1引言
2007年8月武山銅礦完成了北礦帶膠結(jié)充填站的基建工作，同年10月在北礦帶E4盤區(qū)首次進(jìn)行膠結(jié)充填試驗(yàn)。08年底礦區(qū)北礦帶15個(gè)采場(chǎng)全面投入膠結(jié)充填。在多年的實(shí)踐應(yīng)用中，膠結(jié)充填體離析脫層、充填體開裂、充填體不能接頂、倒擋水墻、采空區(qū)高溫等現(xiàn)象給該礦的安全生產(chǎn)造成重大影響，該礦工程技術(shù)人員通過長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)，通過加固擋水墻、預(yù)埋排水管、多點(diǎn)均衡投料、充填管頭打頂柱、增加小豎筋、布設(shè)回風(fēng)道等技術(shù)措施，有效解決了膠結(jié)充填體應(yīng)用難題，確保了安全生產(chǎn)，提高了臺(tái)班臺(tái)效。
2 充填工藝現(xiàn)狀[1]
選礦后全尾由泵輸送至充填站立式砂倉(cāng)頂部旋流器，通過旋流器分級(jí)后進(jìn)入砂倉(cāng)，砂倉(cāng)底部通過風(fēng)動(dòng)造漿自流至攪拌桶內(nèi)。水泥通過螺旋給料器按設(shè)計(jì)量輸送至攪拌桶內(nèi)，同時(shí)加入定量的水充分?jǐn)嚢?。待攪拌桶?nèi)漿料濃度(重量比濃度)達(dá)到70%后，開始下料，漿料由明槽經(jīng)主充填管路進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。采空區(qū)底部按1:4灰砂重量比進(jìn)行充填，充填高度為采空區(qū)高度的一半。上部按1:8灰砂重量比進(jìn)行充填。下部充填結(jié)束后，清洗干凈充填管理，采空區(qū)內(nèi)漿料沉淀4小時(shí)候，排干采空區(qū)內(nèi)充填水;然后充填上部分，充填漿料沉淀2小時(shí)候，用尾砂補(bǔ)充剩余采空區(qū)。充填前后，放水清洗干凈管路。[2]充填工藝流程見圖1
圖1 膠結(jié)充填工藝流程圖
3膠結(jié)充填應(yīng)用中存在的問題
3.1采空區(qū)膠結(jié)充填體容易脫層，危害作業(yè)人員安全，消耗大量坑木支護(hù)。
3.2面積超過80㎡的采空區(qū)充填后，充填體會(huì)產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，降底了充填體強(qiáng)度。
3.3充填管頭下料區(qū)域，灰砂分離現(xiàn)象嚴(yán)重，充填體無強(qiáng)度，易造成冒頂現(xiàn)象發(fā)生。
3.4膠結(jié)充填采場(chǎng)溫度較高，嚴(yán)重危害作業(yè)人員身心健康，降底勞動(dòng)效率。
4原因探析及技術(shù)措施
4.1采空區(qū)膠結(jié)體脫層原因分析及采取的技術(shù)措施:
4.1.1采空區(qū)內(nèi)膠結(jié)體沒有及時(shí)脫水,影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度;[3]
膠結(jié)充填體脫水對(duì)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度具有很大影響,充填體中多余的水會(huì)明顯降低充填體的強(qiáng)度。由試驗(yàn)可得出水泥含量不同的兩組試塊脫水時(shí)間變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如下：
上述試驗(yàn)結(jié)果繪成的曲線圖可以看出，在7天內(nèi)，強(qiáng)度隨著開始脫水時(shí)間的延續(xù)成增大趨勢(shì)，在7天至21天內(nèi)，強(qiáng)度隨著開始脫水時(shí)間的延續(xù)呈減少趨勢(shì)，超出21天后，強(qiáng)度隨開始脫水時(shí)間而下降，直至為零。
該礦工程技術(shù)人員，通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采取如下措施克服了脫水不及時(shí)造成的頂板脫層現(xiàn)象：
1膠結(jié)充填擋水墻底部、1.8米、2.0米、2.2米、2.4米位置埋設(shè)塑料管排水，充填擋水墻用鋼筋混凝土加固,厚度300mm。現(xiàn)場(chǎng)值守充填時(shí)，一期充填料漿進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，讓底部排水管排水，等底部排水管不能排水時(shí)，用木塞子堵住排水管，防止跑漿。一期充填結(jié)束后，待采空區(qū)內(nèi)膠結(jié)充填料漿沉淀4小時(shí)候，打開排水管排水，及時(shí)排干凈膠結(jié)充填體內(nèi)多余的水后，方充填第二期。第二期充填結(jié)束后，沉淀2小時(shí)，然后通過觀察口盡量放出二期充填體內(nèi)的水，最后用尾砂補(bǔ)充填剩余采空區(qū)。充填擋水墻墻排水系統(tǒng)布置如圖2所示
圖2 膠結(jié)充填擋水墻排水系統(tǒng)布置圖
2 充填擋水墻外，設(shè)置雙閘閥排水，避免膠結(jié)充填前后洗管水進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。充填準(zhǔn)備時(shí)，打開排污閘閥，關(guān)閉進(jìn)料閘閥(開關(guān)閥)，等洗管水料漿濃度適當(dāng)時(shí)，打開進(jìn)料閘閥，關(guān)閉排污閘閥，正常充填。充填結(jié)束后打開排污閥，逐步關(guān)閉進(jìn)料閘閥，確保進(jìn)料閘閥以及采空區(qū)內(nèi)充填管路暢通。雙閘閥布置所圖3所示
圖3 膠結(jié)充填雙閘閥布置圖
3杜絕一期充填過程中出現(xiàn)事故停機(jī)。事故停機(jī)后，處理事故耗時(shí)較長(zhǎng)，采空區(qū)內(nèi)膠結(jié)充填料漿已發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，后期充填料漿沉淀后，接觸面形成弱面，不能凝結(jié)在一起，造成下分層打開后出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。出現(xiàn)事故停機(jī)現(xiàn)象后，該礦及時(shí)組織相關(guān)人員對(duì)已充填的料漿進(jìn)行清除，重新做充填準(zhǔn)備，待準(zhǔn)備工作結(jié)束后，再次對(duì)采空區(qū)按規(guī)定充填。
4.1.2優(yōu)化豎筋與鋼筋網(wǎng)參數(shù)及連接方式。
該礦工程技術(shù)人員，結(jié)合江西理工大學(xué)膠結(jié)充填工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)膠結(jié)充填采空區(qū)鋼筋網(wǎng)布置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，鋼筋網(wǎng)鏈接位置增設(shè)小豎筋，小豎筋十字交錯(cuò)布置，高度700mm，通過增設(shè)小豎筋有效防止鋼筋網(wǎng)隨著脫層充填體脫落，失去承載作用。[4][5]優(yōu)化鋼筋網(wǎng)布置如圖4所示
圖4增設(shè)小豎筋后鋼筋網(wǎng)布置圖
4.1.3優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)，合理布置切回采順序，確保充填體合理養(yǎng)護(hù)時(shí)間。
該礦通過多次試驗(yàn)得出，上分層充填7天內(nèi)在其充填體下進(jìn)行采礦作業(yè)時(shí)，其頂板膠結(jié)充填體脫層現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)大面積垮塌現(xiàn)象，15天后采礦作業(yè)，脫層現(xiàn)象明顯減少，但部分淋水大的采空區(qū)內(nèi)仍有脫層現(xiàn)象。
因此該礦形成管理制度，規(guī)定頂板膠結(jié)充填體最低養(yǎng)護(hù)時(shí)間為15天，15天后方能進(jìn)行下一分層的切回采工作。
4.2大面積膠結(jié)充填離析分層原因及技術(shù)措施:
4.2.1面積超過80㎡的采空區(qū)充填，充填管端部距離掌子面5米，充填料漿從端部管口出，落入采空區(qū)，坡積現(xiàn)象嚴(yán)重，充填料漿沿著堆積起來的充填料漿逐步溢流，最終填滿空區(qū)。因此采空區(qū)各區(qū)域不能實(shí)現(xiàn)均衡投料，是造成膠結(jié)充填體離析現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。
其次進(jìn)路式采礦，面積過大，采空區(qū)易存在底板坡度過大、坑洼不平現(xiàn)象，充填過程中引流水進(jìn)入坑洼處已經(jīng)較低位置，也是出現(xiàn)膠結(jié)充填料漿離析的原因之一。
4.2.2針對(duì)這一現(xiàn)象，改進(jìn)了采空區(qū)內(nèi)充填管路布置和投料方式，每隔3—5米(根據(jù)采空區(qū)長(zhǎng)度確定，采空區(qū)長(zhǎng)度在18-35米內(nèi)取大值，18米內(nèi)取小值)用電鉆打泄料孔，孔徑3cm，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)均衡投料[6]。充填管多點(diǎn)均衡投料如圖5所示。
圖5 多點(diǎn)均衡投料示意圖
4.2.3確保采空區(qū)內(nèi)底板平整，進(jìn)路盡量接近平坡 。該礦成立膠結(jié)充填質(zhì)管組，主要負(fù)責(zé)膠結(jié)充填前的準(zhǔn)備工作檢查與管理，發(fā)現(xiàn)底板坑洼、高差較大現(xiàn)象，及時(shí)平整和降坡，確保采空區(qū)底板平整。
4.3充填管頭下料區(qū)域離析原因及技術(shù)措施:
4.3.1水力輸送膠結(jié)充填料漿進(jìn)入采空區(qū)時(shí),料漿沿著管頭流出沖擊力大,在充填過程中易造成充填料漿擾動(dòng)。因水泥與分級(jí)尾砂密度不一樣,水泥隨著引流水進(jìn)入采空區(qū),砂子則易沉積在沖擊區(qū)域周圍，并逐步堆積。因此沖擊區(qū)內(nèi)膠結(jié)料漿擾動(dòng)，是造成灰砂分離現(xiàn)象的主要原因。
4.3.2在充填管頭出料口施工一根頂柱，充填料漿先沖擊頂柱后進(jìn)入待充填區(qū)域，以減少料漿料漿沖擊力，縮小沖擊區(qū)域面積。具體做法為：膠結(jié)充填準(zhǔn)備前，在采空區(qū)充填管頭30cm位置，用坑木打頂柱，頂柱直徑18—20cm，頂柱需確保施工牢固，防止充填過程中倒塌現(xiàn)象發(fā)生。充填時(shí)，膠結(jié)充填料漿從充填管口流出，沖擊到頂柱上，然后落入采空區(qū)內(nèi)。這樣有效杜絕了沖擊區(qū)的產(chǎn)生。[7]如圖五所示
4.4膠結(jié)充填采場(chǎng)高溫產(chǎn)生原因及技術(shù)措施
4.4.1膠結(jié)充填體中，水泥水化放熱(水化熱)，造成膠結(jié)充填采場(chǎng)溫度高，由于普通的壓入、抽出式通風(fēng)不能滿足膠結(jié)充填采場(chǎng)通風(fēng)需要，造成大量水化熱積累在采空區(qū)是膠結(jié)充填采場(chǎng)高溫的主要原因。水泥水化熱的大小與放熱速率主要決定于水泥熟料礦物成分，[8]研究表明1Kg普通硅酸鹽水泥熟料中單礦物水化熱完全水化后放熱高達(dá)2260KJ，見表2表3
表2 水泥熟料中單礦物水化熱 KJ/Kg
表3 水泥熟料中單礦物水化熱 KJ/Kg
其次，該礦石含硫較高，平均品味達(dá)10%以上，硫氧化過程當(dāng)中放出大量熱，也是造成含硫礦體膠結(jié)充填采礦高溫的原因之一。
4.4.2通過分析膠結(jié)充填產(chǎn)生高溫的原因及通常方法難以解決的情況下，，結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，優(yōu)化通風(fēng)方式，在進(jìn)路三角點(diǎn)設(shè)置人工回風(fēng)天井，較好地解決了采場(chǎng)高溫問題。即在采場(chǎng)切回采工作即將結(jié)束時(shí)，在切回采進(jìn)路三角點(diǎn)位置，用廢舊油桶(汽、柴油油桶均可)焊接后布置在采空區(qū)內(nèi)，并引出至采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道內(nèi)，下分層切回采進(jìn)路施工至回風(fēng)道位置，割開回風(fēng)道底部，同時(shí)在上分層聯(lián)絡(luò)道回風(fēng)道端部安裝輔扇，采用抽出式通風(fēng)，這樣極大提高了采場(chǎng)通風(fēng)效率，滿足了安全生產(chǎn)的需要?；仫L(fēng)道施工過程中需確?；仫L(fēng)道布置牢固，預(yù)防膠結(jié)充填過程中回風(fēng)道浮起，大量膠結(jié)充填料漿進(jìn)入油桶內(nèi)，造成風(fēng)道堵塞。其次要注意聯(lián)絡(luò)道內(nèi)布置的回風(fēng)道油桶端部需密閉，確保膠結(jié)充填料漿不外泄，造成污染。在回風(fēng)道布設(shè)時(shí)需充分考慮采場(chǎng)大小，采場(chǎng)面積較大，需增加回風(fēng)道布置數(shù)量?；仫L(fēng)道加工方式及回風(fēng)道采場(chǎng)內(nèi)布置方式如圖6所示[9]
圖6 下向進(jìn)路膠結(jié)充填采場(chǎng)回風(fēng)道布置圖
下向進(jìn)路膠結(jié)充填采場(chǎng)內(nèi)布置回風(fēng)道優(yōu)點(diǎn):1采場(chǎng)溫度大幅下降，平均降溫10。C左右;
2采場(chǎng)炮煙排放時(shí)間比過去的單純抽出、壓入式通風(fēng)減少20分鐘左右;3現(xiàn)使用3KW的輔扇做抽風(fēng)機(jī)可比原11KW的局扇節(jié)約大量的電力消耗;4、采用回風(fēng)道通風(fēng)，極大降底了采場(chǎng)通風(fēng)噪音。
5.結(jié)語
針對(duì)礦山膠結(jié)充填工藝應(yīng)用過程中所碰到的實(shí)際問題，該礦對(duì)膠結(jié)充填體脫水時(shí)間進(jìn)行有效控制，優(yōu)化了排水系統(tǒng)，增設(shè)小豎筋，充填管頭施工頂柱，布設(shè)回風(fēng)道等有效措施，同時(shí)加強(qiáng)采空區(qū)充填準(zhǔn)備過程中的監(jiān)管力度，合理開采等技術(shù)手段，充分確保了膠結(jié)充填體強(qiáng)度的提高，減少了脫層現(xiàn)象，降底了能耗，提高了礦山生產(chǎn)效率，滿足了礦山安全生產(chǎn)需求。
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聲明：
“武山銅礦膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用問題探析” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦
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