召口矿胶结充填技术应用

解文强（山东金岭矿业股份有限公司 山东淄博 255080）

目前，许多地方出现“天坑”现象，除了部分属于科斯特地区地质原因，有相当大的部分为矿山地下采空区引起的。地下采空区隐伏性强、空间分布特征规律性差，采空区顶板冒落塌陷难以预测。20世纪末，矿业开采秩序较为混乱，非法无序开采，越界抢采等各种现象造成矿山及周边形成大量采空区，严重影响地表农田资源的利用，造成部分地表建筑物塌陷等。治理采空区是矿山企业应尽的义务，但如何有效的治理采空区成为了关键。结合召口矿采空区实际情况进行胶结充填治理。

1 采空区现状

井下胶结充填料浆配料表充填配比1∶4充填配比 1：8。

召口矿年产矿石75×104t/a，采用阶段矿房嗣后胶结充填法回采矿石。召口矿周边有多个民营矿山企业，由于其存在越界抢采情况，造成井下采空区相互贯通，采空区暴露面积增大，导致矿床采空区围岩受力条件发生变化，引起采空区冒落及部分矿柱倒塌，形成重大安全隐患。由于采空区犬牙交错且相互贯通，矸石充填及一般的胶结充填[2]无法有效的解决采空区问题。

2 采空区治理方案

2.1 采空区确定

由于民营矿山企业越界抢采，采空区大小位置无法确定，为了确定采空区大小及位置，主要采取以下措施：在地表进行物探；在井下进行钻探；施工平巷进入民营矿山企业越界水平对采空区进行实地勘察，确定采空区大小及位置。确认采空区为70×104m3，相对独立的采空区有 2 个，大小为 1×104m3、2×104m3。 空区范围为 -260m～-500m，有 -310m、-370m、-430m、-500m四个阶段水平。

2.2 充填工艺

针对采空区较多、且相互交错和部分独立采空区共存的情况，为了有效的充填采空区，采取地表钻孔充填和井下胶结充填法进行治理。井下胶结充填法：在设计区域内采准工程采用钢筋混凝土密闭墙将所需充填的空区进行密闭，形成一个相对封闭的系统，利用地表胶充站造浆，通过胶充管路将充填料输送至空区，滤水后形成一定强度的充填体。地表钻孔充填：在地表施工钻孔到达采空区顶部，设好套管，通过胶充管路将胶充站充填料输送至空区，滤水后形成一定强度的充填体。

2.2.1 充填路线

1#胶充站经地表副井—-310m水平—充填人行—-430m水平将充填料输送至空区。

2#胶充站经地表钻孔—充填料输送至空区。

2.2.2 充填配比

根据该区域的实际情况，今后要恢复采矿工作。要采矿区域充填体强度不低于2.5MPa，充填配比取1∶4;只充填空区区域充填强度不低于0.5MPa，充填配比取1：8。其中-430m～-500m之间充填配比取1：4，空区量为40×104m3；-430m以上充填配比区1∶8，空区量为 30×104m3。

料浆浓度均为55%，料浆富余系数为1.1，根据胶充经验及参数，胶结料浆凝固系数取0.8。

2.2.3 充填倍线

从-370m水平充填倍线：1400/400=3.5

从-430m水平充填倍线：1500/460=3.26

地表钻孔充填倍线：400/290=1.38

最大倍线能够满足自流料浆的要求，料浆可沿线路自流至井下各充填地点，如加速充填料浆流速，可采用渣浆泵增压输送。

2.2.4 滤水

滤水是胶结充填的重要环节之一，能否及时滤水对充填体强度、凝固期及密闭墙承压高度具有至关重要性。滤水管合理的敷设不仅可以将水滤出，还可以推测浆面的位置。

放水管的选择：根据胶充配比、实际滤水量及井下密闭墙分布情况，确定放水管。理论推算充填1×104m3胶固体需滤出水1654m3，在充填能力达到8×104m3/月时，每小时需要滤水量为8×1654/30/24=18.4m3，考虑不均衡系数取1.1。根据各泵房的运行记录，-500m以上空区涌水量63m3/h，考虑不均衡系数取1.2，空区整体密闭后空区水需全部由放水管排出，合计水量为63*1.2+19.3*1.1=96.83m3/h。

在水位高取2m时，计算清水流速为6.1m/s。当出水量为96.83m3/h，计算清水流速为13.7m/s，每道墙上有三根管径DN50管路，三个管路满足放水要求。

考虑堵孔等因素密闭墙设置放水管3个，位于密闭墙底、中、顶部，距顶、底板各0.5m一个、中间一个，管径Φ50mm，伸出密闭墙内约40cm，外50cm，外设阀门，阀门强度为2.5MPa。因中段水平密闭墙数量较少，滤水条件相对较差，在安设放水管时增加至4个，以加强放水。

充填到密闭墙位置时放出清水，见泞水时关闭阀门，并设专人看管。

根据充填口位置及现场实际情况，再利用深孔钻机施工放水孔加强放水。

2.2.5 尾砂来源

尾砂来自金岭铁矿选矿厂尾砂[3]及尾矿库尾砂。

3 密闭墙施工工艺

3.1 密闭墙参数计算

密闭墙采用喷射混凝土方式施工，混凝土的强度不低于C15，混凝土配比（重量比）水泥：沙子：石子为 1：1.5：1.5。

从安全角度出发，按照挡水墙理论计算密闭墙厚度，根据矩形隔水墙理论，按粘结强度进行厚度计算[4]。

D=λhab/2mnτ(a+b)（m）

式中：d—密闭墙厚度，m；

a—巷道宽度，m；

b—巷道高度，m；

λ—超载系数，取1.2～1.3，计算时取1.25；

m—工作条件系数，取0.5～0.7，计算时取0.6；

n—粘结强度与抗碱强度比，取0.5～0.7，计算时取0.6；

h—作用在密闭墙的单位压力，MPa；（100米高的充填料浆压力为1.47MPa）

τ—密闭材料的抗剪计算强度，计算时按喷射砼实验数据抗压强度的15%取值（抗压强度8.6MPa），取值为1.29MPa。

密闭墙断面按3.3×3.0m2计算，充填料比重按1.47g/cm3计算；利用各分段施工的密闭墙放水管及补设的放水孔进行放水，充填中能够经过充分的滤放水。因该区域面积大及采准工程实际分段高度，本密闭墙计算按照26m承压高度计算：

d=1.25×1.47×0.26×3.3×3/[2×0.6×0.6×1.29×(3.3+3)]≈0.808m，取 1m。

3.2 密闭墙施工

3.2.1 施工工艺:采用喷射混凝土施工密闭墙,厚度按照设计厚度施工。

3.2.2 剔槽：-310、-370、-430、-500m水平的密闭墙剔槽， 深度为0.433m，来压方向角度60°,那面30°。

3.2.3 密闭墙四周设置锚杆和配筋

锚杆：为加强密闭墙和巷道的粘结强度和安全系数，施工时要求沿密闭墙周遍敷设1排锚杆，锚杆敷设在密闭墙的中间部位，长度1.5m，露出长度0.5m。每道墙需要均匀布置12根锚杆（布置见图1）。

钢筋：在墙内配Φ16@200钢筋网,每道墙需钢筋约140m。法兰盘：为防止墙内管道压力来临时脱出，要求每根管道上设置法兰盘（1道）起阻挡作用。

图1 密闭墙施工剖面图

4 施工要求

4.1 施工前巷道底板要清除余碴至基岩石，并用高压水冲洗干净.

4.2 应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不应低于32.5MPa。

4.3 按照设计要求进行验收。

5 胶充站

两个胶充站胶充能力合计为8×104m3/月。

5.1 胶充工艺流程

压滤尾砂→铲车上料→螺旋搅拌给料机搅拌成粗碎尾砂→皮带运输机运输→立式链条搅拌机加水搅拌成全尾砂浆→立式双向搅拌机加胶固粉搅拌成胶充料浆→放料漏斗过滤→渣浆泵提压→流量计计量→通过胶充管输送至钻孔（钻孔处设放料漏斗）→井下空区

图2 胶充工艺流程图

5.2 胶充站布置示意图

图3 胶充站布置示意图

6 结语

充填有效合理，保证了-500m矿石的回采，同时充填治理的采空区消除了安全隐患，防止了大范围的地质灾害，为具有相似情况的矿山提供了一定的参考价值。

[1]王新民,深井矿山充填理论与技术.

[2]周瑞林,分级尾砂胶结充填在武山铜矿的应用[J].有色金属（矿山部分）,2010,62(3):1-2.