厚大礦體采空區(qū)充填工藝優(yōu)化研究

賀茂坤,吳世劍,溫震江(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

隨著厚大礦體采用充填法采礦的比例逐年遞增,尤其是對(duì)于大規(guī)模分多步回采的礦山,厚大充填體的強(qiáng)度、脫水、接頂質(zhì)量、穩(wěn)固性等對(duì)礦山的生產(chǎn)和安全有直接的影響。因此,充填系統(tǒng)能否保質(zhì)保量的完成采空區(qū)的充填,對(duì)厚大礦體的安全開采至關(guān)重要。本文通過(guò)分析厚大充填體的自立強(qiáng)度和高度要求,提出控制充填料漿的制備質(zhì)量的措施,在采場(chǎng)設(shè)置合適的擋墻設(shè)施和脫水系統(tǒng),通過(guò)改善和提高整套充填系統(tǒng)的工藝水平,建立一套完善的充填質(zhì)量保障體系是提高厚大充填體質(zhì)量的重要途徑。

2 充填體強(qiáng)度需求

厚大礦體通常采用的兩步驟回采的充填采礦方法,由于一步驟礦房采空區(qū)充填形成強(qiáng)度后再進(jìn)行二步回采。所以一步驟礦房充填體的強(qiáng)度首先要考慮在一定的高度和暴露寬度下是否能夠保持穩(wěn)定自立,只有一步礦房充填體能保持自立,才能進(jìn)行二步回采,并結(jié)合采準(zhǔn)工程的布置要求,對(duì)充填體的強(qiáng)度提出綜合需求。

充填體受到的作用力主要包括以下三部分:①充填體自身所受重力;②在滑動(dòng)面上,阻止充填體下滑的抗剪阻力;③充填體兩側(cè)受到圍巖或其他充填體的作用,稱為壁面抗剪阻力[1]。圍繞充填體的自立強(qiáng)度國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了眾多研究,提出了Thomas計(jì)算法,盧平修正計(jì)算法,Askwe和McCarthy計(jì)算法等,綜合分析自立強(qiáng)度一般約為0.08 ～0.66 MPa。

根據(jù)谷巖等[2]提出的充填體充填強(qiáng)度和自立高度的關(guān)系,充填體強(qiáng)度和自立高度呈正相關(guān),但是高度增加的前期階段所需自立強(qiáng)度增加較快,隨著充填體高度增加,充填體兩段圍巖或充填體對(duì)充填體柱的成拱作用越來(lái)越大,從而減小了充填體底部應(yīng)力。圖1所示為充填體自立高度和強(qiáng)度關(guān)系。

圖1 充填體自立高度和強(qiáng)度關(guān)系曲線

理論計(jì)算分析后,根據(jù)采礦方法需求結(jié)合礦山經(jīng)驗(yàn)類比參考也能確定礦山充填采空區(qū)所需自立強(qiáng)度和自立高度。

3 充填料漿制備工藝優(yōu)化

大量的充填系統(tǒng)資料和相關(guān)試驗(yàn)表明,尾砂漿濃密、輸送濃度與尾砂的粒徑特別是極細(xì)顆粒的含量、膠凝材料的添加量與料漿制備質(zhì)量有著密切關(guān)系。通過(guò)對(duì)充填料漿輸送特性參數(shù)的測(cè)定,充填料漿黏度—濃度—流速之間有密切關(guān)系,在充填料漿輸送過(guò)程中,料漿的黏度是決定充填料漿輸送方案十分重要的參數(shù)之一。

對(duì)于黏度低的充填料漿,通常體積濃度越低,料漿中的固體越容易沉淀而引起堵管,管路越容易磨損,料漿充填到采空區(qū)后也越容易脫水,此種情況多見于分級(jí)尾砂充填和水砂充填。對(duì)于黏度高的充填料漿,充填料漿體積濃度較高或極細(xì)粒級(jí)尾砂較多,常見于高濃度膏體充填,膏體充填的充填料漿具有幾乎不沉淀、不離析、不脫水的特點(diǎn),因此對(duì)采場(chǎng)的影響小,水泥流失少、充填體強(qiáng)度高,但由于料漿黏度大造成管路流速低、阻力損失大,一般需要泵送,充填成本相對(duì)較高。因此,在充填過(guò)程中根據(jù)充填采礦方法和目標(biāo)采場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)充填濃度選擇和控制。

厚大礦體容易忽視對(duì)充填料漿質(zhì)量控制,應(yīng)根據(jù)充填采礦方法的要求,結(jié)合膠結(jié)充填,特別膠面質(zhì)量要求,優(yōu)化膠面的充填骨料和灰砂比,通過(guò)多種級(jí)配尾砂充填工藝,減少膠面早凝時(shí)間,降低水泥添加量。

4 采場(chǎng)充填設(shè)施

4.1 采場(chǎng)充填擋墻的設(shè)置

大空?qǐng)鏊煤蟪涮罟に嚸鎸?duì)的首要問(wèn)題是充填擋墻的穩(wěn)定性,它是保障充填采場(chǎng)安全最重要的環(huán)節(jié)。由于全尾砂充填料漿性能的特殊性,充填擋墻任何形式的破壞及充填料漿的泄漏,都將導(dǎo)致充填體質(zhì)量下降,并且污染井下工作環(huán)境甚至造成安全事故。因此根據(jù)采場(chǎng)和充填體的工況確定合適的擋墻形式及工藝參數(shù),針對(duì)高階段采場(chǎng)充填,根據(jù)擋墻的受力狀態(tài)提出充填擋墻受力情況,采場(chǎng)充填及相關(guān)作用受力分析如圖2所示。其中H和W分別為充填擋墻設(shè)計(jì)高度和寬度,L為采場(chǎng)邊界距擋墻距離,h為充填料漿高度,q為作用在擋墻內(nèi)襯上的線載荷,P為擋墻上的總壓力、M為擋墻內(nèi)襯上的彎矩、Z0壓力在擋墻上的作用點(diǎn)[3-5]。

圖2 采場(chǎng)充填及擋墻受力圖

根據(jù)擋墻的受力分析,可從以下幾個(gè)方向優(yōu)化充填擋墻的設(shè)置。

1)選擇正確的充填擋墻設(shè)置地點(diǎn)和形式

充填擋墻上的總壓力與其面積大小成正比。因此確定擋墻位置時(shí),在不影響生產(chǎn)和充填的前提下,擋墻設(shè)置選擇在距離采場(chǎng)距離較大且巷道面積較小的位置。這樣不僅提高了擋墻的安全性和可靠性,而且可以降低擋墻造價(jià)。擋墻的形式是選擇擋墻位置后需要考慮的問(wèn)題,安全、施工方便、造價(jià)低是選擇擋墻形式的重要原則[6-7]。

2)合理確定充填濃度和分次充填高度

研究表明,通過(guò)控制和提高濃度可提高充填料漿和充填體的黏結(jié)力。當(dāng)充填體初始強(qiáng)度較大時(shí),充填體自身強(qiáng)度即可承受其自重作用,很大程度降低了對(duì)充填擋墻產(chǎn)生的側(cè)壓。因此,通過(guò)提高濃度來(lái)提高黏結(jié)力可以顯著減小擋墻受力,改善擋墻的受力狀態(tài)。合理控制分次充填的高度,有利于充填體排水和的凝結(jié),起到夯實(shí)基礎(chǔ)的作用,這在充填濃度不夠高的時(shí)候尤為重要。

3)根據(jù)分階段充填調(diào)整灰砂比

需要根據(jù)不同的充填高度和部位,結(jié)合充填采礦方法設(shè)計(jì)和充填體自立強(qiáng)度計(jì)算需求,實(shí)時(shí)調(diào)整充填灰砂比。

4)提高充填料內(nèi)摩擦角

(1)優(yōu)化充填骨料的粒徑級(jí)配,提高充填料漿的容重。

(2)料漿含水量會(huì)很大程度減小充填料內(nèi)摩擦角。因此,在滿足自流的情況下,盡可能提高充填濃度,降低充填體內(nèi)含水量,充填時(shí)應(yīng)提前布置合理的脫水設(shè)施,實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)快速脫水。

4.2 采場(chǎng)脫水設(shè)施

國(guó)內(nèi)采場(chǎng)脫水一般采用采場(chǎng)周邊布置排水井或采場(chǎng)內(nèi)架設(shè)泄水井等設(shè)置進(jìn)行脫水,這些設(shè)計(jì)僅僅局限于中小型采場(chǎng),對(duì)于高大型的采場(chǎng),施工人員不能進(jìn)入采場(chǎng)施工作業(yè)。針對(duì)高大型采場(chǎng)充填的特點(diǎn),國(guó)內(nèi)礦山一般依靠礦巖裂隙滲漏進(jìn)行脫水,不考慮采場(chǎng)脫水系統(tǒng)。過(guò)去國(guó)內(nèi)深孔采場(chǎng)分級(jí)尾砂膠凝充填時(shí),采場(chǎng)采用脫水管脫水,使用效果較好。

在采用極細(xì)粒級(jí)的全尾砂充填時(shí),當(dāng)充填料面未超過(guò)擋墻時(shí),充填料所泌出的水可以從透水擋墻滲透或溢流排出。而當(dāng)充填料面超過(guò)擋墻時(shí),充填料泌水一小部分通過(guò)充填體自身滲透并由擋墻及空區(qū)周邊圍巖或礦石裂隙排出。由于充填體凝固后滲透系數(shù)小,該部分水量?jī)H占總泌水量的5% ～10%。而剩余90%以上的泌水必須通過(guò)采場(chǎng)中的脫水設(shè)施而排出,以達(dá)到下次充填時(shí)表面無(wú)積水的目的,否則充填料表面積水將導(dǎo)致充填料漿的嚴(yán)重離析而使充填體質(zhì)量嚴(yán)重下降。

厚大充填體的脫水系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題:

(1)為防止脫水管在充填時(shí)被壓扁或垮塌,鉆眼的主脫水管應(yīng)適當(dāng)增加管材壁厚;脫水管數(shù)量適當(dāng)增加,增加固定點(diǎn),確定安裝牢固。

(2)優(yōu)化脫水末端設(shè)置形式,可采用型鋼制作的脫水管籠,最后用土工布或麻布密封,可以較好的避免厚大充填體擠壓脫水管口,使排水管通暢。

(3)合理確定濾布的形式、規(guī)格和纏裹層數(shù),因地制宜的采用麻布、棕衣替代土工布都是性價(jià)比較高的選擇。

排水系統(tǒng)組件如圖3所示。

圖3 采場(chǎng)脫水管籠

5 膠凝材料的選擇

對(duì)于采用充填采礦法的大規(guī)模礦山來(lái)說(shuō),大型機(jī)械化設(shè)備的使用和大量膠凝材料在水化過(guò)程中產(chǎn)生的大量水化熱,特別是深井礦山,不僅使井下環(huán)境溫度升高,降低作業(yè)環(huán)境的舒適度,而且大量消耗膠凝材料,充填成本也居高不下。針對(duì)大型采空區(qū)的充填膠凝材料選擇,低熱高強(qiáng)且成本低的膠凝材料是選擇基本原則,另外合理確定分次充填的高度對(duì)控制大體積充填體膠凝材料的水化熱也同樣重要。在控制充填成本的前提下,選擇合理的膠凝材料,調(diào)整各種充填材料比例,可有效保證充填體強(qiáng)度,同時(shí)滿足輸送和采礦工藝要求。

為了選擇合適的膠凝材料,分別采用P.O 32.5水泥、P.O 42.5水泥以及新型膠凝材料在不同配比條件下進(jìn)行充填體強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果見表2。

表1 不同膠凝材料和不同配比條件下充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析膠凝材料種類及配比對(duì)充填 體強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同膠凝材料膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)過(guò)程及圖表結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

(1)在配比一定條件下,充填料漿質(zhì)量濃度越高,則充填體的抗壓強(qiáng)度就越大,因此,應(yīng)盡可能提高充填料漿濃度,減少充填體脫水量。

(2)料漿濃度一定條件下,膠凝材料的添加量(灰砂比)是影響充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在其他因素不變的情況下,隨著膠凝材料用量的增加,充填體的強(qiáng)度顯著提高。

(3)P.O 32.5水泥膠凝效果不佳,即使配比達(dá)到1∶4,其7 d強(qiáng)度也僅為0.3～0.5 MPa,而28 d強(qiáng)度也不到1.0 MPa;P.O 42.5水泥,較P.O 32.5水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度顯著提高(相同配比條件下均可提高2倍以上),但強(qiáng)度仍偏低,這是由于試驗(yàn)尾砂細(xì)顆粒含量多,難形成高濃度所致。

(4)與P.O 42.5水泥相比,各配比條件下新型膠凝材料充填體強(qiáng)度均提高1倍左右,尤其是早期強(qiáng)度提高顯著,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。即新型膠凝材料比較突出特點(diǎn)是早期強(qiáng)度高,這有利于加快作業(yè)循環(huán)速度,提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力;并且價(jià)格介于P.O 32.5水泥和P.O 42.5水泥之間,在滿足充填體強(qiáng)度質(zhì)量要求的情況下,采用新型膠凝材料可大大減少膠結(jié)劑用量,從而達(dá)到降低充填成本的目的。

6 結(jié)論

根據(jù)模型計(jì)算、理論分析和試驗(yàn)研究可以得出:

(1)對(duì)實(shí)際充填體進(jìn)行建模、受力分析和計(jì)算,可以確定厚大充填體的灰砂比、濃度、擋墻等相關(guān)充填參數(shù),并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

(2)高濃度、膏體充填是厚大礦體充填的發(fā)展方向,充填體質(zhì)量不僅與濃度有關(guān),并且與尾砂尾砂粒徑級(jí)配和膠凝材料種類和添加量等有關(guān),確定合適的充填料漿濃度對(duì)充填體強(qiáng)度形成有顯著提高,也有利于采場(chǎng)擋墻的安全和脫水設(shè)施排水。

(3)根據(jù)擋墻的受力計(jì)算,設(shè)置可靠的充填擋墻和合理的采場(chǎng)排水措施,是提高采場(chǎng)安全、保障厚大充填體質(zhì)量的最直接的有效途徑。

(4)對(duì)于厚大礦體膠結(jié)充填,采用低水化熱、高強(qiáng)度的新型膠凝材料是提高充填體強(qiáng)度的重要方法,也是保證井下工作環(huán)境、降低充填成本的重要途徑。