某金礦地下礦山采空區(qū)治理尾礦充填技術(shù)研究

董曉舟

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽471023）

我國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)數(shù)量巨大，分布范圍廣，是影響礦山安全生產(chǎn)的最主要危害之一，采空區(qū)往往會(huì)誘發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫、中毒窒息等多種形式的災(zāi)害，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。特別是由于不規(guī)范的開采方式形成的采空區(qū)，其采礦空間的不確定性、信息的不完備性特點(diǎn)加大了采空區(qū)處理與控制難度。加之部分礦山企業(yè)沒有認(rèn)識(shí)到采空區(qū)安全隱患的危害性，受短期經(jīng)營(yíng)行為和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，管理不規(guī)范，不重視采空區(qū)處理問題，采空區(qū)治理工作落不到實(shí)處，導(dǎo)致采空區(qū)安全隱患情況嚴(yán)重。

因此，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理，逐步消除采空區(qū)安全隱患，是遏制金屬非金屬地下礦山事故頻發(fā)、實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的重要手段。

1 礦山概況

河南省某金礦成立于2002 年，礦區(qū)面積19.883km2，開采標(biāo)高+1085m～+620m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12 萬t/a。礦區(qū)目前采用平硐- 盲豎井聯(lián)合開拓，采礦方法為房柱法。

礦山在開采過程中形成了較多采空區(qū)，這些采空區(qū)暴露時(shí)間長(zhǎng)、空間分布規(guī)律性差、形態(tài)變化大，在采礦過程中存在較大的安全隱患。

礦山現(xiàn)用尾礦庫服務(wù)年限不足3 年，新建尾礦庫由于周邊環(huán)境復(fù)雜選址困難。由于國(guó)家對(duì)安全和環(huán)保的重視，尾礦庫的審批難度越來越大；而且新建尾礦庫征地、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和閉庫的費(fèi)用極高。

綜上所述，礦山2018 年決定，把尾礦充填到采空區(qū)，一是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理，二是解決尾礦無處堆放的困境。通過新建充填系統(tǒng)，在綜合考慮充填治理采空區(qū)的情況下，10-11 年之內(nèi)尾礦可實(shí)現(xiàn)零外排，14-15 年之內(nèi)不需新建尾礦庫。

表1 首選膠凝材料（普通32.5 水泥）及推薦配比

表2 全尾砂料粒徑（μm）組成（%）

2 采空區(qū)情況

目前采空區(qū)主要分布在+738m 標(biāo)高以上，采空區(qū)暴露面積合計(jì)約141554m2，體積約1008259m3。

近 地 表 的PD1083、PD1053、PD1023三個(gè)中段形成的采空區(qū)暴露面積合計(jì)約17666m2，體積約173982m3。

PD997、PD976、PD946 三個(gè)中段形成的采空區(qū)暴露面積合計(jì)約29379m2，體積約427805m3。其中PD976、PD946 在3 線至5 線間礦體厚大，平均厚度近16 米，形成于2003 年至2007 年間，采空區(qū)的跨度大，暴露面積約12713 平方米。

PD918、PD890、PD860、PD850、+808m、+773m、+738m 中 段的采空區(qū)面積大小不等，暴露面積合計(jì)約94509m2，體積約406472m3。大部分采空區(qū)礦柱留設(shè)完好，頂板未出現(xiàn)冒頂形成硐內(nèi)坍塌。其中，+997m 以上中段大部分采空區(qū)已坍塌，塌陷空區(qū)約有63.16 萬m3，占空區(qū)總體積的54.21%。如此大規(guī)模的采空區(qū)群，若不盡快采取治理，極易發(fā)生冒頂、坍塌等災(zāi)害，不僅會(huì)引起地表塌陷，而且也將威脅深部生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

3 尾礦充填技術(shù)

3.1 充填技術(shù)參數(shù)

（1）絮凝劑種類與添加量。全尾砂沉降速度的敏感區(qū)范圍為0s-30s，添加絮凝劑敏感區(qū)范圍為5g/t-20g/t，通過靜態(tài)試驗(yàn)最終推薦的絮凝劑添加制度為：AN-910-SH 型陰離子絮凝劑，絮凝劑添加量15g/t。

（2）充填體強(qiáng)度指標(biāo)要求。金礦未來主要采礦方法是機(jī)械化上向水平分層充填法和淺孔房柱嗣后充填法，比例約為7:3，打底、膠面，28d 抗壓強(qiáng)度：≥1.5MPa；嗣后充填采用非膠結(jié)充填。

（3）推薦配比參數(shù)，充填系統(tǒng)配比及相應(yīng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表3 全尾砂粒徑性狀表

表4 充填料漿基本參數(shù)表

（4）充填材料選擇。選擇尾礦庫尾砂作為充填骨料，膠結(jié)材料采用普通32.5 硅酸鹽水泥。

3.2 充填系統(tǒng)能力

由于金礦尾礦庫庫容將罄，因此，將選廠產(chǎn)出的尾砂全部回填至井下。金礦選廠工作制度按300d/a，12 h/d 計(jì)，干尾砂產(chǎn)出能力為33.3t/h，即400t/d。

充填系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間按300d/a，每天1 班，每班8h 的工作制度計(jì)算，充填系統(tǒng)能力為60m3/h。

3.3 尾砂性質(zhì)

全尾砂粒徑組成及粒徑性狀見表2 和表3。

3.4 充填工藝流程

選廠質(zhì)量濃度為30%左右的全尾砂漿輸送至濃密機(jī)濃密，濃縮后質(zhì)量濃度為45%-50%的全尾砂漿進(jìn)入陶瓷過濾機(jī)進(jìn)行脫水，得到的干尾砂（含水率20%以內(nèi)）進(jìn)入尾砂堆場(chǎng)，由裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至穩(wěn)料倉(cāng)，經(jīng)倉(cāng)底部的振動(dòng)放料機(jī)和皮帶秤的計(jì)量后由皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送至攪拌桶。散裝水泥罐車通過壓氣將水泥卸入立式水泥倉(cāng)，經(jīng)螺旋給料機(jī)、螺旋電子秤計(jì)量后輸送至攪拌桶。二者攪拌均勻后制備成合乎要求的充填料漿，經(jīng)鉆孔及井下充填管路輸送至充填點(diǎn)。

3.5 充填系統(tǒng)主要工藝設(shè)施

充填制備站廠區(qū)內(nèi)的設(shè)施設(shè)備，包括尾砂濃密、脫水系統(tǒng)，尾砂儲(chǔ)存及運(yùn)輸系統(tǒng)，膠凝材料儲(chǔ)存系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)，充填鉆孔及充填管路系統(tǒng)。

（1）尾砂濃縮、脫水系統(tǒng)。濃密機(jī)將30%左右的全尾砂漿濃縮至45%-50%左右，并且起到緩沖和均勻穩(wěn)定供漿的作用，選用NXZ12 型濃密機(jī)。

陶瓷過濾機(jī)過濾面積為80m2，脫水后尾礦含水率小于20%。

（2）尾砂儲(chǔ)存及運(yùn)送系統(tǒng)。為了保證供料穩(wěn)定，在陶瓷過濾機(jī)下方設(shè)置尾砂堆場(chǎng)，儲(chǔ)料量不小于180t，尾砂堆場(chǎng)的容積不小于140m3。

在穩(wěn)料倉(cāng)底部安裝1 臺(tái)懸掛式振動(dòng)給料機(jī)。

（3）膠凝材料系統(tǒng)。膠凝材料倉(cāng)容積不小于15m3。采用標(biāo)準(zhǔn)的圓柱- 圓錐立式密閉水泥倉(cāng)。倉(cāng)體為鋼板結(jié)構(gòu)，圓柱直徑Φ3m，圓柱部分高6m。

輸送系統(tǒng)水泥采用螺旋輸送機(jī)輸送，由螺旋稱重給料機(jī)計(jì)量后給料至攪拌桶，選用1 臺(tái)LSY100 型螺旋輸送機(jī)。

（4）攪拌系統(tǒng)。全尾砂（含水率不超過20%）或干尾砂與膠凝材料計(jì)量進(jìn)入攪拌系統(tǒng)加水并攪拌制備成合格的料漿。

采用立式攪拌桶進(jìn)行全尾砂充填料漿的攪拌制備。攪拌桶規(guī)格為Φ2000mm×h2100mm，有效容積為5.3m3，根據(jù)充填能力（60m3/h）要求，料漿在攪拌桶內(nèi)的最大停留時(shí)間為5.3min。

（5）充填管路及鉆孔系統(tǒng)。

充填料漿的基本參數(shù)見表4。

全尾砂高濃度漿體管道輸送布設(shè)方案：

制備好的充填料漿沿如下充填線路進(jìn)行充填：攪拌桶充填料漿→地表充填鉆孔→充填聯(lián)絡(luò)巷道→井下充填空區(qū)。

主充填管道選用Φ133mm×（5+6）mm 鋼襯聚氨酯耐磨管，管道內(nèi)徑110mm，工作流速為1.72m/s，符合經(jīng)濟(jì)流速要求。進(jìn)入采場(chǎng)的支線管路采用PVC 軟管。

充填鉆孔直徑Φ250mm，充填套管選用Φ180mm×7mm 無縫鋼管，內(nèi)徑為166mm。

同時(shí)施工3 條鉆孔，1#鉆孔標(biāo)高范圍為+960m～+890m，2#和3# 鉆孔標(biāo)高范圍為+960m～+835m。其中，1# 鉆孔服務(wù)于+890m 和+860m 中段；2#和3#鉆孔服務(wù)于+835m 以下各中段采空區(qū)充填，一用一備。

（6）首充區(qū)域的確定。選擇淺部較大空區(qū)（835-890 段）及+773m、+738m、+703m 三個(gè)中段作為首充區(qū)域，率先充填形成總高度達(dá)100m 的隔離層，控制上部塌陷區(qū)向下蔓延，保障深部回采作業(yè)安全。首選由開采KK4 礦體產(chǎn)生的835-918-C11-1 采空區(qū)作為首充空區(qū)。

地表充填制備站制備的充填料漿，經(jīng)1#鉆孔（標(biāo)高范圍為+960m～+890m）進(jìn)入+890m 中段，沿+890m 中段平巷鋪設(shè)達(dá)到835-918-C11-1 采空區(qū)，架設(shè)充填管道充填采空區(qū)。

4 結(jié)論

該金礦地下礦山采空區(qū)治理采用全尾礦充填，干尾砂與膠凝材料攪拌制備成料漿，由地表鉆孔對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行充填。通過充填治理方案實(shí)施，充填治理效果較好，不但治理了采空區(qū)，還解決了尾礦無處堆存的困境，可以實(shí)現(xiàn)尾礦的零外排，節(jié)約尾礦庫建設(shè)及運(yùn)營(yíng)等成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全環(huán)保效益。