主要使用水淬渣作為膠凝材料，但是根據實際應用效果來看，水淬渣并沒有達到理想的效果，其對膏體強度的效果較低。為了確保膏體強度滿足實際需求，可以將水淬渣作為粗骨料使用，如果要28d膏體強度為1-2Mpa，材料配比按照：淬尾比1：8，灰砂比1：7或者是淬尾比1：5灰砂比1：8，這兩種材料配比都可以確保膏體濃度在75%左右。如果要28d膏體強度為4Mpa～5Mpa，材料配比按照：淬尾比1：（7-9），灰砂比1：5的方式可以確保膏體的濃度在76%左右。

全尾+水泥+廢石膏體。如果要28d膏體強度為1Mpa～2Mpa，材料配比按照：廢石與尾砂比1：（3-5），灰砂比1：（10-12），確保膏體濃度在75%左右。如果要28d膏體強度為4Mpa～5Mpa，材料配比按照：廢石與尾砂比1：（3-5），灰砂比1：5的方式可以確保膏體的濃度在73%～76%左右。

1.5 充填接頂

常見的充填接頂方式有很多種，可根據實際情況選擇對應的接頂方式。第一，正常情況膏體充填需要在進路回采結束后進行，采取順傾斜充填。首先對進路口進行封口，構筑充填擋墻，并噴射混凝土，厚度為40mm左右即可。然后安裝充填管，安裝在回風井處，且回采坡度控制在3°～5°，且安裝在進路端部最高點[8]。最后按照充填路徑敷設縱橫筋，目的是在充填后可以很快形成鋼筋混凝土結構，提升充填體的強度；第二，雙隔墻擠壓充填。此充填接頂方式主要是應用在充填進路較長的情況下，特別是進路大于25m。充填管同樣安裝在進路口最高點，且在內側擋墻。在充填管進料口位置預埋溢漿管，當溢漿管出漿液后，繼續充填10分鐘，然后將前段充填管進行拆除，并對充填管進行清洗，在兩堵擋墻之間形成一定的空間，用于容納充填管線內的漿液和溢出漿液，防止在清洗管道時影響到最后的充填效果；第三，人工接頂。在一層充填結束后需要對其進行檢查，確認充填接頂的效果，如果接頂效果不好，則需要人工進行二次接頂。

1.6 應用效益

利用全尾砂對井下采空區進行充填，對礦山而言可實現尾砂零排放、減少對應的廢料排放、實現綠色開采。在尾砂有限的情況下，通過使用機械破碎井下掘進渣，利用部分機制砂代替尾砂，可實現開采資源有效利用，進一步優化完善膏體充填。

膏體充填后對圍巖應力和變形進行實時監測，從監測結果來看，沒有出現明顯的圍巖位移和變形現象，且采區周邊應力大小分布均勻。充填法使圍巖受力狀態恢復到三軸受壓，有效提高了巖石力學強度，同時有效控制了塑性形變和巖體位移。

2 下向分層膏體充填在生產中存在的問題及措施

2.1 假頂破壞

分析出現假頂破壞的主要原因是人造假頂頂板控制不好、膏體被炸落以及人為原因等，主要是操作人員的專業技能和職業素養偏低，從而出現裝藥量不合理、周邊眼數少、頂眼布置不當，在鉆鑿頂眼時，出現頂眼仰角大，造成頂板的平整度無法有效控制。當出現嚴重的凹凸不平時，在進行充填時會導致充填體與實際頂板的高度相差較大，頂板上部容易產生浮石，在這種情況下進行填充，會大幅度降低作業的安全性。面對假頂破壞時，最有效的改善措施是將假底與頂眼底之間的距離控制50cm以上，將裝藥量控制在合理的范圍內，保證假頂不被破壞，如果鑿巖至膏體假頂里，則需要對此孔進行報廢處理，重新進行鑿巖。

2.2 分層生產能力的銜接

為了確保分層之間生產能力的有效銜接，保障轉層的銜接正常，在回采時集中先回采礦房多的出礦道，搭配回采礦房少的出礦道，確保出礦道數量的合理性，實現從礦房多的出礦道進入下一層，且主要注意分層之間的跨越，分段采場的跨越分層數控制在2層即可。礦房多的出礦道按照先回采、先轉層的原則進行，轉層后，礦房多則采點多。相反，礦房少的情況下，則收尾快，同時分段采場所跨域的分層數也控制在2層即可，只有這樣才能有效提升分層之間的生產能力。

2.3 充填接頂

在進行下向分層膏體充填時，經常出現充填不接頂的現象，特別是在隔一采一布置回采進路和隔三采一布置回采進路時，這種回采方式能夠有效控制圍巖應力釋放、控制圍巖的變形、確保圍巖體的穩定性，但存在最大的問題是接頂困難。解決這一難題可通過增加橋墩的方式進行強制性接頂，確保假頂的穩定性和安全性。具體操作：一分層每條出礦道的最后一塊礦房先不充填，等待下一分層相對應的空區形成后，統一從高處對低處充填確保接頂；為了充填二分層的空區接頂，可在一分層預埋充填管充填二分層；盡量不采用隔三采一或者隔一采一布置礦房，而采用從兩端到中間的后退式回采，可以確保每一塊礦房都是一邊是礦體支撐一邊是膏體支撐，達到回采安全部分礦房可對假底進行挑頂充填，最大化保障回采區域的安全性。

3 結語

在礦山資源大面積開發過程中，既要確保生產安全性，又要保證不污染環境。而充填采礦法是目前最有效的方法，對環境破壞小、資源回收率高。對采空區進行膏體充填可以有效控制地壓、保證周圍礦巖的穩定性，膏體充填采礦法擁有得天獨厚的優勢，值得在礦山大范圍推廣使用。在生產實踐過程中，加強鑿巖爆破技術及管理要求，防止假底破壞；根據實際情況，合理布置出礦進路，分層之間的有序銜接，確保了生產能力；引入了橋墩形式，對部分礦房進行強制性接頂，確保了充填接頂。通過在生產實踐中不斷優化和改進，為此類礦山生產提供了實踐參考依據。