小矿山采空区治理及采矿回采工艺研究

张久明 陈 超 甘德清

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009;2.滦南县工业和信息化局，河北 滦南 063500)

1 矿山工程

双城铁矿和西双城铁矿从2003年开始建设，2004年建成投产，一直处于无序开采状态，从矿山建成至今，共掘竖井26条，其中双城铁矿10条，编号为范1井～范11井(没有范4井)，西双城铁矿16条，编号为1井～16井。这26条竖井均在岩石移动界线之内，井筒净直径均为2.6 m，均为简易箕斗井，井筒内没有梯子间，没有专用回风井。各竖井大部分为独眼井，开采中段标高不统一，空区凌乱。采矿方法属空场法，类似留矿法的巷道型采场，运输巷道布置在脉内，巷道即采场，采高为7 m～40 m不等，一般为10 m～15 m，平底结构，是一种极不正规而又最简单的采矿方法，存在安全隐患。该矿已经形成了80多万立方米的采空区，地表已经出现3处塌陷区，其中范3井已塌陷;范2井和7号井属于危井，不能继续使用。随着采空区暴露时间的增加，地压活动也会逐渐增强，逐渐威胁各个井筒的安全和深部阶段的生产安全，同时由于开采不规范，造成各中段遗留大量矿体未进行回采。随着地压活动的增加，将会使这部分矿体回采更加困难，甚至不能回采，成为永久性损失。

2 空区治理方案选择

目前，该矿已形成80多万立方米的采空区，1112.91万t的矿石储量没有回收，因此若采用隔离法处理采空区，无疑会造成资源的浪费。而若采用崩落法处理采空区:1)地下空区凌乱，没有统一的开采中段，一旦崩落空区，1112.91万t残矿的绝大部分将成为永久损失;2)不能利用现有23条井筒完好的竖井(在空区岩石移动界线内)，重新布置井巷工程量巨大;3)同时处理这么大面积的采空区施工组织困难，而且爆破时会产生较大的地震波，会对村庄的房屋产生影响，容易引发村民纠纷。

综上所述，采空区处理方案不能采用隔离法处理采空区和崩落采空区，只能采用充填法处理采空区，充填法处理采空区有干式充填和湿式充填，为了确保回收残矿时安全可靠，选择全尾砂胶结充填采空区处理方案，具有如下先决条件和优点:1)可以利用现有23条井筒完好的竖井，大大节省井巷工程的投入。虽然井筒处在空区岩石移动界线内，但可以通过技术途径解决存在的安全问题:即按矿体延伸方向，从井筒最深、最下部空区开始充填。2)充填物料充足，运距短，该矿的选矿厂距矿区不足500 m，选矿厂尾矿库堆置了大量的尾砂，尾砂是充填料的主要成分，运距不足500 m，可以节省大量的运费。充填物料的粘结剂主要成分是水泥，遵化、丰润、迁西均有水泥厂，所以水泥容易购买。3)全尾砂胶结充填体具有一定的强度，可以有效地降低空区围岩的应力集中，减小地压，充填体凝固一段时间后，即可进行残矿回采，给残矿回收提供了安全保证。4)全尾砂胶结充填体可以阻止或减缓上部涌水渗入深部各中段，降低井下排水费用。5)采用全尾砂胶结充填法，地表不会被破坏，有利于生态环保。

3 滞留空区充填工艺研究

采空区充填前要先封闭采空区的所有出口，封闭挡墙上设两个泄水管，泄水管打上孔之后，用土篷布包好，封闭挡墙要求坚实严密，不能跑浆。

平巷工程布置在空区顶板下盘岩石移动界线外，断面4.21 m2，充填完工后可作为残矿回采时的运输巷道，掘规格2 m×2 m的水平巷道与空区连通，充填口巷道底板标高比空区顶板标高低1 m～1.5 m左右，铺设充填管路至空区充填口。

移动充填站设在充填井口，尾砂和水泥通过皮带运至搅拌桶搅拌，搅拌好的尾砂水泥砂浆通过井筒充填管路和平巷充填管路自流到空区充填口进行充填，空区充填采用计算胶结配比，采空区底板残矿高度大于5 m的，需进行回收，为了确保回收残矿时顶板安全，空区底部先充填3 m厚的1∶4的高配比砂浆，养护期3 d，滤水后约剩2 m厚的充填体，然后上部再充填设计的低配比砂浆至充填口标高，采用滤水比较好的材料加高封堵充填口，距巷道顶板200 mm左右，架高充填管，边充边滤水，直至接顶，养护期设计龄期后方可进行回采作业(见图1，图2)。

由于采空区较大，当充填料高度高于巷道顶板时，就很难从泄水管滤水，上部回水采用溢流的方式从充填口经充填平巷流至充填井的水仓内，由水泵排出地表，从空区溢流的水比较混浊，在流入水仓前先进入沉淀池沉淀，然后再排入水仓内。

图1 充填到充填口时示意图

图2 充填接顶示意图

4 残矿回采方法研究

空区顶底板残矿回收采用空场法嗣后充填采矿方法(见图3)。矿块回采隔一采一，一步采完进行全尾砂胶结充填，水泥尾砂配比取计算值。充填料固结后进行二步采，采完后用全尾砂胶结充填。

图3 顶底板残矿回收采矿方法

矿块参数:当矿体厚度大于10 m时，矿块垂直走向布置，矿块宽度10 m，矿体厚度小于10 m时，矿块沿走向布置，矿块长度15 m，不留间柱，顶柱厚度4 m。采准切割:当矿体厚度大于10 m时，在上下盘围岩中掘天井至上阶段回风巷，每隔3 m～5 m掘联络道与矿房相通，天井、联络道规格为2 m×2 m，矿块不设底部结构，直接将矿房底部拉开，高度2 m。

落矿:以拉底为自由面，自下向上分层进行，分段落矿，用YT-27型凿岩机凿水平或垂直炮孔落矿，炮孔深度1.8 m～3 m，孔间距0.8 m～1 m，排间距0.8 m，炮孔交错布置。

爆破采用硝铵炸药，人工装填药卷，起爆器起爆导爆管起爆网路，毫秒微差爆破。矿石最大块度400 mm，不合格大块在采场二次破碎。第一分层回采高度为4.5 m，即拉底层形成后再向上采2.5 m，后续分层回采高度为2.5 m，以保证充填作业完成后留有2 m高的作业空间。残矿回采充填工艺研究(见图4):矿房大量放矿之后，即进行充填，一步、两步采矿块充填配比取计算值。

图4 残矿回收采空区充填示意图

残矿回收充填和滞留空区治理充填工艺略有不同，主要表现在两个方面:

1)充填途径不同。

滞留空区治理是从巷道充填，巷道底板低于空区顶板，残矿回收采空区充填巷道底板要高于采空区顶板3 m～5 m，因此需要打钻孔充填，钻孔直径要略大于充填管直径，这样有利于排出空区内的空气。

2)滤水方式不同。

滞留空区治理时采空区体积较大，且下部巷道口仅有1个～2个，因此滤水主要是从空区顶部滤水。残矿回收采空区充填是随采随充，空区面积较小，高度不大，采用天井联络道和矿块下部出矿穿滤水。

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