邓 钊,冉 辉,左昌虎

(湖南省水口山有色金属有限公司, 湖南常宁市 421513)

水口山铅锌矿复杂采空区治理方法探讨

邓 钊,冉 辉,左昌虎

(湖南省水口山有色金属有限公司, 湖南常宁市 421513)

水口山铅锌矿采用空场留矿法,遗留了大量的采空区亟待治理。为此,基于对水口山老采空区特征的研究,综合对比各种治理方法,拟采用膏体充填治理采空区,系统讨论了充填材料、充填工艺、充填系统、充填挡墙等,通过膏体充填,采空区得到了有效治理,消除了安全隐患,并且残矿得到了充分回收,避免了资源浪费。

膏体充填;采空区;治理措施;水口山铅锌矿

水口山铅锌矿采用空场法采矿,历经一百多年的开采,遗留了大量的采空区,且部分采空区互相贯通,形成了结构复杂的采空区群。历史上,多次因采空区坍塌而造成了人员伤亡,财产损失及环境破坏。同时,大量采空区的存在也给井下生产带来了巨大的安全隐患。近年来,矿山对采空区采取了多种治理手段,如封闭采空区、井下废石充填、建立地压监测系统及地表沉降观测网,但如何从根本上消除采空区带来的安全威胁有待进一步研究。

采空区治理一直是矿业界需要解决的一大技术难题,采空区治理的技术与理论研究也一直在不断的发展和进步,如在隐伏采空区的探测,采空区的稳定性分析评价,采空区的治理措施,采空区的应力分析、位移监测等方面开展了大量研究并取得了较好的成果[1-5]。本文在前人研究基础上,充分收集水口山铅锌矿采空区形状、体积、分布等特征,探讨治理方法及措施,以期达到消除安全风险并高效、经济、安全、环保的回收矿产资源。

1 铅锌矿采空区现状

水口山铅锌矿老鸦巢矿区共有18个采空区,其中规模较大的为4＃、8＃、9＃、10＃采空区,所占采空区比例为60.56%。目前,已经塌陷的采空区计58.11万m3,充填采空区计100.74万m3,待处理采空区计115.54万m3。

对地表威胁较大的采空区为5＃、6＃、10＃、11＃、19＃(已充填)采空区,按75°错动角计算,预计地表错动带范围内24万㎡的建筑物、构筑物受其影响。受影响的地表构筑物和设施包括:五号竖井、发电站主厂房、2＃、3＃斜坡道、选矿厂(包括康家湾选矿厂)、机修车间、矿行政办公楼等。

2 采空区治理方法的选择

目前国内外处理采空区的方法主要有:崩落、封闭、充填和支撑加固[6-7]。针对铅锌矿井下采空区多,体积大,地质条件复杂,地面居民建筑密集的状况,采用崩落法容易造成采空区群的连锁崩塌,导致地质灾害的发生,对地表环境及井下生产作业影响都非常大。因此,崩落法不适宜于铅锌矿采空区的治理。

封闭和支撑加固法虽然是治理采空区最简单、最快速的方法,但该方法仅适用于岩石稳固、体积小且互为独立的采空区治理。但该方法并不能从根本上消除采空区,针对铅锌矿矿区地表及井下实际情况,长期存在的大量采空区对于居民生活、生产以及矿区生产作业都是一个巨大的安全隐患。因此,该方法仅适用于铅锌矿井下部分体积小、结构稳定的空区治理。

充填法不仅可以从根本上消除采空区,而且充分利用尾矿回填,有利于环境保护和废弃物的再利用。此外,通过充填法治理采空区可以最大限度的回收残矿资源,是治理采空区的最有效、最彻底的方法,也是矿山安全、持续、稳定生产的有力保障措施[]。

充填法经过长期的发展,目前种类繁多,技术成熟,应用广泛。其中膏体充填技术具有以下优越性:

(1)不需要在井下工作面设立泄水系统,节省了排水费用;

(2)不影响工作面机械化的应用;

(3)不存在或只有极轻微沁水,无充填污染;

(4)水泥消耗量少且收缩率小,能保证较好的接顶质量;

(5)充填浓度高,有利于提高充填体的的强度;

(6)可输送颗粒较大的物料(25～35mm),降低了材料的加工要求,有利于降低充填成本;

(7)充填体易于接顶,有利于采场稳定和采矿作业安全等[9]。

因此,综合分析铅锌矿采空区赋存特征、矿山生产现状、充填材料来源等因素,拟主要采用膏体充填治理水口山铅锌矿复杂采空区。

3 膏体充填

充填采用3班制,每班有效充填时间6h,年充填量36万m3,计划3年内完成采空区治理。

3.1 充填材料

目前,铅锌矿选厂日产尾砂200m3,康矿选厂日产尾砂1800m3,尾矿浆浓度24%,尾矿库库存尾砂270万m3,材料来源充足,满足采空区充填需求。选厂尾砂颗粒级配见表1、表2,尾砂粒径结构比例合理,满足膏体制备条件。

表1 水口山铅锌矿分级尾砂粒级组成

表2 水口山铅锌矿全尾砂粒级组成

此外,水口山有色金属公司冶炼厂产生的大量水淬炉渣、粉煤灰可作为充填骨料,尤其是粉煤灰,除了可部分替代水泥降低充填成本外,还可以改善浆体流动性能,提高浆体悬浮性,减少充填体沁水率,是膏体制备最好添加物[10]。

为提高膏体浓度及抗压强度,改善膏体流动性,可加入减水剂等化学外加剂。减水剂不仅可以提高膏体浓度和强度,减少水泥用量,而且可以作为泵送剂,防止膏体在泵送管路中离析和堵塞,使其在泵压下顺利通行,对于膏体制备及输送作用明显[11]。

参照类似矿山实际生产经验以及采空区充填条件,充填料浆浓度不应低于76%,在后期充填过程中也可以根据实际情况确定最优充填料浆浓度。

3.2 膏体充填工艺流程

按照经济、合理的原则,选用“选厂低浓度尾砂＋尾矿库干尾砂＋普通硅酸盐水泥＋粉煤灰＋减水剂”型充填材料。其工序主要包括物料准备、定量搅拌制备膏体、泵压管道输送、采场充填作业4部分[12]。

(1)在立式砂仓中将选厂尾砂浆和尾矿库干尾砂进行混合,提高尾砂浆浓度,同时在水泥仓中加入水泥、粉煤灰、水淬炉渣等骨料进行混合;

(2)通过水泥仓给料机,立式砂仓放矿装置将物料排放到搅拌装置中进行充分搅拌,在搅拌过程中加入减水剂及其他外加剂,以此提高膏体强度及其他性能;

(3)待制备出适合管道输送的膏状物料后通过钻孔或者管道采用自流或泵压输送方式送入充填区。充填工艺流程见图1。

图1 水口山铅锌矿膏体充填工艺流程

在膏体制备中,要尽量做到用料精准,符合膏体制备技术参数。在搅拌过程中,要尽量做到搅拌充分,特别是对使用外加剂的充填料浆,充分搅拌尤其重要。

3.3 充填系统构成

建立一套自动化充填工艺控制系统,可实现物料的精准配给,料浆浓度的自动检测,膏体的自动输送,并避免人工操作导致的不稳定性。

地表充填站对废弃的4＃金矿体尾砂胶结充填站进行改造。充填系统主要设备和设施为:

(1)容积600m3式砂仓1个,用于选厂尾砂与尾矿库干尾砂的混合,吊装式圆盘给料机、振动筛、皮带机供料,给料能力60～90t/h;

(2)250m3立式砂仓1个,用于储存并混合水泥、粉煤灰、炉渣等,双管螺旋给料机供料,给料能力30～50t/h;

(3)搅拌机选用1台STF－Φ600型双轴叶片式搅拌机和1台STF－980型强力活化搅拌机,经过2次搅拌,使其充分混合,形成良好的膏体充填料[]。

水泥仓、立式砂仓为钢筒仓结构,膏体泵采用栓塞泵,布置在厂房内,位于地表储料仓出口附近。在充填钻孔的上方,建一个地表储料仓,保证料浆的顺利输送,并实现料浆的再次搅拌。

3.4 充填线路布置

矿山采空区充填根据充填倍线的不同采用充填料浆自流和泵送两种方式。制备好的料浆通过地表充填管道下至充填钻孔,经井下水平管路到达采空区。在布置充填线路时,充分利用矿山现有的4＃金矿体充填管道。

在充填采空区时,需要在采空区上部开凿充填钻孔,充填钻孔应布置在采空区中部最高处以达到接顶目的。

3.5 充填挡墙

充填作业前,在沿脉运输巷道与底部出矿穿脉巷道口处建立井下充填挡墙(见图2)。井下充填挡墙由空心预制砖砌筑,厚度为1.2～1.5m。充填挡墙砌筑时选择岩石稳固性好、断面小、易于排水的巷道壁部位,挡墙中间距底板0.3m处预留滤水管,滤水管道沿靠近采空区出口一侧固定在采空区围岩壁上,保障充填滤水效果。

图2 充填挡墙结构

在充填过程中,由于正在开拓深部工程,掘进过程中产生的废石直接充填井下采空区,在设置充填挡墙时要布置缓冲区段。充填时,待废石填满采空区后可利用膏体料浆填充废石缝隙,以提高充填体的强度。

3.6 充填质量管理

(1)严格做好充填物料的质量检验,避免不合格材料的使用,控制膏体浓度,精准料浆配合比,充分搅拌物料;

(2)严格做好充填日常管理工作,严格按照生产指令执行,避免不正常的停车;

(3)确保稳定的物料供应,避免因物料供应不稳定而导致仪表、输送设备频繁调节,避免供料不足而导致料浆质量下降;

(4)加强设备点巡检,强化各岗位人员操作,减少事故停车率,及时处理设备故障,做好设备检修,避免因故障停车而导致的堵管或者膏体质量不达标。

4 应用效果

(1)有效治理了采空区,避免了地表塌陷,处理了大量堆积尾砂及冶炼厂固体废弃物,利用充填系统将选厂尾砂充填采空区,避免了尾砂排放带来的环境影响,保护了生态环境;采空区得到有效治理,为井下残矿回采提供更安全的开采条件;避免了因采空区贯通而导致的通风紊乱,实现了有效通风,保证了工人职业健康。

(2)使老鸦巢矿区的残矿资源得到充分回收,避免了资源浪费,延长了矿山服务年限;大量的尾砂充填,延长了康家湾矿斋家冲尾矿库的服务年限,节省了尾矿库坝体加高扩容费用;新建的充填系统在鸭公塘矿区深部开发中得到应用,使得鸭公塘深部5000余万吨矿石得到有效利用和安全开采;在水文条件极其复杂的鸭公塘深部,膏体充填体对围岩涌水起到很好的封堵效果,减少疏排水费用;冶炼厂废渣的利用,节省了处理废渣所需费用。

(3)消除安全隐患,避免了地表塌陷给居民带来的不安定性,化解了与周边村民的矛盾,维护了社会及矿区的和谐稳定。

(4)膏体充填可以为鸭公塘矿区深部充填采矿提供技术依据;也可为康家湾矿充填系统升级改造提供技术依据。

5 结 论

水口山铅锌矿作为历经一百多年开采的老矿山,开展采空区治理已迫在眉睫,通过本文的初步探讨,系统分析了铅锌矿采空区的体积及特征;通过各种治理方法的综合对比,拟采用膏体充填方法进行采空区治理;系统讨论了充填物料选择、配比及要求,充填工艺及方案的实施;采空区治理后,在环保、资源回收、经济、安全等方面取得了较好的效果。膏体充填治理采空区,不仅可以解决目前铅锌矿采空区治理及井下生产问题,也可为其他类似矿山采空区治理起到借鉴作用。

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2017-04-25)

邓 钊(1987－),男,江西九江人,采矿助理工程师,主要研究井下采矿生产技术服务工作,Email:361548028＠qq.com。