全尾砂胶结充填技术在金属矿山坑下采空区治理中的应用

全尾砂胶结充填技术在金属矿山坑下采空区治理中的应用
为了解决采空区及地表陷落的安全隐患，同时为矿山生产的大量尾矿砂寻找堆存场地，经试验充分论证，可利用全尾砂对井下采空区进行充填处理，消除地表陷落及采空区垮塌安全隐患。

井下采空区充填密闭是全尾砂充填的必要条件之一。

文章较详细介绍了全尾砂胶结充填技术在某金属矿采空区治理中发挥的作用，治理效果显著，基本消除了矿区采空塌陷地质灾害隐患，为小型矿山采空区治理工作提供技术指导。

标签：采空区；全尾砂；胶结充填；金属矿
全尾砂胶结充填技术近十几年来，在我国不断得到发展、完善，已在不少矿山推广应用。

某金属矿于2005年建矿，2008年正式投产，设计生产能力15万t/a。

矿山采用中央下盘斜井开拓，采矿方法为房柱法和浅孔留矿法。

经多年开采已经形成了较大范围的地下采空区，对周围居民、工厂构成威胁，矿山和各级政府对地表安全监控管理和环境保护治理的工作责任重大。

1 矿山基本概述
1.1 地质条件
矿区处于某向斜盆地的东北边缘，分布有奥陶系马家沟组、石炭系本溪组及二叠系地层。

由于金岭岩体的侵入作用，形成向东北倾伏的金岭短轴背斜，沿接触带形成一系列大小不等的磁铁矿床。

该金属矿山开采矿床矿体-150m以上部分。

矿体形态呈扁豆状，走向N30°E，倾向SE，倾角20°～40°，矿体沿走向南北长180m，沿倾向延伸165m，水平宽度50～150m。

主要有益组分TFe含量一般为30%～55%，最高可达64.74%，平均含量51.41%；矿体最小厚度4.34m，最大厚度16.48m。

1.2 水文地质条件
矿区地处鲁中南陆背斜水文地质区、山间盆地亚区的水文地质单元北部。

依据含水介质及赋存条件，含水岩组分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组和岩浆岩类裂隙含水岩组。

矿山投产以来，坑内一直无水，只是在雨季的后期，坑壁上有少量渗水，并不影响坑内作业，也无需排水疏干。

该金属矿水文地质条件简单。

矿床的主要充水因素是奥陶系灰岩岩溶裂隙水。

区内没有大的河流及地表水体，大气降水顺势流出矿区，不会在本区滞留，对地下开采一般不会构成威胁。

1.3 开采现状
矿区回采方法为房柱法和浅孔留矿法，矿房、矿柱二步回采，先采矿房，后采矿柱。

矿房采用空场法回采嗣后采用尾胶充填，矿柱底部结构先用尾胶接底4米高然后用松散的碎石作为充填料充填采空区，接顶采用尾胶，高度为2米直至充满采空区。

生产过程中的废石量较少，远不能满足采后空区充填的需要，因此留有大量空区存在。

另外该矿地表有公路、良田、工厂和村庄，不允许地表陷落。

采空区的存在对其产生很大的危害。

2 全尾砂胶结充填
2.1 充填材料来源
该金属矿山采用尾砂胶结充填方式。

尾砂胶结充填原料为尾砂、胶固粉和水。

尾砂主要来自于选矿厂尾矿库。

胶固粉从市场购买。

充填水来自矿山生产水和达标的矿坑水。

2.2 胶结充填情况
（1）供水。

充填用水采用水泵抽取，通过Φ60mm塑料管输送至搅拌站，经三通分别接入JS-4000型搅拌机和制浆池。

（2）供风。

为了防止砂浆离析，在制浆池底部铺设了间距0.5m、Φ25mm的高压风管，管道每隔0.5m有一个Φ5mm 的气孔。

高压空气自空压机房由Φ100mm的钢管输送至制浆池，对砂浆进行搅拌，防止砂浆离析、沉淀。

（3）添加尾砂。

尾砂由卡车运至搅拌站堆料场堆放，搅拌时，使用ZL50装载机将尾砂送入搅拌机进行搅拌。

（4）添加胶固粉。

散装水泥胶固粉由专用运输车运送到搅拌站，通过旁通式气力运送机组扬送入容量为150m3的胶固粉仓储存。

充填制浆时，打开吊挂螺旋计量秤和溢流螺旋给料机的控制柜开关，料仓内的胶固粉连续地流入双轴搅拌机内。

（5）搅拌砂浆。

将尾砂添加入搅拌机中，打开供水开关加水，然后开动搅拌机搅拌8～10min，使尾砂与水进行充分搅拌、混合后，放至制浆池。

搅拌后的砂浆放入制浆池后，打开供气开关送入高压空气进行搅拌，并适当加水，即制成合格的砂浆。

砂浆浓度一般达57%左右。

（6）制备和输送料浆。

打开制浆池的手动闸门，同时开动胶固粉添加开关按钮，将砂浆和胶固粉送入双轴搅拌机内进行混合、搅拌，在双轴搅拌机的出口处制备好合格的充填料浆（输出浓度为=60%），经输送管道自流至充填空区。

（7）测量及控制砂浆浓度。

砂浆的制备分为搅拌机搅拌和高压空区搅拌两个步骤。

在搅拌机搅拌时，适当提高砂浆的浓度，使其浓度在60%左右；当砂浆进入制浆池后，利用高压空气进行搅拌，并使用浓度壶测量砂浆浓度。

根据多次监测结果，加水将砂浆稀释至57%左右，制成合格的砂浆。

（8）控制灰砂比。

充填料浆的灰砂比是通过调整砂浆和胶固粉的添加流量来控制的。

根据胶固水泥粉的添加速度，经多次试验，平均每池砂浆的体积为55m3，给入双轴搅拌机的时间为60min左右；按砂浆浓度57%、密度1.57t/m3、灰砂比1：4计算，每池55m3的砂浆需添加20t胶固粉。

由此，通过控制柜调整胶固粉螺旋给料机的转速（设定胶固粉流量为6t/h），使其向双轴搅拌机添加胶固粉的流量为6t/h，并根据螺旋计量秤称得每池砂浆添加的胶固粉质量，进行校对，使胶固粉和尾砂配比保持
在1：4左右。

（9）胶结充填时间和数量。

该金属矿山尾砂胶结充填工作历时364d，每天1～3班。

2.3 充填区密闭和滤水
充填区采用浆砌砖墙进行密闭。

墙体厚50cm，表面采用砂浆喷面。

设置滤水窗和滤水管使采空区充填料浆离析的充填水通过滤水装置和岩石裂隙进入矿山深部开采中段水仓，由水泵排至地面进行净化再利用。

3 充填质量评述
3.1 采空区充填率
该金属矿设计充填采空区体积4万m3，充填浓度为60%的料浆94 948m3，按料浆充填系数0.75计算，充填空区体积71211m3。

采空区充填率大于90%，充填体单轴抗压强度大于0.5MPa，使采空区充填充分接顶，满足设计及有关规范要求。

3.2 胶结充填质量
该金属矿采空区尾砂胶结充填施工设计胶固粉与尾砂的配比为1：4，料浆浓度为62-65%。

在充填施工过程中，胶固粉与尾砂的配比区间为1：4～1：12、一般为1：8～1：9、平均为1：8.8。

共取试块26组，养护后送某检测有限责任公司进行测试，试块单轴抗压强度1.5～3.0MPa，平均值2.2MPa。

尾砂胶结充填体的强度满足设计要求。

4 结束语
（1）本次充填采空区的顶板埋深均小于200m，采用尾砂胶结充填方式进行充填，采空区充填率为95.3%；试块抗压强度 1.5～3.0MPa，平均值为R28=2.9MPa。

本充填方法、充填质量满足要求。

（2）通过本次采空区充填治理，使矿山开采形成的采空区得到了有效的治理，有效保护地表不塌陷和保护远景资源，消除和大量减少了矿山固体废料的排放，保持矿区生态体系完整，从根本上最大限度地消除矿产资源开采带来的负面影响，并且能使矿山效益最大化。

（3）许多矿山的实际应用证明，利用尾砂进行地下采空区充填，是一条变害为利、综合利用、可有效控制和消除地压危害、保证矿山安全生产、改善地质环境和生态环境的有效途径，具有很高的社会效益。

参考文献
[1]《采矿手册》编辑委员会.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社，1999.
[2]冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部.中国冶金百科全书（采矿）[M].北京：冶金工业出版社，1999.
[3]杨殿.金属矿床地下开采[M].长沙：中南大学出版社，1999.
[4]周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京：冶金工业出版社，2010.
[5]周爱民.有色矿山采矿技术新进展[J].采矿技术，2003，6（3）：3-7+48.。