某小型矿山老采空区三维扫描及充填方案研究

夏钢源 李树建，2 刘 娉 王孟来，2 陆玉根

（1.云南磷化集团有限公司；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

某小型萤石矿矿区地处闽北山区，地形属于低山地貌，区内植被发育，地表风化较强，基岩露头较差。矿山开采矿种为普通萤石，生产规模6 万t/a，开采方式为地下开采，竖井+平硐开拓方式。矿山一直采用空场法进行回采，采场内留设顶底柱，沿走向相邻采场留设矿柱，随着多年开采，目前已形成各水平采场及采空区，其中主井两侧近地表形成了较大范围的采空区，若采空区发生垮塌将影响主井使用。矿山如果继续在下部开采，矿区近地表将形成的塌陷区范围在强降雨条件下可能进一步扩大，部分降雨易流入塌陷区，对下部中段的生产造成严重影响。为掌握井下采空区的分布及形态，本研究对可探测的空区首先采用先进的空区探测设备进行空区扫描得到空区的准确形态；再结合扫描及推测的空区形态位置采用超高水材料进行充填处理。

1 井下空区扫描

本研究采用Maptek I-Site SR3 型三维激光扫描仪重点针对主井两侧近地表形成的较大范围的采空区进行探测扫描，若采空区发生垮塌将影响主井使用。248 m 水平以下可进入探测扫描的区域为233 m水平，该水平扫描空区有2 个分别为233-1 空区与233-2空区（图1）。

空区平面分布如图2 所示。经计算：233-1 空区体积约4.5 万m3，233-2 空区体积约2.2 万m3，可见空区已不同程度塌陷，距离主井最近处已不到20 m。

2 高水充填原理

超高水充填材料是一种水体积分数可高达97%（水灰比为11∶1）的矿用新型充填材料；以固化“水”为主要支撑体系［1-3］。近年来，该型材料在矿山充填开采和防灭火方面得到了应用。该型材料一般由A、B 两种物料组成，为了更好地满足井下充填的强度需求，可采用A 料与B 料相互搭配使用。A 料主要由矿石、铝土等单独炼制，搭配复合超缓凝分散剂制成；B料采用石膏、石灰以及复合速凝剂配比而成。

矿山充填可选择性材料较少。以钙矾石为主的超高水充填材料混合物水化产物的出现，则有效解决了该问题。原因在于钙矾石通常可以大量吸收周围水分，转化为自身的结晶水。在水化结晶的过程中，体系的胶粒不断变小，由于结晶过程中，结晶动力大于胶体动力，则导致晶粒不断增大，最后形成了一个坚固的钙矾石网状形骨架。这种网状形骨架吸水能力极强，可以使浆体快硬化。该类极高的凝结性和固水率特性，极其适合于矿山充填。

超高水充填材料的强度特性为：

（1）强度可随意调节，能速凝早强。采空区、破碎矿废石缝隙以及采场暴露期有很多新裂隙，只要通过科学配比参数，就可以让A料和B料在保证其自身流动性能不变的情况下，又能够让A料和B料在混合时，可以对这些裂隙进行较好地充填。尤其是这种超高水材料混浆可在3～30 min 内快速凝结。其固结体即使只有1 d 抗压强度，最终也能达到50% 以上，7 d 最终抗强度可到95%。随着这2 种材料配比的改变，其单轴抗压强度最高可达12 MPa以上，最低也有0.1 MPa左右。

（2）再胶结与强度再生性。超高水材料的再胶结与强度再生特性十分有优势。普通的材料往往达到固结体极限，便会断裂而无法使用。超高水材料则完全不同，随着外力不断增加，原本被压密的孔隙，在达到固结体屈服极限时，便会造成一部分枝状晶断掉，但是当承压稳定后，断裂的晶体就能再生，会将之前断掉的枝状晶体修复好，强度优势愈加明显。

（3）“喜水性”及微膨胀性。超高水材料的“喜水性”表现在：当A、B 料固结体浸泡在水中时，会持续发生发应，使材料强度不断增强，网状密度不断加大，这是由于固结体内有部分A、B 材料未被完全水化所致。作为较理想的充填材料，超高水材料形成的固结体体积不会缩小，反而会随着反应的变化，呈现微膨胀的趋势。

3 矿山充填方案研究

目前该萤石矿井下空区较多分布较复杂，形成时间较长，且界线不明确，空区间的矿柱及巷道大多冒落塌陷，且矿山无选厂缺乏尾砂等充填材料。这种条件下比较适合进行超高水充填，该系统具有建设成本低、布置灵活、占地少、自动化高、充填效果好等特点，通过在井口布设一套超高水充填站，确定好充填空区位置后由地表钻充填孔至空区，制浆混合后经充填钻孔下放至空区内。由于充填体水的体积占比可达97%，可大大节省充填材料，有助于解决目前矿山无充填材料的问题，同时浆体流动性好，可充分填充各个联通采空区、破碎岩体缝隙。充填体具有不可压缩的性能，可充填至空区顶板，能很好地控制地表沉降变形，也能有效避免空区内岩体冒落对井下造成的地压灾害。目前，矿山采空区内不同程度地留存着部分矿石，首先充填的浆液将与矿石混合，未来下部回收矿石时，矿石与充填体将一同放出，只需堆置在地表一段时间，矿石与充填体即可自动分离，确保回收矿体安全。

本研究设计的一套超高水材料充填系统由A、B系统构成，2 套设备完全相同，将其布设于空区上部工业场地。每条生产线都是由搅拌主机、配料装置、卸料装置、气路控制系统、电器控制系统等构成。将A 料浆体和B 料浆体首先在地表充分混合，然后钻孔到下方至空区，完成充填。制浆过程为：将A 料、B 料以及水分别送入A料浆体搅拌机和B料浆体搅拌机，将A 料和B 料分别与水充分混合，再分别进行储存。按照1∶1 比例将A 浆与B 浆进行混合，就能得到超高水充填浆体。在地表钻孔，将超高水充填浆由成品储浆装置中，下放至充填空区。具体工艺流程如图3所示。

配比搅拌工艺过程为：①上料称料。A、B料通过泵车泵送至各自的料仓中，水经过水泵泵送到水称重斗中。②放料。首先确定各种物料的上料称重过程是否已完成，再判断搅拌机处于空机状态并且下料口为关闭。同时满足上述2种状态时，打开卸料阀将称量好的各种物料快速投放到搅拌机内。③搅拌。④放浆。当搅拌过程完成，搅拌机的放料口自动打开，将搅拌好的浆体放入料浆缓冲斗内，浆体通过输送管道自流到地表充填钻孔［4］。

综合考虑生产能力、目前充填水源供给方式，新建的超高水充填站的充填能力为200 m³/h。设计该套设备的总装机功率为2×200 kW，380 V电压，系统主要由上料各系统、制浆各系统、卸料各系统级储浆系统组成，可完全自动化控制，在相同时间内制出相等量的A和B料浆体。其中上料系统由粉料仓、粉料配料装置、水称重装置构成，制浆系统由2 台搅拌主机组成。卸料装置由卸料装置由翻板结构、驱动气缸、粉料滴管等结构组成。A、B2 种料浆通过混合三通混合后下放至地表充填钻孔内。混合前的输送管采用型号为φ100 mm×1.65 MPa 的PE 管，混合管采用型号为φ130 mm×1.65 MPa 的PE 管。混合三通为配套型号的异径PE混合三通。

根据该充填能力，目前威胁最大、影响地表和主井安全的233 m水平两大采空区不到2个月即可全部充填完毕，保证地表建构筑物和人员的安全。

4 结 论

（1）采用三维激光扫描技术对空区进行精准探测，确定空区形态位置，再配合建设成本低、布置灵活、占地少、自动化程度高的超高水充填工艺对采空区进行充填，是解决小型矿山老空区处理问题的有效途径。

（2）针对某小型萤石矿井下空区面临的分布复杂、形成时间较长、界线不明确、大多冒落塌陷，且矿山无选厂缺乏尾砂等充填材料等的问题，研究采用超高水充填工艺，所构建的充填系统具有建设成本低、布置灵活、占地少、自动化高、充填效果好的特点，可通过井口布设一套超高水充填站，确定好充填空区位置后由地表钻充填孔至空区，制浆混合后经充填钻孔下放至空区内。

（3）针对小型萤石矿充填现状，设计新建的超高水充填站的充填能力为200 m³/h。设备的总装机功率为2×200 kW，380 V 电压，系统主要由上料各系统、制浆各系统、卸料各系统级储浆系统组成，完全实现自动化控制。根据该充填能力，目前威胁最大、影响地表和主井安全的233 m水平两大采空区不到2个月即可充填完毕，有效确保了地表建（构）筑物和人员的安全。