武山铜矿胶结充填技术应用问题探析

685 编辑：中冶有色技术网来源：江西铜业股份有限公司武山铜矿

2023-02-22 14:02:27

1引言

2007年8月武山铜矿完成了北矿带胶结充填站的基建工作，同年10月在北矿带E4盘区首次进行胶结充填试验。08年底矿区北矿带15个采场全面投入胶结充填。在多年的实践应用中，胶结充填体离析脱层、充填体开裂、充填体不能接顶、倒挡水墙、采空区高温等现象给该矿的安全生产造成重大影响，该矿工程技术人员通过长期技术攻关，通过加固挡水墙、预埋排水管、多点均衡投料、充填管头打顶柱、增加小竖筋、布设回风道等技术措施，有效解决了胶结充填体应用难题，确保了安全生产，提高了台班台效。

2 充填工艺现状[1]

选矿后全尾由泵输送至充填站立式砂仓顶部旋流器，通过旋流器分级后进入砂仓，砂仓底部通过风动造浆自流至搅拌桶内。水泥通过螺旋给料器按设计量输送至搅拌桶内，同时加入定量的水充分搅拌。待搅拌桶内浆料浓度(重量比浓度)达到70%后，开始下料，浆料由明槽经主充填管路进入采空区内。采空区底部按1:4灰砂重量比进行充填，充填高度为采空区高度的一半。上部按1:8灰砂重量比进行充填。下部充填结束后，清洗干净充填管理，采空区内浆料沉淀4小时候，排干采空区内充填水;然后充填上部分，充填浆料沉淀2小时候，用尾砂补充剩余采空区。充填前后，放水清洗干净管路。[2]充填工艺流程见图1

图1 胶结充填工艺流程图

3胶结充填应用中存在的问题

3.1采空区胶结充填体容易脱层，危害作业人员安全，消耗大量坑木支护。

3.2面积超过80㎡的采空区充填后，充填体会产生离析分层现象，降底了充填体强度。

3.3充填管头下料区域，灰砂分离现象严重，充填体无强度，易造成冒顶现象发生。

3.4胶结充填采场温度较高，严重危害作业人员身心健康，降底劳动效率。

4原因探析及技术措施

4.1采空区胶结体脱层原因分析及采取的技术措施:

4.1.1采空区内胶结体没有及时脱水,影响胶结充填体强度;[3]

胶结充填体脱水对胶结充填体的强度具有很大影响,充填体中多余的水会明显降低充填体的强度。由试验可得出水泥含量不同的两组试块脱水时间变化的规律。试验结果如下：

上述试验结果绘成的曲线图可以看出，在7天内，强度随着开始脱水时间的延续成增大趋势，在7天至21天内，强度随着开始脱水时间的延续呈减少趋势，超出21天后，强度随开始脱水时间而下降，直至为零。

该矿工程技术人员，通过大量现场试验，采取如下措施克服了脱水不及时造成的顶板脱层现象：

1胶结充填挡水墙底部、1.8米、2.0米、2.2米、2.4米位置埋设塑料管排水，充填挡水墙用钢筋混凝土加固,厚度300mm。现场值守充填时，一期充填料浆进入采空区内，让底部排水管排水，等底部排水管不能排水时，用木塞子堵住排水管，防止跑浆。一期充填结束后，待采空区内胶结充填料浆沉淀4小时候，打开排水管排水，及时排干净胶结充填体内多余的水后，方充填第二期。第二期充填结束后，沉淀2小时，然后通过观察口尽量放出二期充填体内的水，最后用尾砂补充填剩余采空区。充填挡水墙墙排水系统布置如图2所示

图2 胶结充填挡水墙排水系统布置图

2 充填挡水墙外，设置双闸阀排水，避免胶结充填前后洗管水进入采空区内。充填准备时，打开排污闸阀，关闭进料闸阀(开关阀)，等洗管水料浆浓度适当时，打开进料闸阀，关闭排污闸阀，正常充填。充填结束后打开排污阀，逐步关闭进料闸阀，确保进料闸阀以及采空区内充填管路畅通。双闸阀布置所图3所示

图3 胶结充填双闸阀布置图

3杜绝一期充填过程中出现事故停机。事故停机后，处理事故耗时较长，采空区内胶结充填料浆已发生化学反应，后期充填料浆沉淀后，接触面形成弱面，不能凝结在一起，造成下分层打开后出现脱层现象。出现事故停机现象后，该矿及时组织相关人员对已充填的料浆进行清除，重新做充填准备，待准备工作结束后，再次对采空区按规定充填。

4.1.2优化竖筋与钢筋网参数及连接方式。

该矿工程技术人员，结合江西理工大学胶结充填工艺设计参数，对胶结充填采空区钢筋网布置参数进行了优化，钢筋网链接位置增设小竖筋，小竖筋十字交错布置，高度700mm，通过增设小竖筋有效防止钢筋网随着脱层充填体脱落，失去承载作用。[4][5]优化钢筋网布置如图4所示

图4增设小竖筋后钢筋网布置图

4.1.3优化采矿设计，合理布置切回采顺序，确保充填体合理养护时间。

该矿通过多次试验得出，上分层充填7天内在其充填体下进行采矿作业时，其顶板胶结充填体脱层现象严重，甚至会出现大面积垮塌现象，15天后采矿作业，脱层现象明显减少，但部分淋水大的采空区内仍有脱层现象。

因此该矿形成管理制度，规定顶板胶结充填体最低养护时间为15天，15天后方能进行下一分层的切回采工作。

4.2大面积胶结充填离析分层原因及技术措施:

4.2.1面积超过80㎡的采空区充填，充填管端部距离掌子面5米，充填料浆从端部管口出，落入采空区，坡积现象严重，充填料浆沿着堆积起来的充填料浆逐步溢流，最终填满空区。因此采空区各区域不能实现均衡投料，是造成胶结充填体离析现象发生的主要原因。

其次进路式采矿，面积过大，采空区易存在底板坡度过大、坑洼不平现象，充填过程中引流水进入坑洼处已经较低位置，也是出现胶结充填料浆离析的原因之一。

4.2.2针对这一现象，改进了采空区内充填管路布置和投料方式，每隔3—5米(根据采空区长度确定，采空区长度在18-35米内取大值，18米内取小值)用电钻打泄料孔，孔径3cm，实现多点均衡投料[6]。充填管多点均衡投料如图5所示。

图5 多点均衡投料示意图

4.2.3确保采空区内底板平整，进路尽量接近平坡。该矿成立胶结充填质管组，主要负责胶结充填前的准备工作检查与管理，发现底板坑洼、高差较大现象，及时平整和降坡，确保采空区底板平整。

4.3充填管头下料区域离析原因及技术措施:

4.3.1水力输送胶结充填料浆进入采空区时,料浆沿着管头流出冲击力大,在充填过程中易造成充填料浆扰动。因水泥与分级尾砂密度不一样,水泥随着引流水进入采空区,砂子则易沉积在冲击区域周围，并逐步堆积。因此冲击区内胶结料浆扰动，是造成灰砂分离现象的主要原因。

4.3.2在充填管头出料口施工一根顶柱，充填料浆先冲击顶柱后进入待充填区域，以减少料浆料浆冲击力，缩小冲击区域面积。具体做法为：胶结充填准备前，在采空区充填管头30cm位置，用坑木打顶柱，顶柱直径18—20cm，顶柱需确保施工牢固，防止充填过程中倒塌现象发生。充填时，胶结充填料浆从充填管口流出，冲击到顶柱上，然后落入采空区内。这样有效杜绝了冲击区的产生。[7]如图五所示

4.4胶结充填采场高温产生原因及技术措施

4.4.1胶结充填体中，水泥水化放热(水化热)，造成胶结充填采场温度高，由于普通的压入、抽出式通风不能满足胶结充填采场通风需要，造成大量水化热积累在采空区是胶结充填采场高温的主要原因。水泥水化热的大小与放热速率主要决定于水泥熟料矿物成分，[8]研究表明1Kg普通硅酸盐水泥熟料中单矿物水化热完全水化后放热高达2260KJ，见表2表3

表2 水泥熟料中单矿物水化热 KJ/Kg

表3 水泥熟料中单矿物水化热 KJ/Kg

其次，该矿石含硫较高，平均品味达10%以上，硫氧化过程当中放出大量热，也是造成含硫矿体胶结充填采矿高温的原因之一。

4.4.2通过分析胶结充填产生高温的原因及通常方法难以解决的情况下，，结合作业现场实际，优化通风方式，在进路三角点设置人工回风天井，较好地解决了采场高温问题。即在采场切回采工作即将结束时，在切回采进路三角点位置，用废旧油桶(汽、柴油油桶均可)焊接后布置在采空区内，并引出至采场联络道内，下分层切回采进路施工至回风道位置，割开回风道底部，同时在上分层联络道回风道端部安装辅扇，采用抽出式通风，这样极大提高了采场通风效率，满足了安全生产的需要。回风道施工过程中需确保回风道布置牢固，预防胶结充填过程中回风道浮起，大量胶结充填料浆进入油桶内，造成风道堵塞。其次要注意联络道内布置的回风道油桶端部需密闭，确保胶结充填料浆不外泄，造成污染。在回风道布设时需充分考虑采场大小，采场面积较大，需增加回风道布置数量。回风道加工方式及回风道采场内布置方式如图6所示[9]

图6 下向进路胶结充填采场回风道布置图

下向进路胶结充填采场内布置回风道优点:1采场温度大幅下降，平均降温10。C左右;

2采场炮烟排放时间比过去的单纯抽出、压入式通风减少20分钟左右;3现使用3KW的辅扇做抽风机可比原11KW的局扇节约大量的电力消耗;4、采用回风道通风，极大降底了采场通风噪音。

5.结语

针对矿山胶结充填工艺应用过程中所碰到的实际问题，该矿对胶结充填体脱水时间进行有效控制，优化了排水系统，增设小竖筋，充填管头施工顶柱，布设回风道等有效措施，同时加强采空区充填准备过程中的监管力度，合理开采等技术手段，充分确保了胶结充填体强度的提高，减少了脱层现象，降底了能耗，提高了矿山生产效率，满足了矿山安全生产需求。

参考文献：

[1]谢道晖.武山铜矿充填采矿若干技术问题探讨[J].江西有色金属,2010.3,第24卷第1期

[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),2010.5,第62卷第3期

[3]游安弼.提高采后充填体强度的措施[N].南方冶金学院学报,1991.6,第12卷第2期

[4]林国洪.尾砂胶结充填新工艺在武山铜矿的研究与应用[J].铜业工程，2008,(3)：8

[5]赵奎.布筋尾砂胶结充填顶板力学性状试验研究[J].岩土力学，2011.1，第32卷第1期

[6]谢道晖.武山铜矿充填采矿若干技术问题探讨[J].江西有色金属,2010.3,第24卷第1期

[7]林国洪.武山铜矿分级尾砂胶结充填工艺成功改进与优化实践[J].铜业工程,2009,(4):9

[8]施惠生.硅酸盐水泥水化热的研究及其进展[J].水泥.2009.(12)

[9]林国洪.武山铜矿分级尾砂胶结充填工艺成功改进与优化实践[J].铜业工程,2009,(4):9

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