板廟子金礦充填關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

常曉娜，石 勇，郭玉杰，邱大剛，李 成

吉林板廟子礦業(yè)有限公司， 吉林 白山市 134300)

板廟子金礦充填關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

常曉娜，石 勇，郭玉杰，邱大剛，李 成

吉林板廟子礦業(yè)有限公司， 吉林 白山市 134300)

板廟子金礦開采條件較差，主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，從充填材料與配比、充填制備工藝、管道輸送系統(tǒng)、采場(chǎng)充填工藝以及充填體質(zhì)量控制5個(gè)方面詳細(xì)闡述了膠結(jié)充填關(guān)鍵技術(shù)在板廟子金礦的應(yīng)用。礦山實(shí)踐表明，采用自產(chǎn)廢石做為充填骨料、粉煤灰做為輔助膠結(jié)劑及砌筑噴漿式充填擋墻等技術(shù)措施，廢石粉煤灰重量比2∶1，水泥摻量14%時(shí)，充填體28 d強(qiáng)度達(dá)5.63 MPa，既滿足采礦要求，又有效提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約了大量成本，綜合效益顯著。

充填技術(shù)； 尾砂膠結(jié)；充填擋墻； 質(zhì)量控制

板廟子金礦位于吉林省白山市市區(qū)北部，礦區(qū)地形復(fù)雜，溶洞發(fā)育，富含裂隙水，開采條件較差[1￣2]。井下主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，目前礦山井下生產(chǎn)能力約為85萬t/a，充填能力近53萬m3/a。自2009年9月充填站投入使用以來，累計(jì)充填量超過180萬m3。充填技術(shù)的應(yīng)用能夠有效控制采場(chǎng)地壓，遏制不穩(wěn)定巖體移動(dòng)，減緩地表沉降，保護(hù)地表建筑物，是建設(shè)綠色礦山、保證礦山可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[3￣5]。

板廟子金礦根據(jù)采礦順序及采場(chǎng)特點(diǎn)，探索出一套以尾砂膠結(jié)充填(CHF)為核心，廢石膠結(jié)充填(CRF)與廢石充填(RF)相結(jié)合[6￣8]的充填工藝，以及以自流輸送為主，泵送為輔的料漿輸送模式。

1 充填材料與配比

充填材料主要包括膠凝材料和骨料。尾砂膠結(jié)充填的膠凝材料主要采用32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥與粉煤灰，骨料采用外購鐵礦尾砂，并添加井下自產(chǎn)破碎的廢石。采用自產(chǎn)廢石的目的在于取代部分外購尾砂，消耗井下掘進(jìn)的部分廢石，節(jié)約充填成本，減少場(chǎng)地占用。充填材料的物理性質(zhì)見表1。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)要求的充填用廢石直徑應(yīng)小于5 mm。自產(chǎn)廢石的10 mm以下粒級(jí)分布曲線如圖1所示，經(jīng)破碎后，約98.5%廢石顆粒直徑小于5 mm，能夠滿足做為充填骨料的需要。

1.2 充填料漿配比

目前，依據(jù)不同采場(chǎng)的開采順序和強(qiáng)度要求，水泥摻量分為14%，9%及6% 3個(gè)等級(jí)。廢石∶尾砂∶粉煤灰的體積比為2∶1∶1和1∶1∶1兩種。

2 充填制備工藝

板廟子金礦充填站采用1號(hào)線運(yùn)輸廢石和尾砂，2號(hào)線運(yùn)輸粉煤灰，3種物料在地表充填制備站的1，2號(hào)皮帶處匯合，經(jīng)計(jì)量皮帶稱重后進(jìn)入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，有利?種物料均勻攪拌，進(jìn)而提高充填體強(qiáng)度，充填制備流程見圖2。

表1 充填材料物理性質(zhì)

圖1 廢石粒級(jí)組成曲線

充填制備系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 充填系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 充填制備流程

3 管道輸送系統(tǒng)

攪拌均勻的料漿經(jīng)充填鉆孔自流輸送至3條充填管路，分別滿足北區(qū)、中區(qū)及南區(qū)的充填需求。北區(qū)部分區(qū)域和中區(qū)650 m標(biāo)高以上區(qū)域充填倍線不足，需要采用泵送方式充填。現(xiàn)場(chǎng)充填倍線一般在1.5～6.5之間,目前最大值約為8，充填系統(tǒng)管道運(yùn)輸系統(tǒng)見圖3。充填管道一般從采場(chǎng)上部的穿脈道架設(shè)至采場(chǎng)，采場(chǎng)上部不具備管道架設(shè)條件時(shí)，從采場(chǎng)上部鑿充填鉆孔至待充采場(chǎng)。為保證充填體的接頂效果，在充填擋墻上設(shè)置排氣孔。

圖3 充填管道運(yùn)輸系統(tǒng)

4 采場(chǎng)充填工藝

采場(chǎng)充填工藝不僅直接關(guān)系到充填體質(zhì)量，更影響到井下回采作業(yè)的效率、人員設(shè)備的安全以及成本控制。

隨著我國(guó)對(duì)外開放不斷擴(kuò)大，“走出去”的中國(guó)國(guó)有企業(yè)已經(jīng)成為促進(jìn)中國(guó)與國(guó)際社會(huì)溝通合作的重要渠道，中國(guó)品牌成為國(guó)際社會(huì)認(rèn)識(shí)中國(guó)、了解中國(guó)的重要窗口。打造世界一流品牌，塑造國(guó)企海外良好形象，是中國(guó)國(guó)家形象和企業(yè)發(fā)展的重要組成部分。在國(guó)際社會(huì)有效塑造中國(guó)國(guó)企品牌的知名度和美譽(yù)度，是國(guó)有企業(yè)海外形象塑造工程的一個(gè)長(zhǎng)期課題。

4.1 充填方式與回采順序

根據(jù)回采順序，采場(chǎng)分為一期采場(chǎng)和二期采場(chǎng)，自下而上，“隔一采一”[8]。采場(chǎng)尺寸和形狀根據(jù)礦體賦存形態(tài)和圍巖條件來確定[9￣11]。一期采場(chǎng)的采空區(qū)充填后，充填體取代原巖的支撐作用，為二期采場(chǎng)的安全作業(yè)提供保障[12￣13]。充填料漿的水泥摻量根據(jù)充填體的作用確定：如果該采空區(qū)下部有礦，充填料漿一般添加14%的水泥量做為打底層，保證下方采礦作業(yè)安全；如果一期采場(chǎng)相鄰有待采的二期采場(chǎng)，一般添加9%的水泥量以減少二期采場(chǎng)貧化率；二期采場(chǎng)的接頂層一般采用廢石充填，或采用水泥摻量6%的低強(qiáng)度充填體料漿充填，回采順序與充填方式關(guān)系見圖4。

圖4 回采順序與充填方式關(guān)系

4.2 充填擋墻位置選取

充填擋墻的位置選取主要考慮以下2個(gè)因素。

(1) 周圍巖體穩(wěn)固性。充填擋墻需砌筑在巖石相對(duì)穩(wěn)固的位置，防止擋墻在料漿充填過程中因受力不均而坍塌。

(2) 巷道斷面形狀。將擋墻合理布置在巷道斷面尺寸較小的地方能夠節(jié)約成本，減少工作量。同時(shí)，應(yīng)選擇內(nèi)楔形巷道，以提供更好的支撐效果，充填擋墻受力分析見圖5。圖5(a)中巷道墻壁為充填擋墻提供有效支撐力，而圖5(b)中擋墻受到充填料漿壓力后隨巷道形狀向外滑移，面臨坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

另外，充填擋墻的位置需要距離采場(chǎng)空區(qū)眉線至少5 m，以確保作業(yè)時(shí)的人員安全。

圖5 充填擋墻受力分析

4.3 擋墻制作及脫水工藝

板廟子金礦目前使用噴漿式充填擋墻取代了原有砌磚式擋墻，自2014年初應(yīng)用之后取得很好的效果。

(1) 安裝支架。支架包括垂直立桿和水平橫梁，二者均可伸縮。準(zhǔn)確測(cè)量巷道的高度和寬度, 利用鏟車或腳手架等輔助工具將立桿垂直于頂板并安裝至巷道高度，采用鉛垂線或L水平儀檢測(cè)是否垂直。檢查完畢后，立桿每一端都用4個(gè)螺栓將其固定至巖面。立桿安裝完成后，將橫梁放置到立桿支架上并調(diào)整橫梁長(zhǎng)度，確保其兩端都緊貼巷道側(cè)幫巖面，之后橫梁每一端用4個(gè)螺栓固定至巖面，最后擰緊立桿支架螺栓。每根立桿間距約1.1 m，橫梁間距約1 m。立桿和橫梁上每隔一定間距焊接有長(zhǎng)螺栓，以便后續(xù)固定鋼網(wǎng)麻布。支架安裝見圖6。

圖6 擋墻支架安裝

(2) 鋼網(wǎng)及麻布安裝。鋼網(wǎng)及麻布的作用是形成擋墻的實(shí)體平面，為后續(xù)噴漿作業(yè)提供作業(yè)面?，F(xiàn)場(chǎng)使用的鋼網(wǎng)網(wǎng)度為10 cm×10 cm，規(guī)格4 m×2 m。首先根據(jù)巷道斷面形狀對(duì)鋼網(wǎng)邊緣進(jìn)行裁剪，最大程度減少鋼網(wǎng)與巖面間縫隙，并用扎帶將鋼網(wǎng)固定于已安裝好的支架上，用支架上原有螺栓將兩層麻布與鋼網(wǎng)貫穿，在麻布外側(cè)再附加一層鋼網(wǎng)，最后用托盤螺母緊緊固定。

(3) 深度指示器和排水管安裝。安裝深度指示器的作用是指示噴漿厚度，保證噴漿厚度均勻。深度指示器應(yīng)均勻布置在鋼網(wǎng)各處。軟質(zhì)蛇紋濾水管共8根，貫穿采空區(qū)內(nèi)部的硬質(zhì)PE濾水管共2根，應(yīng)在搭建支架之前懸掛到位。鋼網(wǎng)麻布安裝完畢后，應(yīng)用扎帶將濾水管支撐至垂直于鋼網(wǎng)，并用硬質(zhì)塑料管套在濾水管外進(jìn)行防護(hù)，防止噴漿過程中濾水管被噴漿體埋沒或損壞

(4) 混凝土噴漿。充填擋墻的噴漿體厚度應(yīng)達(dá)到400 mm。混凝土噴漿應(yīng)遵循自下而上的順序，首先自框架底部到1 m高度范圍內(nèi)噴漿，達(dá)到厚度要求后針對(duì)1 m以上高度噴漿至擋墻形成，噴漿厚度以深度指示器被掩蓋為準(zhǔn)。充填擋墻養(yǎng)護(hù)24 h后方可進(jìn)行充填作業(yè)。

5 充填體質(zhì)量控制

現(xiàn)場(chǎng)定期開展單軸壓縮試驗(yàn)(UCS Test)來檢驗(yàn)充填體的質(zhì)量。根據(jù)采場(chǎng)特點(diǎn)和開采順序，水泥摻量分為14%，9%及6% 3個(gè)等級(jí)，設(shè)計(jì)要求的充填體強(qiáng)度見表3。充填體能夠分擔(dān)部分地應(yīng)力，控制圍巖變形，為后續(xù)采礦作業(yè)提供了有力保障。

表3 充填體28 d強(qiáng)度要求

為進(jìn)一步檢驗(yàn)充填體強(qiáng)度以及接頂效果，每季度開展尾砂膠結(jié)充填的充填體取芯實(shí)驗(yàn)，取芯地點(diǎn)一般設(shè)置在相鄰或下方有二期采場(chǎng)的充填體中，以便驗(yàn)證充填體是否具備足夠的強(qiáng)度保證下一步采礦安全。

6 結(jié)論及展望

(1) 膠結(jié)充填技術(shù)的應(yīng)用能夠有效遏制巖體位移，幫助上盤開拓巷道保持穩(wěn)定，減緩開采作業(yè)對(duì)地表建筑物的影響，是礦山可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

(2) 自2013年底全面使用井下破碎廢石做為充填骨料以來，有效減輕了地表排土場(chǎng)的負(fù)擔(dān)，變廢為寶。實(shí)驗(yàn)表明，廢石做為充填骨料可獲得更高的充填體強(qiáng)度，對(duì)提高采場(chǎng)充填體的穩(wěn)定性和降低貧化損失具有十分積極的作用。

(3) 為降低充填成本，板廟子金礦開展了一系列添加粉煤灰做為充填膠結(jié)劑的室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果表明，粉煤灰摻量越大，充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越大。當(dāng)廢石粉煤灰重量比為2∶1，水泥摻量14%時(shí)，充填體28 d強(qiáng)度能夠達(dá)到5.63 MPa。

(4) 板廟子金礦正在研究自產(chǎn)尾砂作為充填骨料應(yīng)用到充填生產(chǎn)的可行性，待解決的關(guān)鍵問題是如何消除自產(chǎn)尾砂中氰化物對(duì)環(huán)境和人員的危害。若氰化物的問題得以解決，充填物料的尾砂成本將大幅降低。

(5) 1號(hào)線與2號(hào)線的結(jié)合使用，解決了物料攪拌不均勻的問題，也提升了物料配制效率。

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2015￣02￣26)

常曉娜，北京科技大學(xué)采礦專業(yè)畢業(yè)，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)采礦專業(yè)研究，現(xiàn)專職負(fù)責(zé)板廟子金礦的巖石力學(xué)方面的管理及研究工作。。