浅议胶结充填法在金属矿采空区处理中的应用

摘要：采空区的处理是采矿工作中的重要环节。金属矿采空区的方法主要有围岩崩落法、封闭与隔离法、支撑加固法和充填法四种，其中充填法处理采空区既可以保证采矿安全，防止采空区上覆岩层移动，又可以最大限度地开采资源，减少浪费，是前景广阔的采空区处理方法。文章对胶结充填法在金属矿采空区处理中的应用进行了探讨。

关键词：金属矿；采空区处理；胶结充填法；采矿工作；矿区地质 文献标识码：A

中图分类号：TD853 文章编号：1009-2374（2016）12-0145-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.12.068

在地下采矿活动中，将赋存于岩层中的矿体开采出来以后，岩层中将会出现采空区。采空区的出现使得原本由矿体承受的矿山压力转移到了采空区周围的岩体中，使矿山压力重新分布。由于采空区范围一般比较大，如果不及时对采空区进行处理，采空区周围的岩层可能无法承受过大的矿山压力而发生破坏，从而造成大面积冒顶垮落，对井下人员和设备造成极大的威胁。因此，采空区的处理是采矿工作中非常重要的一环，对保证采矿工作持续安全地进行具有重要意义。采空区的处理方法主要有围岩崩落法、支撑法、充填法、封闭和隔离法等，本文拟以一个金属矿为例，探讨胶结充填法在金属矿采空区处理中的应用。

1 矿区地质情况简介

1.1 地层

某金属矿区位于我国内蒙古自治区，矿区地层主要为中元古代辽河群，另有少量中生带和新生代地层，没有古生代地层。辽河群分三个岩组九个岩性段，其中赋存矿石最多的是第一岩组，该岩组原岩建造类型为页岩-砂岩-碳质粉砂质泥岩建造，且下部含有较多的偏酸性的火山岩层，代表一个由海进-海退的沉积序列。而该矿床则产于特定的海进层位中上部的砂岩和碳质粉砂质泥岩建造中，其上部则有少量中-新生代陆相沉积岩系分布。

1.2 地质构造

该金属矿区构造颇为复杂，总体呈NE-SW走向，在地应力的作用下，构造曾发生多次变动，使辽河群呈现出叠加变形的特征。在该矿区的中南部，分布着较多的褶曲，数量有78个之多，褶曲大多呈群分布或呈带状分布，其中金沙湾向斜（Ⅱ1）、狮子山背斜（Ⅱ2）、八家坨向斜（Ⅱ3）、庙儿山褶皱群等是矿区的主要控矿构造，这些构造对矿体起着主要的控制作用（包括控制矿体的形态和空间位置）。

除了褶曲构造以外，该矿区断裂构造也很发育，大小断裂共有82条，主要分布在矿区西北地带，只有F3、F8位于东南一带，断裂构造对主要矿体破坏影响相对较小。断层类型主要是逆断层，并伴有少量滑动断层。

1.3 矿体概述

本文所研究的矿体赋存于第一岩组第二岩性段的中部，编号为3号矿体。该矿体呈单层状、似层状产出，在形态上总体较为简单，但是局部矿段也偶有分枝、尖灭再现和多层等现象。矿体头部褶皱紧密，产状复杂。3号矿体体长为1900m，在核实范围内出露长度达到540m。矿体沿倾斜延深为450～1560m，平均延深为820m。该矿体与同一矿区的5号、9号矿体时有接触，并在一些部位合并成同一矿体。

2 采空区概述

本矿区水平面上采空区分布范围广但形状很不规则，在垂直面上，采空区经常有重叠、交错的情况。若1100m、1050m中段连续采空，将造成其上盘、顶板大面积暴露（有关具体数据见表1所示），如果不采取恰当的方法进行处理，将带来极大的安全隐患，有可能造成大面积冒顶崩塌。本文的主要目的是要制定一套合理的采空区处理方案。

3 采空区处理技术概述

3.1 围岩崩落法

围岩崩落法，顾名思义，就是采取一定的方法使采空区上方的岩层崩落，由于垮落的松散岩石体积会比以前增加，因此可以充填采空区，避免以后围岩大量冒落。根据崩落的方法不同，可以分为自然崩落法和强制崩落法。一般金属矿围岩都比较坚硬，往往需要通过爆破等方法使围岩强制崩落。

3.2 支撑法

该法是通过留设矿柱，对采空区顶板进行支撑，达到防止顶板冒落的目的。由于留设矿柱会降低矿石采出率，造成资源损失，因此一般只适用于品位低、价值小的金属矿藏的开采。

3.3 封闭和隔离法

这种处理采空区的办法是在采空区的某些部位构筑隔离层，这种隔离层一方面可以把生产区和采空区隔离开来，有效减少采空区的松散岩石混入矿石中而造成矿石的贫化，提高采出矿石的质量；另一方面还对顶板起着支撑作用，防止顶板冒顶。这种采空区处理方法既不需要对采空区进行爆破崩落，也不需要充填采空区，成本低廉，但是适用范围较小，主要适用于如下三种情况的采空区处理：（1）较大矿体开采后形成连续的采空区，尚需要在该采空区下继续回采时，可以用该法处理；（2）围岩稳固性好，采空区若发生冒落不会影响周围矿体的开采；（3）规模较小的孤立矿体开采后形成的采空区的处理。

3.4 充填法

充填法，顾名思义，就是将矿石采出以后，用充填料对采空区进行充填，从而使采空区顶板获得支撑。这种方法既可以保证采矿安全，防止采空区上覆岩层移动，又可以最大限度地开采资源、减少浪费，是一种前景广阔的采空区处理方法。根据工艺不同，充填法可分为干式充填法、湿式充填法、胶结充填法、砼体充填法等。

4 胶结充填法在采空区处理中的应用

该矿以前采用留设矿柱支撑法处理采空区，资源浪费严重。综合分析几种采空区处理方法的优劣，结合该矿区的地质条件、采空区形状和暴露面积，现改用尾砂胶结充填法来处理采空区，具体方法为以空场法采矿工艺进行回采，回采后充填处理采空区。充填时利用该矿现有的选矿尾砂作为骨料，加上水泥等作为胶结材料进行充填。这样既方便取材，又节省了处理尾砂的费用，实现了资源的循环利用，可以大大降低充填成本。

4.1 充填材料的制备及有关参数

充填材料的制备全部在地面进行，如图1所示，将制备好的选矿尾砂与水泥、水按照一定比例进行混合，充分搅拌，即可制得充填材料，然后充填材料通过充填钻孔进入地下。该矿目前生产能力为80万t/a，每年形成的空区约为18万m3，充填系统的设计年充填能力为14万m3的空区。据此设计卧式尾砂仓容积为1400m3，水泥仓容积为180t，充填浓度为68%～72%。

4.2 井下充填管路

井下充填系统由充填钻孔、充填平巷、充填天井及充填管道组成。有关参数如下：充填钻孔直径为160mm，孔深为140m，充填料浆输送方式为自流输送，即完全利用充填浆料自身的重力作用，使其由地面制浆站自行流到井下待充填区域。自流输送采用的增强塑料管直径为Φ120mm。制备好的料浆从地表（1340m水平）竖直向下自流140m至水平充填平巷，进入3号斜井4寸水平充填钢管，随即转运至1142m水平充填平巷。1142～1200m水平空区充填时，将1142m水平各矿柱内的穿脉巷道的增强塑料管与充填平巷内的管路联接，最后通过各矿柱内的穿脉巷道进入待充填的采空区。

4.3 充填倍线的计算

充填倍线是指水平管长与垂直管长的比值，该指标是衡量自流输送充填能否取得良好效果的一个重要指标。根据有关资料，要取得好的充填效果，充填倍线应小于5。1142～1200m水平空区、1094～1050m水平空区填时，各水平最大充填倍线计算如表2所示：

从表2可以看出，当1142～1200m水平充填时，充填最远时候的充填倍线为2.55，1092～1050m水平充填时，充填倍线的最大值为2.95，均小于5，可见该充填方案可以满足要求。

5 经济效益分析

目前，该充填方案已经在该矿应用了近一年时间。该充填方案在运营过程中，最大的费用为水泥费用和人工费用，具体成本计算如下：每充填1m3采空区，平均需消耗水泥0.21t，水泥单价按照270元/t计算，则每充填1m3采空区，水泥费用为56.7元，其他材料费单价约合4元/m3，人工费18元/m3，其他费用3元/m3，合计为81.7元/m3。按照每年充填14万m3计算，每年总的充填成本为1143.8万元。在应用该方案以前，该矿通过留设矿柱支撑采空区的办法进行开采，造成大量的资源浪费。改用充填法开采以后，每年可以多采出矿石约6万t，按照每吨矿石1800元计算，可以增加收入1.08亿元，而每年的充填成本仅仅1000多万元，充填开采优势非常明显。

6 结语

胶结充填法是充填法处理采空区中的一种，该方法对矿压控制的效果非常明显，可以最大限度地开采资源，减少浪费，对于品位较高的贵重金属矿藏的开采，特别适用。该金属矿改用充填法处理采空区，取得了很好的效果，经过充填，采空区的矿压显现问题得到了很好的控制，没有再发生过采空区顶板冒落等安全问题。且相对于增加的矿石产量来说，充填方案成本较低，经济效益明显。

参考文献

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