某黑钨矿采空区废石充填研究

曾凡珍，石求志，郑建新

（1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000；2.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500；3.金川集团，甘肃 金川 737100）

某黑钨矿采空区废石充填研究

曾凡珍1，石求志2，郑建新3

（1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000；2.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500；3.金川集团，甘肃 金川 737100）

采用空场法回采的黑钨地下矿山，其废石堆放与采空区处理是矿山生产中的两大难题。某大型黑钨矿山经多年开采已形成近200万m3的采空区量，目前多个中段出现部分巷道开裂、垮塌和冒落，一些采场出现了夹墙倒坍，个别采场造成上采困难等地压活动现象。文章介绍了对该矿山废石充填的工艺规划、充填废石料制备、充填料的运送与工程布置及其充填施工等问题的研究，并进行了充填效果分析，给出了废石充填技术要点。研究表明，废石充填具有工艺简单、成本低，能减少废石的排放和工业场地占用量，有效降低废石排运成本和场地租用费用等诸多优点，在矿体形态复杂、高地应力区域矿体中实施效果更明显，更具有推广价值。

黑钨矿床；地下矿山；采空区；废石充填；地压

0　引言

黑钨地下矿山的回采基本上是采用空场法[1]，随着采区的延深和采空区量的增多，采空区开采带来的危害日趋明显，尤其是采区的地压活动将直接影响到矿山的生产安全，因此，采空区处理备受企业和业内人员的重视。传统的黑钨地下矿山采空区的处理方法主要有放顶贯通地表、崩塌采场夹墙和顶底柱等达到消除应力集中和卸载的目的，以及封闭采场出口等对采场进行隔离的形式[2-3]。实践证明，这些传统方法在处理上半部采区的空区效果较为明显，然而随着采区的延深，显现出了其方法的不足与不适用。由于废石充填具有可减少工业废料排放、效果明显、成本低和工艺简单等明显的优点，近年来，已在相关企业得到了较好的推广应用。

1　矿山概况

某黑钨矿山是一个大型石英脉黑钨矿床，工业矿脉24条，按不同的走向，可分为六组：东西组、北东东组、北西组、北北西组、北东组和北西西组，其中东西组最为主脉带。各组矿脉在平面上相互交叉产出，构成似“米”字型（见图2）。矿区围岩主要为浅变质的灰绿色石英细砂岩夹不稳定的板岩、砂质板岩和粉砂岩，矿岩致密坚硬，矿体顶底板围岩主要是砂岩，其次是板岩，矿岩稳固。但区内断裂发育，在层理、裂隙及构造发育带内，其强度会大大降低，对矿岩稳定性影响较大。矿区水文地质条件属简单型，矿区内无主要含水层分布，附近无大的地表水体。

矿区共设的中段有330m、380m、430m，485m、535m、575m、615m、657m、700m、740m、805m等11个中段，中段高度为50m左右，485m中段为主平窿，其中485m中段以上采取平窿加溜井开拓；485m中段以下采取平窿加盲竖井加斜井开拓；采矿方法均为浅孔留矿法。目前，330m、380m和430m中段为矿区主要生产中段。采空区除了极少部分采空区采取过废石充填外，极大部分未作处理，经统计矿区已形成的采空区量已近200万m3。近年来，380m、430m、485m中段出现部分巷道开裂、垮塌和冒落，一些采场出现了夹墙倒坍，个别采场造成上采困难等地压活动现象。

2　采空区废石充填工程

2.1工艺规划和方案

矿区485中段以上采空区较为稀疏、覆盖层较厚、植被保护较好，在未受下部中段采矿等外界因素的影响下，能保持自身的相对稳定，地压活动不明显。而330m、380m和430m中段为矿区主要生产中段，地压活动明显，危害大，应优先充填。目前尽可能维护485m及以上各中段老采空区的稳定，重点充填430m、380m与330m中段采空区，待下部采空区处理好了，再进行上部中段的残采等生产活动。

380m中段位于矿床中部，矿脉最为密集、厚大，为应力最为集中地段。因此，将该中段设计为上下（新老）采区的隔离缓冲中段，保证该中段的稳定对整个矿区的稳定至关重要，为采空区重点处理中段。根据现场调查和地压研究结果，由于2～3线采空区密集、夹墙薄，采场稳定性差，应加大充填力度，为重点充填区域，充填系数0.7以上；2～6线采空区较为稀疏，普通充填，系数0.4～0.5。

图1　矿区开拓系统图Fig.1　Exploration system diagram of them ining region

图2　380中段废石充填规划图Fig.2　W aste rock filling plan for the380m iddlesection

430m中段3～7线采空区较为密集，重点对体积较大、靠下盘的采空区进行一般性充填，系数0.4～0.5。

330m中段2～5线采空区较为密集，一般性充填，系数0.4～0.5。

330m水平以下，由于矿脉呈收敛之势，矿脉条数变少、间距变大，因而采空区较为稀疏，夹墙相对较厚，采场稳定性稍好，仅对2~5号勘探线间采空区进行普通充填，充填系数0.3～0.4；岩性条件差、采空区相对密集和下盘采空区可适当加大到0.5～0.6；对两端采空区小、围岩相对稳固的采场，采取封闭其相关出口的方式进行处理；对两端采空区大，围岩稳固性差的采场，采取崩落采场间夹墙及顶底柱，或利用井下废石充填采空区，充填系数0.3～0.4。

2.2充填废石料制备

充填废石块度要求不高，能通过充填下料口下到采空区即可。但最好各种级别搭配均匀，以减小沉降率，提高充填效果。废石主要来源于下部中段开拓工程产生的废石、采准工程施工产生的废石、矿石出窿前初选废石和选厂初碎后剔除的废石。

基建（开拓、采准）产生的废石。是充填废石的主要来源，占废石充填料的70%以上。但这部分废石的块度相对较大，并且不均匀。

井下矿石中剔除的废石。由于回采过程中产生贫化，部分废石已混入到了矿石中，这些废石以往被运至选厂，在选厂的手选工段被剔除，现往往在井下设初选工段，将部分废石剔除。据统计，这部分废石约占出窿矿石总量的8%～25%，能剔出作为充填料的约10%左右，并且块度较大。

选厂初碎后剔除的废石。选厂初碎后剔除的废石，这部分废石块度相对较小，并且均匀，有利于减小沉降率，提高充填效果。通常占充填料的20%左右。

部分矿山出于种种原因，主要是利用基建生产的废石进行充填。但由于基建生产的废石块度较大，并且不均匀，沉降率大，导致充填效果不理想。因此，建议在废石充填采空区时，加15%～20%选厂粗破产生的废石。

2.3充填料的运送与工程布置

废石充填系统比较简单，主要包废石的运输、提升和采空场下料等环节，虽然不像胶结充填系统那么复杂，但也必须纳入矿区生产统一设计管理，有利于充填运输通道一同在采准工程施工中设计与施工，如充填溜井和采场充填下料口等，以便在采场结束后及时进行。工程布置如图3所示。

充填溜井：废石充填溜井断面一般为矩形，具体大小将根据充填量确定，可以选择垂直布置，也可以选择倾斜布置，布置在充填空区集中附近，并且岩体稳固和对生产干扰相对较小的地段。

图3　采场废石充填工程布置示意图Fig.3　Layout diagram ofwaste rock filling

采场充填下料口：应布置在上中段靠充填采场最近的下盘沿脉巷道临近采场的一侧，进料口原则上不少于两个，其间距15～20m为宜。要求与采准工程同时设计，在采场回采时形成；若采空区未形成进料口，应在采场充填前形成，可以使用浅孔凿下向孔形成或采取中深孔等其他方式形成。进料口的断面（宽×高）取2m×1.5m，以利于装载废石的矿车能侧卸将废石卸入采空区内。

具体废石充填运送为：通过竖井提升到485中段，然后由电机车运至充填溜井，下溜至各充填中段后由电机车运至各采空区进料口，由进料口进入充填采场。此外，充填废石的运输可能存在逆向运输，为确保运输安全，可以适当减少运载负荷，严禁机车超负荷运行。

2.4采场充填施工

施工前，设计施工人员应对采场及周边情况进行一次全面排查，以准确掌握采场情况，尤其是采场空区的结构参数和周边的安全情况，以便在设计、施工中采取有效措施，做到合理设计和安全施工。同时，必须对采场设计充填高度以下的采场出口进行封闭，对采场垮塌等不稳固地段进行加固。采场底部出口，如采场底部出矿漏斗可采取钢筋混凝土进行封闭；采场边侧出口可以采用混凝土封闭。进料口必须设置安全防护栏。防护栏可以采用废钢轨、钢管等钢材焊制成，钢材型号能确保起到防护安全为原则，网度300mm×500mm。具体可参照矿山溜矿井防护设施进行制作与施工。同时，设置警示标志，预防人员与设备误入采空区等安全事故的发生。

采场废石充填时，为减轻进入采空区的废石块度分级，减小对采场两端间柱的破坏，采场充填时，为尽可能减小进入采空区的废石滚动距离，要求最初从采场两端进行充填，并且在整个充填过程中，采场两端超前中间部位。对于充填施工结束后的采场，要求定期进行安全检查，发现隐患，及时妥善处理。采场充填施工时，必须加强施工安全管理，确保施工安全[4]。

3　充填效果及讨论

3.1充填效果

矿区废石充填施工从2009年下半年开始，分别对两个中段十三个采空场进行了废石充填，充填采空区8.25万m3。通过有序的废石充填处理采空区，井下各类工程，特别是已充填的采场空区周边巷道、采场地压活动得到了明显的控制，采场上采和放矿难的现象有了明显的好转，尤其是上中段采空区垮塌等地压现象得到了有效遏止；此外，由于废石进入了采空区充填，井下生产的废石做到了不出窿，每年节省了运输费约12万元，同时还减轻了井下提升运输的负担，对于保证矿山产能稳定起到了积极作用。

表1　采场充填量统计表Tab.1　Statistics tableof stope filling

废石充填虽然不如胶结充填效果好，但实践证明，对地压活动同样可起到明显的抑制，大范围的地压活动可以得到控制。由此可认定，废石充填虽然没有原生矿岩，以及其他胶结充填对采区稳定的作用效果，但也具有其功能[5-6]。

3.2废石充填技术要点

废石充填的目的主要是处理采空区和解决废石的排放难题，因此，在进行废石充填采空区时，应当根据采空区的技术条件和矿床开采状况，结合采空区地压处理进行。由于生产中产生的废石量是有限的，并且废石的产出与采空区充填难于达到百分之百的平衡，通常井下废石产出量难以满足充填的需要，所以，在采空区进行废石充填的实际操作时，应合理处理充填时间、充填空区位置，充填数量与单一采空区的充填系数等，应进行合理充填规划，否则，不但不能达到处理采空区与地压活动的目的，还会加剧采区的地压活动，扰乱生产秩序[7]。

（1）充填部位：充填的合理部位应该选择在受采动影响较大，即采空区密集、地质构造弱面等岩体应力集中的关键部位，在这些部位集中充填，相对而言可以控制采动影响范围的扩大，否则难于达到理想效果。

（2）空区充填率：充填率是一项重要技术指标，直接影响空区的处理效果。有些矿山用废石充填空区的充填率只有50%～60%，有的还低于此值，这样空区虽然已充填，因充填体压缩沉降，充填后空区夹墙的暴露面达到30%～50%以上，没有达到充填的必要效果，空区夹墙仍然欠稳定，其次，夹墙的局部片落大块，堵塞于空区中，影响充填效果。因此，为改善夹墙的受力状态，使充填体有效地约束夹墙，要求重点区域的充填系数达到0.7以上，普通区域不小于0.5。

（3）充填时间：岩体受采动影响，一般移动是随时间增长而扩展的。废石充填密集脉群采空区，作用在于控制岩体移动及范围的扩大，矿柱和空区之间夹墙以及两帮在充填体的约束作用下，特别是夹墙尚未产生变形破裂以前充填，它的受力状态得以改善、稳定性得到提高。当围岩和夹墙等破裂以后充填，这表明岩体已经产生了移动，这时进行充填，整体强度大大削弱。在夹墙两侧充填不均衡的条件下，还会加剧夹墙的破坏和倒塌。因此，单一采场充填，应在采空区围岩未发生大的变形时前进行，最好是采场出完矿后马上进行。

（4）充填料制备：有些矿山仅利用井下现生产出来的废石作充填料。试验资料表明，松散废石充填空区，它的沉降率可达到10%～20%，仅利用井下现生产出来的废石作充填料，沉降率可超过20%。因此建议在井下直接生出来的废石添加20%选厂初碎后剔除的废石，有条件可添加10%尾砂或河砂，即三者的配比比例为7∶2∶1。

（5）施工方法：施工方法是决定充填效果的重要环节。大多数矿山未引起重视，认为废石进入采空区就完成了，其实不然，任何一个采区的各个采场的结构均不一样，外部环境与实施条件也各不相同，如果不讲究正确的实施方法，不但会影响充填率等充填质量，而且会损坏采场矿柱、夹墙，达不到预期目的[8]。

4　结语

（1）对进入深部开采的某黑钨地下矿山的采空区进行了不同程度的废石充填处理，实践表明，合理与规范性充填的矿区，对采区的地压活动控制起到了明显的效果。

（2）废石充填，可以使废石不出窿，提升能力得到充分解放，间接地提高了井下提升能力。同时可减少工业固体废弃物，对于保护矿山的生态环境具有积极的作用。

（3）废石充填与胶结充填相比，虽然充填效果存在一定的差异，但由于具有工艺简单、成本低，并且还能减少废石的排放和工业场地占用量，有降低废石排运成本和场地租用费用等诸多优点，在矿体形态复杂，如脉钨分枝复合频繁的矿体，高地应力区域矿体，如厚大矿体矿柱效果更明显，更具有推广价值。

综上所述，采空区采用废石合理充填，对于提高矿山的安全生产水平、资源的利用率和企业的经济效益，以及保护生态环境，促进企业的可持续发展具有重要作用。

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W aste Rock Filling for the M ined-out Area in a W olfram ite M ine

ZENGFan-zhen1,SHIQiu-zhi2,ZHENG Jian-xin3

(1.Ganzhou NonferriusMetallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.JCHXMiningManagementCo.,Ltd.,Beijing 101500,China；3.Jinchuan group,Jinchuan 737100,Gansu,China)

The piling and goaf treatmentare twomajor problemsofmine production ofwaste rock for the open stope mining technology in the underground wolframite deposit.Ground pressure phenomena such as roadway crack, collapse and caving were observed in some stopes due to large sized mined-out area after decades ofmining in a wolframite.This paper introduces the waste rock filling process planning,preparation of filling waste rock,filling material transport arrangements,filling construction and engineering and other issues,and the filling effect by analyzing waste rock filling techniques.Research results show that waste rock filling has the benefits of simple process and low costby reducing emissions ofwaste rock,industrialwaste rock site occupancy,transportation costs and waste rock row space rental costs.The technology is deserved to be promoted especially in complex ore body morphology and highland stressareas.

wolframite deposit;undergroundmining;goaf;waste rock filling;ground pressure

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.04.006

TD862

A

2014-12-16

曾凡珍（1966-），男，江西南康人，高级工程师，从事采矿工艺研究工作。