江南某銅礦采空區充填方法的應用分析

周國慶

（江西省煤礦設計院，江西 南昌 330000）

1 工程概況

江南某銅礦始建于1978年，礦區面積約0.3715km2。至今已有近30年開采歷史，礦山采用斜井開拓方式，現生產規模為90kt/a。礦區地質環境條件較好，地形坡度均小于40°，自然狀態下山體穩固，無滑坡、塌方危害。礦區工程地質條件中等，礦體及其底板巖體均屬堅硬完整穩固型巖層，頂板為半堅硬巖層。但礦體及其頂、底板受地層不整合面控制，降低圍巖強度，導致地下水活動加強，損害了其穩定性，易引發地質災害，因此，在地下開掘過程中應加強頂底板加固，合理留設礦柱，以防坑道冒頂邊邦等安全事故發生。礦山原有的尾礦庫已經達到設計的庫容量，尾礦堆放嚴重制約礦山生產能力發揮，礦山增加配套干排工藝，干排的尾礦堆放嚴重影響當地生態環境，同時也存在較大安全隱患。考慮到上述因素，礦山于2017年建立地面尾砂膠結充填系統，將現有干排尾礦充填井下采空區、有效回填尾礦，避免尾礦庫的建設。

2 礦山充填系統工藝分析

礦山目前+40m～-150m中段已形成近23×104m3采空區，主要開采Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體。雖然采用淺孔留礦開采，且礦體頂底板巖性較好，舊采空區未做任何處理，隨著采空區范圍擴大，頂空時間延長，礦柱超載破壞，已導致巖層崩落，波及至地表，形成地表塌陷。隨著礦山進一步向深部開采，地壓顯現增強影響，采空區圍巖活動加劇，礦石貧化率加大，預留礦柱則浪費資源較多。同時，現有的尾礦庫已經達到設計的庫容量，雖已增加配套干排工藝，干排的尾礦堆放嚴重影響了當地生態的環境，考慮到以上因素，礦山將干排尾礦充填井下老采空區、進行尾礦回填。

2.1 充填站場地總平面布置

由于礦區采用斜井開拓方式，有主斜井工業場地和斜風井工業場地兩個工業場地。礦山主要生產系統在主斜井工業場地，選礦廠、尾砂庫等均在斜風井工業區場地，為便于地面制漿和充填管路布設，充填站廠址設置斜風井工業場地。

充填站工業場地總平面布置從考慮滿足生產工藝要求，利于安全生產；場內外布置協調，盡量壓縮場內運輸線路及管線長度，并符合現行規程、規范要求；盡量避開工程地質不良地段，結合地形地貌，采取合理的豎向布置形式，減少土石方工程量。充填站位于斜風井工業場地西側，沿東西走向布置，采用為地面集中式布置，站內設尾砂供砂斗倉和一個水池。水從水池經管道定量自流入攪拌桶；尾砂經定向振篩機處理后裝進斗倉，再由電磁振動給料機喂料給膠帶皮帶機，然后通過漏斗進入攪拌桶；散裝水泥用水泥罐車壓送至水泥倉，出料為稱重式螺旋給料機按一定灰砂比定量放入攪拌桶；再由高濃度攪拌桶將水、尾砂和干水泥混合攪拌制成漿體，攪拌均勻后通過管道自流至井下采空區充填。

2.2 充填膠結料配比

充填系統主要是利用目前尾礦庫及干排尾砂充填采空區，根據安裝設備能力，按60m3/h充填能力考慮，充填膠結料量為100kt/a。系統連續運行8h需要配制和輸送料漿480m3。按照灰料比1:8計算，料漿濃度65%左右，漿體密度取1.9t/m3。參照有關配比數據見表1。

表1 膠結料配比參數表

2.3 充填系統工藝的組成

采用尾砂、水泥、水等作為充填材料，地面制漿，管道輸送至井下采空區。礦山已完成施工，并已竣工，進行了試運轉，試運轉比較理想。其充填工藝見下圖所示。

圖1 充填工藝圖

整個工藝流程全部采用自動化控制系統及電視監控系統組成，以此實現可視化遠程數據的操作與管理。

3 礦山充填材料選擇及其充填實施

3.1 充填材料選擇

充填材料分為干式、水砂和膠結充填材料三種。干式充填材料一般可利用井下坑道掘進的廢石，但來源有限滿足不了充填的需要，為此要開辟專用采場開采廢石滿足充填的需要；水砂充填材料有尾砂、河砂、破碎砂等，水砂充填材料除對化學性質穩定及顆粒本身要有一定的強度外，對滲透性能有較嚴格的要求，以期及時脫水便于進行回采工作；膠結充填材料主要由膠結材料、骨料和水三部分組成。

該銅礦選廠有大量尾礦排出，現有尾礦庫逼近服務年限，為此，礦山增加了配套干排工藝。尾礦干堆場已有大量干尾礦堆積，為消除尾礦及尾礦次生的污泥、濁水、粉塵等對地表的環境污染，因此，膠結充填材料中骨料采用選廠尾礦。充填站運行前期采用尾礦干堆場的尾礦做為充填骨料，后期直接采用濃密后的尾礦漿再添加部分干尾礦作為充填骨料。在項目周邊，有兩家水泥企業，水泥有325～425號普通硅酸鹽水泥。采用水泥作為膠結材料，運輸成本低，結合礦區現有條件考慮，膠結材料選用普通硅酸鹽水泥（32.5水泥）。因此，確定充填材料為普通硅酸鹽水泥、尾礦、水。

3.2 采空區充填過程

該銅礦充填系統充填管路從+150充填站沿28°斜風井至+40標高（長約250m），之后沿+40m中段水平巷道至采空區待充填區（長約310m），初期充填管道總長度約560m。根據采掘工程平面圖+40～-150m標高Ⅱ號礦體采空區體積約為12.3×10m4。目前礦山井下采掘作業區在-150m中段Ⅰ號礦體，充填作業在Ⅱ號礦體+40～-150m采空區，Ⅱ號礦體與Ⅰ號礦體平距35m，中間相隔22.5m礦柱。既能做到采充作業互不干擾，又能保證采掘作業與充填作業人員安全。

3.2.1 充填步驟

充填前先對待充填區進行整理，做好待充填區的密閉工作，使整個待充填區與周邊所有井巷隔開，以防止充填料的流失，造成污染和安全事故；在充填系統準備就緒后，即可開始充填工作。充填開始時，系統進行設備的系統自檢，準備充填，先向管路中充水，充分滑潤管路內壁，減少似膏體的沿程阻力；然后，通過截流閥的作用，將斜管充滿水。工作完成后，密閉隔墻及濾水設施檢查合格后，即可開始充填。首先試充，未發現密閉工程有漏洞時，方可正式充填。然后，密閉隔墻的濾水管在開始充填前關閉，待澄清后，再打開放水。并根據采場的長度每間隔10～15m設置一個下料點，每個下料點設一個三通，以便將引管水或清洗水引入巷道排水溝，不進入充填區。再次，采用分期充填采空區，第一次充填料充填打底高度1.0～1.5m，三天后進行第二次充填，待凝固的充填高度超過擋墻頂部以后可進行連續充填。為了讓充填體進行排水和養護，第一次充填料充填達到設計強度(2.0MPa)再進行第二次充填。最后，為保證充填接頂，可將充填下料處通道排頂1.0～1.5m或由上方打孔，使充填料自流接頂，充滿采場，根據情況進行復充。

3.2.2 井下充填工藝

（1）空場嗣后充填方法：在礦房采完后，砌筑充填擋墻進行充填，充填管路從斜風井至+40m回風中段的充填聯絡巷，進入采空區充填。下部充填體灰砂比為1：4～1：6，過渡層2m充填體灰砂比為1：8，其他充填體灰砂比為1：12。

嗣后充填方法相對簡單，將與外部相通的下部出礦、鑿巖、聯絡巷等封堵后，即可從上部放料充填。為便于充填體養護和濾排水，避免過高的放料口對正在發生固化反應的充填體造成沖擊破壞，應分段設置放料口進行分段充填。

本礦充填線路初期充填培線為4.95，后期充填培線為4.22，因充填倍線不大，充填料漿濃度能達到結構流狀態，充填料漿在井下采空區中有少量水需要排出。正常回采時，空場嗣后充填采礦法采場在充填回風中段下放脫水管至出礦進路的充填擋墻中。脫水管為塑料波紋管，直徑φ100mm，管壁均勻鉆鑿φ8mm孔，鉆孔梅花型布置，然后用濾布及麻袋布包裹，再用鐵絲綁扎牢靠。脫水管采用管卡固定在鋼絲繩上。脫水管鋼絲繩固定回風穿脈的錨桿上。架設脫水管時，施工人員需系好安全帶，作業場地照明良好。

（2）充填體固化強度標號：采空區充填為分期充填，為防止跑漿，減少充填體對隔墻的壓力，第一次充填料充填打底高度1～1.5m，三天后進行第二次充填，待凝固充填高度超過擋墻頂部后可進行連續充填。為讓充填體進行排水和養護，第一次充填料充填灰砂比1：6，第二次充填料充填灰砂比1：8～12，第一次充填料充填達到設計強度（2.0MPa）再進行第二次充填，設計第一次充填料養護7d后，再進行第二次充填。

（3）擋墻設計：本設計采用10號空心磚砌筑隔墻。擋墻采用空心磚砌筑擋墻厚度均為60～80cm，當斷面超過8m2時，需適當加厚擋墻厚度或砌筑墩子。擋墻表面用C20噴砼支護（支護厚度d=50mm)。擋墻砌筑須堅固可靠，噴砼須嚴實，要求無縫隙，要求對擋墻周圍1m范圍處噴砼，以防漏水、漏漿；或在擋墻基礎上采用鋼模復合板做擋墻材料。擋墻上另設2～3個用濾布包裹的φ100mm舊鋼管，用于初期充填時擋墻輔助脫水，脫水管位置距巷道底板不能低于1.0m。

充填擋墻的砌筑一般在采空區充填前三天完成，擋墻砌筑完畢后，附近采場爆破作業時應做好防護工作，以避免爆破沖擊波破壞擋墻。開始充填時，一次充填高度控制在1m，待充填體凝固后方可繼續充填，以防充填擋墻受力過大。充填面超過充填擋墻最高點后，一次充填高度可為2m，但以充填面不積水為原則。

（4）濾水和排水：由于充填空區不能進人，預設濾排水系統較困難，似膏體膠結充填的技術難題是濾水和排水。其排水渠道主要是擋墻反濾排水、圍巖裂隙排水和上層泌水排水。且由于配料不同，充填料漿均不同程度地存在泌水現象，根據膠結料添加量不同及充填料漿濃度不同，泌水量變化較大，通常將料漿沉降水體積占總用水體積的百分比作為考核指標：

即 泌 水 率（ν=W泌出水/W總水×100%），泌 水 率 一 般 為8%～10%，泌水排水量按10%考慮，濾排水時間要求不超過20h。

為加速濾排水，在保證安全情況下，從與空區連通的上部巷道分段安設若干與排水擋墻反濾層相同的濾水籠子或濾水管。

（5）充填接頂：為提高接頂效果，采用預先設計安裝排空管道，實行最高位的排水與排漿，以此達到充填體的有效接頂；同時，制備專用的接頂充填料等。

4 結論

（1）高濃度全尾砂膠結充填系統利用礦山堆料場的尾砂，采用成熟可靠的工藝與設備，技術上是可行的。

（2）充填站建成投產后，及時對井下采空區進行充填，消除地壓災害，既保證采礦安全又保護地表不坍塌；同時工業廢渣─尾礦得到充分有效地利用，節約了因尾砂庫而擠占的大量土地資源，做到真正意義上的無廢開采，取得很好的經濟效益與社會環境效益。