废石充填在胶结充填中的应用

何志义,姜 维,楚立申

(武钢资源集团大冶铁矿, 湖北黄石市 435006)

废石充填在胶结充填中的应用

何志义,姜 维,楚立申

(武钢资源集团大冶铁矿, 湖北黄石市 435006)

武钢资源集团大冶铁矿有限公司狮子山采区－180m中段采用分段空场嗣后胶结充填采矿方法回采,采空区充填采用全尾砂自流胶结充填工艺,充填料尾砂源于矿山选矿厂尾矿浓缩池底流。由于充填站制备能力无法满足井下采矿空区的充填要求,导致井下采空区日益增多,一方面造成重大安全隐患,另一方面影响后期采矿生产。通过施工相关联络道工程,将原崩落法采矿的覆盖岩废石铲运到采空区中进行辅助充填,不仅有效地缓解了充填能力不足的问题,而且在一定程度上节约了采矿成本,取得了良好效果。

分段空场嗣后胶结充填采矿法;采空区;废石充填;覆盖岩

0 引 言

大冶铁矿有限公司狮子山采区－180m中段采用分段空场嗣后胶结充填采矿方法[1-4]进行采矿,采空区充填采用全尾砂自流胶结充填工艺,充填料尾砂源自矿山选矿厂尾矿浓缩池底流。充填系统能力为10万m3/a,而采场生产能力高达50万t/a,充填能力明显不足。另外由于选矿的处理能力较大,近年采矿量减少,选矿每月生产时间不足20d,导致充填站无法满负荷生产。随着采矿生产的推进,狮子山采区充填捉襟见肘,严重制约了生产组织,后期采场面临无矿可采的局面。

为此,大冶铁矿从解决充填能力不足的问题入手,另辟蹊径地提出废石充填与尾砂充填分段进行的方式,将原有崩落法区域的覆盖岩转运至采空区回填,减少需要进行尾砂充填的空间,解决生产难题。

武钢资源集团大冶铁矿有限公司东露天采场于1958年建成投产,其后经历扩帮延深和深部挖潜开采,于2001年由露天转入地下开采,采用无底柱分段崩落法[5]采矿。为保护大冶铁矿矿区矿山公园地表的露天边坡、防止边坡滑坡等地质灾害发生,减小尾矿库尾矿排放量及尾矿库征地数量,同时为深部开采充填法采矿积累生产、管理经验。中冶长天国际工程有限责任公司对狮子山采区－180m中段开拓工程按分段空场嗣后胶结充填采矿法进行了修改设计。

分段空场嗣后胶结充填采矿法其矿块分矿房和矿柱[2-3,6]。矿块沿矿体走向布置,长度40m,阶段高度60m,分段高度13m,底部结构底柱12m。矿房、矿柱宽均为20m,采用simbaH157采矿台车凿岩。采场切割工作为在矿块底部掘出矿平巷(在二步回采的矿柱利用),出矿横巷并形成底部结构,沿矿体上盘边界凿切割天井(一般一个矿块2条井)。由于矿山－120m阶段以上矿体采用崩落法开采,其采空区为崩落的覆盖岩层。当－180m阶段采用充填法时,至少要求留10m以上的护顶矿柱(顶柱),设计考虑留12m顶柱,即－120m分段矿体为保护矿柱。

1 全尾砂胶结充填系统

全尾砂自流胶结充填系统包含全尾砂输送、充填料贮存、制备及自动控制、充填浆料输送等系统。全矿设立一套充填系统,由两个立式砂仓、一个水泥仓、一套搅拌桶、以及充填管道及相应的控制系统组成,充填系统用DN107料浆输送管输送充填浆料,年充填能力为10万m3。

充填站设计在地表标高为＋170m的原煤气钢瓶维修站北面院墙外的露采边坡旁,充填管道沿露天边坡敷设到－120m平硐口,然后经－120m阶段平巷到达充填地点,到采区－180m阶段开采最远处充填管道长度为1400m,垂直高度290m,最大充填倍线为4.83[7]。

为保护矿山公园,设计选用分段空场嗣后充填采矿法,矿块分矿房矿柱二步骤回采,矿房和矿柱均嗣后胶结充填,回采矿柱时,矿房中充填体暴露侧面积平均为1200m2。参照有关矿山的经验,矿房充填体强度需达2.0MPa。

根据对全尾砂胶结体的灰砂比、料浆浓度进行的压力试验报告,选择灰砂比1∶8时,浓度在70%～75%之间的试件28d强度能达到1.78～2.61 MPa,选择灰砂比1∶10时,浓度在70%～75%之间的试件28d强度能达到1.0MPa以上(见表1)。

实际生产灰砂比为:矿房充填体灰砂比取1∶8,充填体强度达到1.78～2.61MPa;矿柱采用低强度胶结充填,灰砂比取1∶20,充填体强度为0.5～1.0MPa。

2 废石充填的应用

2.1 尾砂充填的问题

大冶铁矿有限公司正处于深浅部接续生产阶段,由于深部开拓工程进度缓慢,无法按照设计进度投产,为了满足矿山生产经营需要,浅部采取了一些超常规方式,如开拓1.6m提升斜井提升－180中段矿石到露天坑底然后经过出入沟运输到选矿厂等,增加了采矿强度,而充填站设计充填能力为10万m3/a,按照生产任务要求,充填站能力远不能满足采矿生产的需求。

表1 全尾砂胶结充填体单轴抗压强度

另一方面,由于采矿生产量的减少,选矿无法满负荷生产,每月生产时间约为日历时间的2/3,选矿停产期间,无法向充填站供应尾砂进行充填。随着采矿生产的推进,造成狮子山采区充填捉襟见肘,井下出现了大量的待充填空场,不仅严重制约了生产组织,后期采场会面临无矿可采的局面;还在一定程度上影响了安全[8]。

2.2 废石充填的原因

考虑到狮子山采区现阶段回采已经处于二步采(回采矿柱)阶段,待充填空场309和311矿柱两边矿房308,310和312已经进行尾砂胶结充填,充填强度较高,稳定性较好,矿柱崩落回采之后,没有出现大面积垮冒现象。结合原设计资料,矿柱充填体强度不需要很高,可以在尾砂充填过程中增加废石充填以缓解充填尾砂不足的问题。

狮子山－108m以上采用无底柱分段崩落法进行采矿,有大量的废石可以用于充填,在相关部位实施少量工程之后,可以通过溜井与－108m水平贯通;同时借鉴公司内部尖林山采区废石干式充填的情况来看,废石充填的成本仅为全尾砂胶结充填成本的1/3左右,采用废石充填还可以降低采矿成本。

2.3 废石充填的实施

在－120水平9＃溜井向北方向掘进并与充填联络道贯通,在－108m水平铲运废石翻卸至9＃溜井,铲运机将9＃溜井中的废石铲运到中部309或者311空场进行废石充填。

在废石充填过程中,为了确保矿柱的强度,将对矿柱进行分层充填,首层(－171m/－159m)采用灰砂比为1∶5的尾砂进行胶结充填,第二层(－159m/－146m)采用废石充填,第三层(－146m/－133m)采用灰砂比为1∶20的尾砂进行胶结充填,最后一层(－133m/－120m)采用废石充填,－120m水平以上仍按全尾砂胶结充填的方式进行多次接顶,以保证接顶效果。废石充填完之后,其间隙被上层充填的尾砂(含胶骨料)充实,提高了废石充填体的强度[9-15]。

实际生产中,尾砂充填309空场时,用废石进行311空场的充填,彼此交替进行。309和311空场废石充填和尾砂充填布置见图1。

图1 309和311空场废石充填和尾砂充填

3 结 论

通过在胶接充填中应用废石充填,狮子山采区－180中段有效缓解了充填、采矿的矛盾,节约了充填成本,同时也为采矿方法在实际生产中进行改进、优化提供了一定的经验。

(1)缓解充填、采矿矛盾:废石充填的实施,弥补了充填站能力的不足,及时对采空区进行充填,释放了采矿空间。

(2)节约充填成本:废石充填的成本仅为全尾砂胶结充填成本的1/3左右,采用废石充填可以降低采矿成本。

(3)各矿山结合实际情况,改进采矿方法:生产矿山根据矿体赋存状况、自身生产实际等情况,往往采用多种采矿方法进行独立或者相互结合回采;部分矿山在采用某种采矿方法过程中,现场通过局部改进,更利于生产组织、安全管理,以取得较高的经济效益。

[1]王湘桂,唐开元.矿山充填采矿法综述[J].矿业快报,2008 (12):1-5.

[2]汪海萍,宋卫东,张兴才,等.大冶铁矿分段凿岩阶段空场嗣后胶结充填法工程实践[J].矿业研究与开发,2015,35(05): 26-29.

[3]李 敏,汪海萍.大冶铁矿分段空场嗣后胶结充填接顶技术的研究与应用[J].黄金,2013(12):37-40.

[4]王东旭,宋卫东,颜钦武,等.大冶铁矿嗣后充填采场围岩变形机理研究[J].金属矿山,2012(08):1-5.

[5]郭 雷,熊靓辉.无底柱分段崩落法现状及发展趋势[J].中国矿山工程,2010(06):44-48.

[6]龚新华.缓倾斜薄矿体点柱群稳定性分析及回采方案优化研究[D].昆明:昆明理工大学,2014.

[7]牟宏伟,吕文生,杨 鹏.螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正[J].工程科学学报,2016(08):1069-1074.

[8]杨建平.非煤地下矿山采空区安全评估[D].西安:西安建筑科技大学,2009.

[9]袁国斌,杨志强,高 谦,等.废石－棒磨砂混合骨料胶结充填体强度试验[J].矿业研究与开发,2016,36(08):16-20.

[10]胡顺发.某磷矿废石胶结充填系统设计[J].化工矿物与加工, 2016(06):66-67.

[11]程国江.废石尾砂胶结充填体强度性能及物料配比参数试验研究[J].中国矿业,2016(S1):394-396.

[12]袁本胜,蔡桂生,高道勤,等.废石充填采空区稳定性变化趋势分析[J].现代矿业,2014(11):146-149.

[13]吴祥辉,乔登攀,张修香,等.某铁矿废石－全尾砂胶结充填体强度与水灰比的关系[J].矿业研究与开发,2014,34(03): 19-21,37.

[14]易先良,李 松,倪帮荣,等.废石胶结充填物料优化配比的工业试验[J].化工矿物与加工,2014(04):37-39.

[15]贺桂成,刘 永,丁德馨,等.废石胶结充填体强度特性及其应用研究[J].采矿与安全工程学报,2013(01):74-79.

2017-04-10)