條帶開采嗣后充填法充填膏體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

姚俊耀，李志立，左 迪

(中赟國際工程有限公司， 河南 鄭州 450000)

條帶開采嗣后充填采礦法是在條帶回采后，利用充填設(shè)備將具備一定強(qiáng)度和力學(xué)性能的充填材料送至采空區(qū)，用以回收礦柱和管理頂板。不僅可以解決礦床開采帶來的環(huán)境破壞問題，同時(shí)還能最大程度地提高資源采出率。是綠色開采的重要組成部分，因而在鹽巖礦山的地下開采中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

1 工程概況

礦區(qū)開采對(duì)象為鉀鹽礦，礦層呈層狀，似層狀產(chǎn)出，分布連續(xù)，范圍廣，產(chǎn)狀相對(duì)平緩，傾角約5°～15°。鉀鹽礦層直接頂板為泥巖，直接底板為厚層巖鹽，鉀鹽礦層上覆地層巖石的物理力學(xué)強(qiáng)度較差，頂板穩(wěn)定性較差。礦體地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件中等。

采礦方法為條帶開采嗣后充填法，回采工藝為綜合機(jī)械化掘采。目前開采水平為+450 m，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，綜合機(jī)械化采場(chǎng)布置見圖1。

表1 綜合機(jī)械化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表/m

2 膏體充填

膏體充填是把礦山附近的廢石、尾礦、山石、河沙、建筑垃圾等固體廢物與膠結(jié)劑攪拌制成一定濃度的無臨界流速、不脫水的膏體，利用充填工業(yè)泵泵送，通過管道的長距離運(yùn)輸輸送至充填區(qū)域，待膏體凝固后形成一定強(qiáng)度對(duì)巷道、采空區(qū)進(jìn)行大面積支護(hù)，有效控制地表的深陷，確保生產(chǎn)區(qū)域的安全，也確保地表水資源、植被資源、公路、村莊不受破壞。同時(shí)凝固后的膏體還能置換礦山中的保安礦柱，提高礦產(chǎn)資源的可采率。

圖1 綜合機(jī)械化采場(chǎng)布置

2.1 膏體充填材料的一般要求

（1）成本低：充填成本增加、充填工藝復(fù)雜勢(shì)必會(huì)阻礙充填技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，因此，低成本是選擇充填膏體材料的首要因素。

（2）來源廣泛：鹽巖礦山一般采用選礦尾鹽和尾液廢棄物等做骨料，以生石灰與充填體中的尾液反應(yīng)生成的膠結(jié)體作為膠結(jié)料。既滿足了成本低、來源廣泛的要求，同時(shí)“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用。

（3）要有足夠的早期強(qiáng)度：要保證采場(chǎng)的安全，充填體前期要有足夠的強(qiáng)度保持自立，同時(shí)還要對(duì)頂板起到一定的支撐作用。因此，充填膏體必須有足夠的早期強(qiáng)度。

（4）能有效改善采場(chǎng)圍巖力學(xué)條件，減小上覆巖層彎曲變形，以達(dá)到控制地表沉降的效果[5]。

2.2 膏體充填材料的特點(diǎn)

（1）膏體充填材料為膠結(jié)性材料，凝固后形成一定強(qiáng)度的充填體，合理選擇膏體充填材料強(qiáng)度，可以維持充填體主體永遠(yuǎn)不發(fā)生破壞。這種充填體壓縮率只有1%～3%，遠(yuǎn)小于干式充填的壓縮率，能夠取得更好的地表沉陷控制效果。

（2）由于膏體充填壓縮率低，減沉效果好，具有更大的適用性。采用膏體充填一般都可以實(shí)行無礦柱開采，能最大限度的提高資源回收率。

（3）膏體充填材料管道輸送效率高，采用管道水力輸送，輸送管道占據(jù)空間小，可以方便適應(yīng)拐彎、下坡和上坡，其中的水構(gòu)成充填體的有機(jī)組成部分，在充填工作面不需要泌出，管道輸送物基本全部得以利用。

（4）膏體充填材料具有良好的穩(wěn)定性，在管道中較長時(shí)間靜置不沉淀、不泌水、不離析，重新啟動(dòng)輸送容易，對(duì)管道布置要求較低，不易出現(xiàn)管路堵塞事故。

2.3 膏體充填材料的選擇

結(jié)合膏體充填材料特性和資源綜合利用的綠色開采原則，選用鉀鹽礦山選礦過程中產(chǎn)生的尾鹽和尾液作為充填材料，利用生石灰與尾液反應(yīng)生成的膠結(jié)體作為膠凝材料，形成具有一定早期強(qiáng)度、固結(jié)速度快、彈性模量較高和塑性強(qiáng)化特性明顯的膏體。

3 充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

充填體強(qiáng)度是充填技術(shù)的核心，對(duì)充填質(zhì)量、采場(chǎng)穩(wěn)定性控制以及地表沉陷控制起著決定性作用。根據(jù)具體的開采技術(shù)和充填條件，確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的充填體強(qiáng)度是充填開采的前提。

根據(jù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采布置情況，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式法、Thomas模型、盧平修正模型對(duì)充填體的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算[6-10]。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

膠結(jié)充填體的強(qiáng)度與充填體的高度是一種半立方拋物線關(guān)系。即：

式中，h為膠結(jié)充填體高度，m；σc為為膠結(jié)充填體強(qiáng)度，MPa；n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，充填體一般取600。

3.2 Thomas模型

考慮膠結(jié)充填體與圍巖壁的摩擦力所產(chǎn)生的成拱作用，提出了Thomas模型：

式中：σc為膠結(jié)充填體強(qiáng)度，MPa；γ為充填體重度，MN/m3；h為膠結(jié)充填體高度，m；b為充填體寬度，m。

3.3 盧平修正模型

在Thomas模型基礎(chǔ)上，充分考慮了充填體的幾何尺寸、充填體料的密度、充填體自身的強(qiáng)度特性，盧平提出了如下修正模型：

3.4 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果分析

充填體及巖體物理力學(xué)參數(shù)，按礦山實(shí)際資料選取，見表2。

表2 充填體及圍巖力學(xué)參數(shù)

引入安全系數(shù)f，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐取f=2。結(jié)合以上公式，可得到充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度，詳見表3。

綜合考慮機(jī)械化回采工藝、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及嗣后充填工藝等因素，從安全角度出發(fā)，取充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為0.96 MPa。

表3 充填體強(qiáng)度計(jì)算表

3.5 充填體自立高度

采用南非公式來計(jì)算充填體極限自立高度，即：

式中，a為垂直方向加速度，m/s2；γ為充填體重度，kN/m3；F為安全系數(shù)，一般取1.2；β為滑移角，取 80°。

其余參數(shù)同上。

將充填體物理力學(xué)參數(shù)帶入式（4），得到充填體極限自立高度為15.4 m，大于礦山的實(shí)際開采高度，滿足其自立穩(wěn)定性的要求。

4 工程應(yīng)用效果考察

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算所得充填體強(qiáng)度0.96 MPa，按一定的配合比制成膏體充填材料，在+450 m開采水平進(jìn)行礦山安全回采驗(yàn)證工程，結(jié)果表明：

（1）條帶礦房綜合機(jī)械化回采后，條帶礦柱保持良好的的穩(wěn)定狀態(tài)，頂板和礦柱兩側(cè)變形量較小，未出現(xiàn)片幫、垮落等現(xiàn)象。由于頂板為層狀泥巖，延展性較好，出現(xiàn)了連續(xù)彎曲現(xiàn)象，彎曲下沉量較小。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，下沉量基本在20 mm范圍之內(nèi)，巷道兩幫收斂量在5 mm以內(nèi)；

（2）根據(jù)地表沉降觀測(cè)結(jié)果，充填開采范圍內(nèi)，地表沉降量最大值為25 mm，地表最大傾斜率為0.65 mm/m，各變形值均小于磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞Ⅰ級(jí)指標(biāo)[11]。

5 結(jié) 論

（1）充分利用尾鹽和尾液作為充填材料，全部充填處理尾鹽和尾液廢棄物，實(shí)現(xiàn)了資源回收和綜合利用的綠色開采目標(biāo)，降低了環(huán)保壓力。

（2）綜合多種經(jīng)驗(yàn)、理論模型對(duì)充填體強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合采場(chǎng)布置、結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采工業(yè)和采礦方法，最終確定充填體強(qiáng)度為0.96 MPa。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證工程，充分證明條帶開采嗣后充填采礦法能有效的控制地表沉降，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)由于充填體置換了礦柱，提高了資源回收率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。