尾砂充填技术在采空区治理中的应用

刘三平

(北京科技大学土木与环境工程学院)

尾砂充填技术在采空区治理中的应用

刘三平

(北京科技大学土木与环境工程学院)

采空区治理可以有效保障矿山生产安全，保护地表土地资源。针对某铁矿0 m标高以上的历史遗留采空区，运用电磁层析法和高精度磁法探测，采用细粒尾砂胶结充填治理，充填料浆浓度为60% ，充填体抗压强度为3 MPa。采空区治理后地表没再发生塌陷，8个月的监测数据显示，水平和竖向最大位移值均为11 mm，地表变形趋于稳定，治理成效显著。

采空区探测 尾砂充填 位移监测

地下矿产资源的开采不可避免地造成一定的空区，过去采矿技术落后，大多采用空场法或崩落法采矿，留下了大量的采空区[1]。地下采空区最大的危害是容易造成整体失稳、顶板大面积冒落，从而引起地表的塌陷、开裂，产生巨大气体冲击波和地震波，破坏地表的建(构)筑物，导致房屋坍塌、倾斜、沉陷等，同时也会对井下设施以及作业人员的安全带来严重威胁[2]。因此，对采空区的治理是非常迫切和必要的[3]。同国内其他地下开采的铁矿山一样，某铁矿自建矿以来，实施疏干法治水，主要采用有底柱分段崩落法回采，自然塌落管理采空区顶板。经过多年的开采，0 m标高以上已经形成了较大范围的地下采空区，面积达25万m2,地表露天坑及塌陷区面积为10万m2。采空区造成地面陷落区范围不断增加，使矿山对安全监控管理以及环境保护治理的工作难度不断加大，各级政府、安全生产监督管理部门、国土资源部门都非常关注，治理势在必行。

1 工程背景

某铁矿矿体顶板多为大理岩、结晶灰岩，底板为蚀变闪长岩、透辉石矽卡岩。矿体总体走向30°左右，倾向SE，倾角40°～70°，主矿体走向长1 800 m，倾向延伸150～160 m，赋存标高为0～-400 m，矿体平均厚17 m，矿体厚度变化中等，有用组分分布均匀。

该铁矿历年采用崩落法采矿，后胶结充填采矿法应用于铁矿井下，井下0 m水平以下的新采空区以充填体支撑采场顶板，不再发生顶板冒落，从而避免了地表塌陷边界和错动边界进一步扩大，较好地保证了地表安全，也节约了征地费用[4]。通过实施充填采矿法，使矿房回采率由原来的70%提高到90%以上，极大地提高了矿产资源开发利用水平。目前铁矿深部矿体保有资源储量约1 000万t，按现生产规模50万t/a仍可服务16 a。虽然上覆岩石崩落或自然塌陷对0 m以上的历史遗留空区起到了一定的充填支撑作用，但依然存在大面积采空区突然冒落的危险隐患，急需采取安全和环保综合治理措施，以尽早避免灾难性地质危害的发生。为了确保矿山安全生产、有效保护地质环境和提高资源利用率，决定对早已形成的0 m标高以上的历史遗留地下采空区进行充填治理。

2 采空区探测

采用电磁层析法和高精度磁法探测铁矿各勘探线0 m以上采空区，探测结果显示铁矿采空区主要分布在2～21勘探线。采空区物探结果见表1。

为验证以上物探结果可靠程度，用0 m以上实测矿体边界，根据有底柱分段崩落采矿法的60%回采率来计算采空区体积。该铁矿2～21勘探线0 m以上矿体体积为260万m3(表2)，根据60%回采率计算采空区体积为156万m3。经现场实测计算，形成的地面塌陷区体积为110万m3,根据采出矿体体积及地面塌陷区体积推算，地下采空区体积大约是46万m3。与物探探得采空区体积456 258 m3基本吻合[5]。

3 充填工艺

3.1 充填体性质

(1)充填尾砂表观密度为2.63 g/cm3，堆密度为1.36 g/cm3，总体属于细粒尾砂。尾砂中主要矿物为碳酸钙，其次为绿泥石、闪石、云母、氧化铁等。

表1 采空区物探结果 m3

勘探线2～33～44～55～66～77～88～99～1010～1111～12体积19000130001340614750167582068935300344504090038150勘探线12～1313～1414～1515～1616～1717～1818～1919～2020～21体积28000305003258020000184503157528400150005350

表2 0m以上矿体体积 m3

(2)不同胶凝材料、灰砂比和充填料浆浓度是影响胶结强度的主要因素。采用现场胶固粉，灰砂比为1∶4，料浆浓度为72.5%时，28 d胶结抗压强度为7.06 MPa，抗折强度为2.07 MPa。

(3)分级尾砂胶结效果要明显优于全尾砂，但分级尾砂料浆的流动性能与全尾砂有很大区别，在生产允许的情况下，可以考虑用分级尾砂做骨料以保证充填效果。

(4)不同浓度尾矿塌落度和扩展度试验以及充填砂浆流变参数特性黏度和屈服应力测定表明，流变性能急剧增大的临界浓度为66%，料浆的最大充填浓度应控制在66%左右。

(5)以现有管道直径条件，料浆浓度在62%以上时，将在部分水平的管道中无法实现自流输送。

综上各因素，在生产允许的条件下，充填空场的充填料重量浓度取60%，充填体抗压强度为3 MPa，充填体强度基本达到了最大，高于国内大部分充填矿山的充填料强度，工程性能较好。充填料进入充填区后，部分水脱出。充填体物理性质见表3。

表3 充填体物理性质

3.2 封堵墙设计

封堵墙主要布置在与主井、副井相连巷道处，按照0,+10,+50,+100,+150 m标高依次封堵水平巷道。墙体有渗水、墙内情况不明的已有封堵墙要在墙体上部打眼，先探明墙体内情况并放水，拆除墙体上部，再观察巷道内情况，逐步清除墙体；主要采用人工清理，将泥浆装入编织袋，堆放在废弃巷道内。在有积水的位置砌筑墙体时，要先清理积水再运料封堵；对于需保证通风行人的穿脉巷道，采用钢筋混凝土预制管封堵，先清理好穿脉，然后运入规格为φ1.5 m×1 m的钢筋混凝土预制管，用水泥砂浆将各个管件连接好，保证不留缝隙，然后砌筑厚度为1 m的混凝土墙，墙两端需预先埋设排浆管。

封堵墙材料采用钢筋混凝土，厚度均不低于1 m。灌注混凝土前首先用φ8 mm钢筋编制成网。边槽槽深在30 cm左右，剔槽后分别在槽中的两帮、顶板、底板分2排均匀打入φ40 mm×(1 000～2 000) mm圆钢，每排2根。混凝土水泥、沙、石子的质量比按照1∶2∶3施工。混凝土砌筑施工严格按设计要求进行，施工后的墙体基本无跑浆，达到封堵要求。

3.3 施工过程

该铁矿井下采用胶结充填采矿法，每年选矿所产生的几十万吨尾砂全部用于井下充填，不仅起到了治理采空区维护地表稳定的作用，而且环保绿色，有利于矿山的可持续发展[6]。其充填工艺流程见图1。

图1 充填工艺流程

根据采空区探测结果，考虑充填料浆自然流动扩散半径，结合地表地形，布孔的勘探线间距选取24～30 m，这样在2～21线初步拟定40条勘探线(有局部加密和个别地形受限调整的情况)上布置充填钻孔，每条线大致需1～3个孔，共需施工充填钻孔53个，其孔深在40～200 m不等，设计充填钻孔5 000 m，检查孔8个，进尺850 m。整个采空区设计钻孔61个，总进尺5 850 m。

4 位移监测

通过以上检查孔检验，揭露采空区的8个孔中有6个充满充填体，2个孔未充满，且揭露空区高度较小，证明地下采空区充填密实，采空区胶结充填率在90%以上，达到了预期效果。为进一步验证治理效果，在地表进行长期位移监测，记录地表各个监测点长达8个月的位移变化，结果见表4。

表4 地表监测点位移汇总 m

观测点号X位移Y位移水平位移垂直位移6#-0.0080.0070.0110.0111#-0.0020.0050.0050.00320#0.005-0.0050.0070.00621#-0.0050.0060.0080.00322#0.001-0.0060.006-0.00523#0.0010.0020.0020.00210#0.009-0.0010.009-0.00215#-0.003-0.0080.009-0.009

从表4可以看出，地表各监测点的位移变化量不大，水平最大位移为11mm，垂直最大位移也为11mm，垂直位移以向下为正，向上为负。治理后地表未发生塌陷，而且变形量较小，趋于稳定。钻孔充填取得了良好的效果[7]。

5 结 论

(1)采矿遗留空区是矿山重要的危险源，采空区治理是非常重要的一项工作。以60%重量浓度、3MPa抗压强度的细粒尾砂胶结充填体，对约46万m3的探测空区进行完全自流式填充，总钻孔进尺为5 850m，充填后8个月地表监测数显示，水平和竖向最大位移均为11mm，该矿采空区已趋于稳定，有效防止了地表塌陷，取得了较好的治理效果。

(2)尾砂胶结充填技术解决了尾砂的排放问题，减少了耕地占用和环境污染；尾砂和废石的有效利用，节约了大量的河砂资源，解决了充填的原料问题，大大降低了充填材料成本；为建设绿色矿山提供了重要的借鉴。

[1] 马海涛，贺红生，付士根.采空区塌陷影响因素及稳定性分级方法研究[J].中国安全生产科学技术,2008,4(5):37-41.

[2] 马海涛,刘宁武,王云海,等.金属矿山采空区灾害防治技术研究综述[J].中国安全生产科学技术，2014,10(10):75-80.

[3] 杨布华.我国非煤矿山地下采空区稳定性研究进展[J]．矿山与地质，2008，22(5):473-479．

[4] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002.

[5] 李夕兵,李地元,赵国彦.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判[J].采矿与安全工程学报,2006,23(1):24-29.

[6] 薛奕忠,矿山特大型采空区全尾砂充填封闭工程实践[J].中国矿山工程,2006,35(2):11-13.

[7] 舒继森.采矿工程与地表位移的关系[J].中国矿业大学学报,1997,26(4):30-33.

2015-03-20)

刘三平(1988—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。