龙塘沿铁矿采场充填挡墙设计优化

白 伟

（芜湖和成矿业发展有限公司）

成熟高效的充填工艺是现代采矿技术的主要研究对象，其本质是单个采场回采结束后，及时对采空区进行充填，以充填体代替矿柱来支撑采场围岩和顶板，为相邻矿房的开采创造安全条件［1-5］。在采空区充填前，需提前对结束回采的采场各凿岩巷、切割巷及出矿进路进行充填挡墙封堵。

1 矿山采充生产系统概况

龙塘沿铁矿设计采选生产规模为130万t/a，矿山自2008年开始基建，2019年开始进行生产，首采矿段为金龙矿区-320 m 中段。矿山采矿方法为分段凿岩、阶段出矿嗣后充填采矿法，采用上行式开采，采场划分两步骤回采，一步骤回采完成后胶结充填，充填体作为二步骤采场的人工矿柱确保二步采安全回采。龙塘沿铁矿采场回采长度42 m，跨度12 m，穿脉保安矿柱为16 m，高度20～60 m，采场底部结构出矿巷设计为“一拖二”式底部结构装矿，即一步骤采场出矿进路设计在相邻2个采场边界中，一步骤采场回采结束后在凿岩巷、切割巷和出矿进路施工充填挡墙，相邻的二步骤采场回采时再利用一步骤采场出矿巷进行出矿，二步骤采场整体回采结束后，只需在凿岩巷和出矿巷口进行封堵即可。采场底部结构采准工程布置示意图见图1。

矿山于基建期在地表建设了1 座充填站，内设1套充填系统，配套1 台ϕ14 m 深锥浓密机、2 座350 m3水泥仓（仓体直径6 m，高度11 m）、2 台高浓度搅拌桶、2 台搅拌机和相应管道系统及控制系统。选厂尾矿输送系统将生产的尾砂送至充填站深锥浓密机，经二次浓缩后由底流泵提升至搅拌系统，水泥仓中的散装胶固粉经螺旋输送机送到搅拌系统中，按一定配比与尾砂浆充分搅拌均匀，最终通过充填管自流输送至井下采空区。

2 充填挡墙设计

龙塘沿铁矿矿床工程地质条件为复杂类型，裂隙较为发育。因此，如何有效地避免充填时充填浆料通过采空区裂隙窜浆是井下安全充填的主要研究方向［6-7］，龙塘沿铁矿技术人员针对不同工程地质条件的采场研究了多种采空区充填挡墙封堵技术，为矿山安全生产保驾护航［8］。

2.1 生产初期采空区封堵设计

生产初期，龙塘沿铁矿组织技术人员对其他类似矿山进行实地考察，为确保充填安全生产，持着保守稳妥的思路，最终将充填挡墙设计为厚500 mm 的钢筋混凝土挡墙。

充填挡墙施工流程：施工前，先确定合适的充填挡墙施工位置，一般选择在安全可靠，裂隙少，巷道顶板完整的出矿进路和凿岩巷。若围岩较差，则需提前对周边巷道进行喷浆封闭，避免充填期间裂隙跑浆。施工时，先对巷道底板清理至基岩，清理干净后进行砂浆灌缝铺底预处理，确保封闭到位。用ϕ20 mm 受力钢筋锚入巷道顶、壁、底部，四周锚入长度不小于500 mm；钢筋网采用ϕ20 mm 螺纹钢，排距为300 mm，ϕ8 mm 钢丝双排绑扎，钢筋之间搭接长度不小于35d，钢筋网间距500 mm。搭接期间预留观察透水管位置，观察透水管按距离底板0.5 m、2 m 位置各布置2 个，管间距2 m。观察管为内径10 mm、长1.2 m 钢管，管壁打孔，孔直径10 mm，孔间距80 mm。墙内透水管先使用1 层新型滤布包裹，再使用2 层麻袋布包裹，然后用12#铁丝包扎牢固。最后再进行混凝土浇筑墙体，厚度为500 mm，强度C20。钢筋混凝土充填挡墙施工示意图见图2、图3。

生产初期充填挡墙设计方案有效地保障了井下采空区充填的安全可靠性，但施工效率低、投资大，直接影响矿山的整体采充生产衔接和成本管控。

2.2 初步优化后采空区封堵设计

一步骤回采采场的开采影响了周边工程的围岩应力，所以在对相邻采场进行掘进施工时，将采场支护等级提高为锚网喷以确保二步骤采场安全回采。二步骤采场空区封堵较为简单，一是挡墙数量少，不需要再在充填进路及切割巷进行封堵；二是采准工程施工提高了支护等级，挡墙选取位置时较为自由。鉴于以上优势，二步骤采场采空区封堵初期将钢混结构挡墙厚度优化为300 mm，钢筋搭接优化为单层，搭接网度500 mm。

初步优化后，在节约成本、安全保障方面取得巨大的成果，实践证明，单层钢筋搭接网度为500 mm、混凝土浇筑厚度300 mm的钢混结构挡墙是安全可靠的。初步优化后挡墙施工进度和成本与前期相比有较大的改善，但还是存在施工工期长，混凝土浇筑效率低等弊端。

2.3 安全高效的采空区封堵技术

随着采场布局的扩大，同期出矿的采场不断增多，导致同一时间出现多个采空区。而充填挡墙施工效率不足致使龙塘沿铁矿采空区封堵出现“卡脖子”问题，需要更加安全、高效的充填挡墙施工技术。

龙塘沿铁矿技术人员又在初步优化设计的基础上对采场充填挡墙设计进行了改良，采用类比法将封堵材料改为红砖砌筑，红砖规格为240 mm×115 mm×53 mm（长×宽×高），整体砌筑厚度370 mm（以下简称三七墙）。砌筑时砖块咬合布置，组砖形式为梅花丁，墙内预埋观察管，安装管道后，用C20细石混凝土进行灌缝填补。挡墙红砖砌筑完成后，在墙体外侧加固一层网度为500 mm 的ϕ20 mm 螺纹钢筋，锚入巷道顶、壁、底部，四周锚入长度不小于500 mm。墙体及钢筋网施工完成后，喷射厚度100 mm混凝土，混凝土强度C20。砖砌三七挡墙结构见图4。

第二次优化后挡墙效果远远超出预期，实践表明，砖砌三七墙在能稳定地保证充填期间的安全可靠性，排水效果显著。施工效率方面，该方案比前2种封堵技术分别缩短了1/2和1/4，该方案在成本方面每年可减少投资达45万元。公司技术人员通过长期摸索、调研，真正做到了技术攻关、降本增效，立足底线思维，为公司长远可持续发展提供支撑。

3 结 论

（1）龙塘沿铁矿在生产初期开始进行采空区封堵技术研究，在确保安全的前提下，多次进行充填挡墙设计优化，为矿山降本增效做出贡献。

（2）砖砌三七墙能有效地确保采空区充填安全生产，同时又具有高效、低成本等优点，此方案目前已被普遍用于龙塘沿铁矿各类采空区、废弃巷道封堵。

（3）安全、高效、低成本的砖砌挡墙施工方案的前提是采场采准工程施工时进行高等级支护，既保证了采场采准工程的施工安全，又提高了采场回采出矿及后续采空区封堵、充填的可靠性，提前消除了采场顶板、空区可能引发的安全隐患。