劉三平

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

尾砂充填技術(shù)在采空區(qū)治理中的應(yīng)用

劉三平

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

采空區(qū)治理可以有效保障礦山生產(chǎn)安全，保護(hù)地表土地資源。針對(duì)某鐵礦0 m標(biāo)高以上的歷史遺留采空區(qū)，運(yùn)用電磁層析法和高精度磁法探測(cè)，采用細(xì)粒尾砂膠結(jié)充填治理，充填料漿濃度為60% ，充填體抗壓強(qiáng)度為3 MPa。采空區(qū)治理后地表沒再發(fā)生塌陷，8個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水平和豎向最大位移值均為11 mm，地表變形趨于穩(wěn)定，治理成效顯著。

采空區(qū)探測(cè) 尾砂充填 位移監(jiān)測(cè)

地下礦產(chǎn)資源的開采不可避免地造成一定的空區(qū)，過去采礦技術(shù)落后，大多采用空?qǐng)龇ɑ虮缆浞ú傻V，留下了大量的采空區(qū)[1]。地下采空區(qū)最大的危害是容易造成整體失穩(wěn)、頂板大面積冒落，從而引起地表的塌陷、開裂，產(chǎn)生巨大氣體沖擊波和地震波，破壞地表的建(構(gòu))筑物，導(dǎo)致房屋坍塌、傾斜、沉陷等，同時(shí)也會(huì)對(duì)井下設(shè)施以及作業(yè)人員的安全帶來嚴(yán)重威脅[2]。因此，對(duì)采空區(qū)的治理是非常迫切和必要的[3]。同國(guó)內(nèi)其他地下開采的鐵礦山一樣，某鐵礦自建礦以來，實(shí)施疏干法治水，主要采用有底柱分段崩落法回采，自然塌落管理采空區(qū)頂板。經(jīng)過多年的開采，0 m標(biāo)高以上已經(jīng)形成了較大范圍的地下采空區(qū)，面積達(dá)25萬m2,地表露天坑及塌陷區(qū)面積為10萬m2。采空區(qū)造成地面陷落區(qū)范圍不斷增加，使礦山對(duì)安全監(jiān)控管理以及環(huán)境保護(hù)治理的工作難度不斷加大，各級(jí)政府、安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門、國(guó)土資源部門都非常關(guān)注，治理勢(shì)在必行。

1 工程背景

某鐵礦礦體頂板多為大理巖、結(jié)晶灰?guī)r，底板為蝕變閃長(zhǎng)巖、透輝石矽卡巖。礦體總體走向30°左右，傾向SE，傾角40°～70°，主礦體走向長(zhǎng)1 800 m，傾向延伸150～160 m，賦存標(biāo)高為0～-400 m，礦體平均厚17 m，礦體厚度變化中等，有用組分分布均勻。

該鐵礦歷年采用崩落法采礦，后膠結(jié)充填采礦法應(yīng)用于鐵礦井下，井下0 m水平以下的新采空區(qū)以充填體支撐采場(chǎng)頂板，不再發(fā)生頂板冒落，從而避免了地表塌陷邊界和錯(cuò)動(dòng)邊界進(jìn)一步擴(kuò)大，較好地保證了地表安全，也節(jié)約了征地費(fèi)用[4]。通過實(shí)施充填采礦法，使礦房回采率由原來的70%提高到90%以上，極大地提高了礦產(chǎn)資源開發(fā)利用水平。目前鐵礦深部礦體保有資源儲(chǔ)量約1 000萬t，按現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模50萬t/a仍可服務(wù)16 a。雖然上覆巖石崩落或自然塌陷對(duì)0 m以上的歷史遺留空區(qū)起到了一定的充填支撐作用，但依然存在大面積采空區(qū)突然冒落的危險(xiǎn)隱患，急需采取安全和環(huán)保綜合治理措施，以盡早避免災(zāi)難性地質(zhì)危害的發(fā)生。為了確保礦山安全生產(chǎn)、有效保護(hù)地質(zhì)環(huán)境和提高資源利用率，決定對(duì)早已形成的0 m標(biāo)高以上的歷史遺留地下采空區(qū)進(jìn)行充填治理。

2 采空區(qū)探測(cè)

采用電磁層析法和高精度磁法探測(cè)鐵礦各勘探線0 m以上采空區(qū)，探測(cè)結(jié)果顯示鐵礦采空區(qū)主要分布在2～21勘探線。采空區(qū)物探結(jié)果見表1。

為驗(yàn)證以上物探結(jié)果可靠程度，用0 m以上實(shí)測(cè)礦體邊界，根據(jù)有底柱分段崩落采礦法的60%回采率來計(jì)算采空區(qū)體積。該鐵礦2～21勘探線0 m以上礦體體積為260萬m3(表2)，根據(jù)60%回采率計(jì)算采空區(qū)體積為156萬m3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算，形成的地面塌陷區(qū)體積為110萬m3,根據(jù)采出礦體體積及地面塌陷區(qū)體積推算，地下采空區(qū)體積大約是46萬m3。與物探探得采空區(qū)體積456 258 m3基本吻合[5]。

3 充填工藝

3.1 充填體性質(zhì)

(1)充填尾砂表觀密度為2.63 g/cm3，堆密度為1.36 g/cm3，總體屬于細(xì)粒尾砂。尾砂中主要礦物為碳酸鈣，其次為綠泥石、閃石、云母、氧化鐵等。

表1 采空區(qū)物探結(jié)果 m3

勘探線2～33～44～55～66～77～88～99～1010～1111～12體積19000130001340614750167582068935300344504090038150勘探線12～1313～1414～1515～1616～1717～1818～1919～2020～21體積28000305003258020000184503157528400150005350

表2 0m以上礦體體積 m3

(2)不同膠凝材料、灰砂比和充填料漿濃度是影響膠結(jié)強(qiáng)度的主要因素。采用現(xiàn)場(chǎng)膠固粉，灰砂比為1∶4，料漿濃度為72.5%時(shí)，28 d膠結(jié)抗壓強(qiáng)度為7.06 MPa，抗折強(qiáng)度為2.07 MPa。

(3)分級(jí)尾砂膠結(jié)效果要明顯優(yōu)于全尾砂，但分級(jí)尾砂料漿的流動(dòng)性能與全尾砂有很大區(qū)別，在生產(chǎn)允許的情況下，可以考慮用分級(jí)尾砂做骨料以保證充填效果。

(4)不同濃度尾礦塌落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)以及充填砂漿流變參數(shù)特性黏度和屈服應(yīng)力測(cè)定表明，流變性能急劇增大的臨界濃度為66%，料漿的最大充填濃度應(yīng)控制在66%左右。

(5)以現(xiàn)有管道直徑條件，料漿濃度在62%以上時(shí)，將在部分水平的管道中無法實(shí)現(xiàn)自流輸送。

綜上各因素，在生產(chǎn)允許的條件下，充填空?qǐng)龅某涮盍现亓繚舛热?0%，充填體抗壓強(qiáng)度為3 MPa，充填體強(qiáng)度基本達(dá)到了最大，高于國(guó)內(nèi)大部分充填礦山的充填料強(qiáng)度，工程性能較好。充填料進(jìn)入充填區(qū)后，部分水脫出。充填體物理性質(zhì)見表3。

表3 充填體物理性質(zhì)

3.2 封堵墻設(shè)計(jì)

封堵墻主要布置在與主井、副井相連巷道處，按照0,+10,+50,+100,+150 m標(biāo)高依次封堵水平巷道。墻體有滲水、墻內(nèi)情況不明的已有封堵墻要在墻體上部打眼，先探明墻體內(nèi)情況并放水，拆除墻體上部，再觀察巷道內(nèi)情況，逐步清除墻體；主要采用人工清理，將泥漿裝入編織袋，堆放在廢棄巷道內(nèi)。在有積水的位置砌筑墻體時(shí)，要先清理積水再運(yùn)料封堵；對(duì)于需保證通風(fēng)行人的穿脈巷道，采用鋼筋混凝土預(yù)制管封堵，先清理好穿脈，然后運(yùn)入規(guī)格為φ1.5 m×1 m的鋼筋混凝土預(yù)制管，用水泥砂漿將各個(gè)管件連接好，保證不留縫隙，然后砌筑厚度為1 m的混凝土墻，墻兩端需預(yù)先埋設(shè)排漿管。

封堵墻材料采用鋼筋混凝土，厚度均不低于1 m。灌注混凝土前首先用φ8 mm鋼筋編制成網(wǎng)。邊槽槽深在30 cm左右，剔槽后分別在槽中的兩幫、頂板、底板分2排均勻打入φ40 mm×(1 000～2 000) mm圓鋼，每排2根。混凝土水泥、沙、石子的質(zhì)量比按照1∶2∶3施工?；炷疗鲋┕?yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，施工后的墻體基本無跑漿，達(dá)到封堵要求。

3.3 施工過程

該鐵礦井下采用膠結(jié)充填采礦法，每年選礦所產(chǎn)生的幾十萬噸尾砂全部用于井下充填，不僅起到了治理采空區(qū)維護(hù)地表穩(wěn)定的作用，而且環(huán)保綠色，有利于礦山的可持續(xù)發(fā)展[6]。其充填工藝流程見圖1。

圖1 充填工藝流程

根據(jù)采空區(qū)探測(cè)結(jié)果，考慮充填料漿自然流動(dòng)擴(kuò)散半徑，結(jié)合地表地形，布孔的勘探線間距選取24～30 m，這樣在2～21線初步擬定40條勘探線(有局部加密和個(gè)別地形受限調(diào)整的情況)上布置充填鉆孔，每條線大致需1～3個(gè)孔，共需施工充填鉆孔53個(gè)，其孔深在40～200 m不等，設(shè)計(jì)充填鉆孔5 000 m，檢查孔8個(gè)，進(jìn)尺850 m。整個(gè)采空區(qū)設(shè)計(jì)鉆孔61個(gè)，總進(jìn)尺5 850 m。

4 位移監(jiān)測(cè)

通過以上檢查孔檢驗(yàn)，揭露采空區(qū)的8個(gè)孔中有6個(gè)充滿充填體，2個(gè)孔未充滿，且揭露空區(qū)高度較小，證明地下采空區(qū)充填密實(shí)，采空區(qū)膠結(jié)充填率在90%以上，達(dá)到了預(yù)期效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證治理效果，在地表進(jìn)行長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè)，記錄地表各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的位移變化，結(jié)果見表4。

表4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移匯總 m

觀測(cè)點(diǎn)號(hào)X位移Y位移水平位移垂直位移6#-0.0080.0070.0110.0111#-0.0020.0050.0050.00320#0.005-0.0050.0070.00621#-0.0050.0060.0080.00322#0.001-0.0060.006-0.00523#0.0010.0020.0020.00210#0.009-0.0010.009-0.00215#-0.003-0.0080.009-0.009

從表4可以看出，地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量不大，水平最大位移為11mm，垂直最大位移也為11mm，垂直位移以向下為正，向上為負(fù)。治理后地表未發(fā)生塌陷，而且變形量較小，趨于穩(wěn)定。鉆孔充填取得了良好的效果[7]。

5 結(jié) 論

(1)采礦遺留空區(qū)是礦山重要的危險(xiǎn)源，采空區(qū)治理是非常重要的一項(xiàng)工作。以60%重量濃度、3MPa抗壓強(qiáng)度的細(xì)粒尾砂膠結(jié)充填體，對(duì)約46萬m3的探測(cè)空區(qū)進(jìn)行完全自流式填充，總鉆孔進(jìn)尺為5 850m，充填后8個(gè)月地表監(jiān)測(cè)數(shù)顯示，水平和豎向最大位移均為11mm，該礦采空區(qū)已趨于穩(wěn)定，有效防止了地表塌陷，取得了較好的治理效果。

(2)尾砂膠結(jié)充填技術(shù)解決了尾砂的排放問題，減少了耕地占用和環(huán)境污染；尾砂和廢石的有效利用，節(jié)約了大量的河砂資源，解決了充填的原料問題，大大降低了充填材料成本；為建設(shè)綠色礦山提供了重要的借鑒。

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2015-03-20)

劉三平(1988—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。