采场和空区充填接顶技术研究

冯胜利，汪令辉（冬瓜山铜矿，安徽铜陵244000）

1 前言

采空区充填是地压管理的重要方法，很多矿山由于采空区充填过程中未能接顶导致围岩移动，地压活动频繁，片帮冒落严重，给矿山安全生产带来极大的难度，特别在多步骤地下开采活动中，因采空区不能接顶，造成采切工程施工难度大，资源贫化损失大，安全生产受到极大的威胁，因此，通过自流输送解决采空区接顶技术难题，消除安全隐患，有着极其重要的意义。

2 尾矿特性对充填接顶的影响

在尾砂充填过程中，特别是胶结充填接顶过程中，为达到充填体与采空区顶板无缝连接，要求在接顶前必须对胶结充填料浆的组份、性能、流动性、和易性、孔隙率、渗透系数、凝结时间等性能进行大量的试验，掌握和分析尾矿充填料浆详实的各类物化参数，对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算，通过试验和分析计算结果，设计出充填接顶所需要的充填接顶临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标，通过添加不同的添加剂或胶凝材料，调节和改善浆体在管道中的状态、改善浆体流动特性。

充填采场属于人工支护的范畴。类似于采用锚杆、喷射混凝土等人工措施支护采场巷道，其目的在于维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力，防止采场或巷道围岩的整体失稳或局部跨冒。南非在深井黄金矿山的开采中，大多采用了充填采矿法，并对充填机理进行了一定的研究。Kirsten,H.A.D.和Stacey,T.R.研究指出：充填体维护采场稳定的作用是多种形式的，支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作中充填体的稳定效果,尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的，但其综合作用预期可以大大增强采场围岩的稳定性。

3 全尾砂自流接顶技术和充填体承载技术

充填料属于典型的固—液两相流，两相流理论成为指导充填系统设计和充填接顶的重要理论基础，管道自流输送系统的设计要求对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算。为满足生产实际需求，国内外对两相流理论进行了较深入的研究。根据不同的物料性质及输送条件，提出了各种水力坡度计算的经验公式，比较著名的如尤芬公式、纽伟特（Newitt）公式、卡尔斯公式、金川公式、鞍山黑色金属矿山设计院公式、陕西水科所公式等；根据浆体在管道中的悬浮状态对浆体输送性能的影响，提出改善浆体流动特性的途径；充填系统设计所需要的临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标都有比较可靠的计算方法，在取得可靠的计算数据后，可参考以下方法进行接顶。

（1）对于粒度较细、尾矿密度较大、流动性较好的充填料浆,充填料浆浓度可增大至75%左右，这类采空区的接顶可采用高浓度、分多次接顶，为防止充填挡墙受到剪切破坏，挡墙位置一次充填高度限定为1.3m。采场充填至采场顶板0.3～0.5m时停止充填一段时间到充填体完全凝结，为保证料浆的流动性，其灰砂比以1∶6～1∶10为宜。

（2）无论是采用何种方法接顶，其接顶充填管必须悬挂在安全的采空区最高地点，在设计充填孔时必须根据尾砂的流动性，保证充填接顶密实，采空区必须在最高点设计两个以上充填钻孔。

（3）采场充填接顶时，要严格控制充填量，为加强充填空区的料浆排水和养护，充一天养护一天，限量充填。

（4）接顶时，可根据胶结面的平整度适时调换充填钻孔，充填时应尽量保证充填面水平，保证胶结面（或砂面）平整；采场充填结束后，应对采场是否接顶进行确认，确认的主要方法为根据充填设计通过充填钻孔对接顶地点进行实测，如采用测绳；辅助方法有：检测钻孔内是否有空气流。采场充填钻孔设计示意见图1。

图1 采场充填钻孔设计图

采用上述接顶方法，冬瓜山铜矿的采场接顶率达到98%以上，基本上每个采场都达到了无缝接顶的效果，有效保证了二步骤及三步骤的回采安全。

4 充填方式和胶凝材料

高水速凝充填是迄今为止的充填理念独特的一种新型充填工艺，它不刻意强调提高充填料浆的质量浓度，而是利用高水速凝材料混合后形成的钙矾石具有较强固水能力的特点，实现较广范围内浓度的充填。采用双浆料高水充填，将组成高水速凝固结材料的甲、乙两种固料分别用两套管路系统与全尾砂制成质量浓度为30%左右的充填料浆输送到井下，在采场附近经混合器混合后充入采场，1小时实现初凝，2小时内不用脱水便可凝结成固态充填体，8小时即可上设备作业。

膏体充填技术1979年首先由德国格隆德铅锌矿开发成功，已先后在南非几个大金矿陆续推广使用，效果良好。这种新工艺的实质是将尾砂或其它用作充填的骨料经浓密机浓缩或真空过滤机过滤搅拌混合后形成浓度达85%左右的膏体，用往复式活塞泵经管道以栓塞流的形式压送到待充地点。水泥的添加方式通常有多种，除了常规的添加方式外，还可将水泥制成砂浆后在井下泵站内添加，也可在膏体出口前约30m处安装一个45°角的喷射头，由压风吹入干水泥，使之与膏体混合。

降低胶结充填成本的一个重要途径就是寻找水泥替代品，以降低水泥消耗，提高接顶效果。国内外的研究及应用实践表明，冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥都是性能良好的水泥替代品。

（1）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，因此应用更为广泛。

（2）磷石膏渗透系数较高，渗透系数大于200mm/h，其进入充填采场后具有良好的脱水性能，初凝快；同时磷石膏还具有随着压力的增大，其压缩性较大，有利于提高接顶充填质量。

综上所述，仅从物理力学性质来看，磷石膏是较为理想的充填骨料。但其中含有一定的硫，与水泥等胶凝材料一起构筑胶结充填体，其力学性能如何，需通过充填配比试验加以确定。

5 结论

（1）采场接顶必须有正确的设计来指导充填接顶，要求在接顶前对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算。

（2）尾矿特性制约尾矿的流动性和充填体强度和沉降率，因此，接顶时，应根据尾矿不同特性，流动性和不同的胶凝材料制定接顶方案，对尾矿自流接顶有着极其重要的意义。

（3）根据当地实际，采用高性能的胶凝材料是充填接顶的重要方法。

（4）高位接顶的核心是无论采用何种方法接顶，要将充填钻孔或充填管施工至采场最高点处，采用多次强制挤压接顶，接顶时人员要远离充填点位，要将充填管与充填钻孔联接处固定好。

（5）采场接顶时，要加强对充填空区的观测，如检测充填钻孔（含空区冒落情况）、检测充填体水平

度，检查空区内空气流动情况，一般来说，空区充填接顶的特征除测量钻孔外，还有钻孔内无空气流动，最后一次充填接顶时间不超过10分钟，料浆即溢出。