劉三平
(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)
尾砂充填技術(shù)在采空區(qū)治理中的應(yīng)用
劉三平
(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)
采空區(qū)治理可以有效保障礦山生產(chǎn)安全,保護地表土地資源。針對某鐵礦0 m標高以上的歷史遺留采空區(qū),運用電磁層析法和高精度磁法探測,采用細粒尾砂膠結(jié)充填治理,充填料漿濃度為60% ,充填體抗壓強度為3 MPa。采空區(qū)治理后地表沒再發(fā)生塌陷,8個月的監(jiān)測數(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 尾砂充填 位移監(jiān)測
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,大多采用空場法或崩落法采礦,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,導致房屋坍塌、傾斜、沉陷等,同時也會對井下設(shè)施以及作業(yè)人員的安全帶來嚴重威脅[2]。因此,對采空區(qū)的治理是非常迫切和必要的[3]。同國內(nèi)其他地下開采的鐵礦山一樣,某鐵礦自建礦以來,實施疏干法治水,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標高以上已經(jīng)形成了較大范圍的地下采空區(qū),面積達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,使礦山對安全監(jiān)控管理以及環(huán)境保護治理的工作難度不斷加大,各級政府、安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門、國土資源部門都非常關(guān)注,治理勢在必行。
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1 800 m,傾向延伸150~160 m,賦存標高為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)以充填體支撐采場頂板,不再發(fā)生頂板冒落,從而避免了地表塌陷邊界和錯動邊界進一步擴大,較好地保證了地表安全,也節(jié)約了征地費用[4]。通過實施充填采礦法,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)、有效保護地質(zhì)環(huán)境和提高資源利用率,決定對早已形成的0 m標高以上的歷史遺留地下采空區(qū)進行充填治理。
采用電磁層析法和高精度磁法探測鐵礦各勘探線0 m以上采空區(qū),探測結(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。
為驗證以上物探結(jié)果可靠程度,用0 m以上實測礦體邊界,根據(jù)有底柱分段崩落采礦法的60%回采率來計算采空區(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%回采率計算采空區(qū)體積為156萬m3。經(jīng)現(xiàn)場實測計算,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]。
3.1 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)強度的主要因素。采用現(xiàn)場膠固粉,灰砂比為1∶4,料漿濃度為72.5%時,28 d膠結(jié)抗壓強度為7.06 MPa,抗折強度為2.07 MPa。
(3)分級尾砂膠結(jié)效果要明顯優(yōu)于全尾砂,但分級尾砂料漿的流動性能與全尾砂有很大區(qū)別,在生產(chǎn)允許的情況下,可以考慮用分級尾砂做骨料以保證充填效果。
(4)不同濃度尾礦塌落度和擴展度試驗以及充填砂漿流變參數(shù)特性黏度和屈服應(yīng)力測定表明,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,將在部分水平的管道中無法實現(xiàn)自流輸送。
綜上各因素,在生產(chǎn)允許的條件下,充填空場的充填料重量濃度取60%,充填體抗壓強度為3 MPa,充填體強度基本達到了最大,高于國內(nèi)大部分充填礦山的充填料強度,工程性能較好。充填料進入充填區(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
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,要先清理積水再運料封堵;對于需保證通風行人的穿脈巷道,采用鋼筋混凝土預制管封堵,先清理好穿脈,然后運入規(guī)格為φ1.5 m×1 m的鋼筋混凝土預制管,用水泥砂漿將各個管件連接好,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?;炷了?、沙、石子的質(zhì)量比按照1∶2∶3施工。混凝土砌筑施工嚴格按設(shè)計要求進行,施工后的墻體基本無跑漿,達到封堵要求。
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)探測結(jié)果,考慮充填料漿自然流動擴散半徑,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個孔,共需施工充填鉆孔53個,其孔深在40~200 m不等,設(shè)計充填鉆孔5 000 m,檢查孔8個,進尺850 m。整個采空區(qū)設(shè)計鉆孔61個,總進尺5 850 m。
通過以上檢查孔檢驗,揭露采空區(qū)的8個孔中有6個充滿充填體,2個孔未充滿,且揭露空區(qū)高度較小,證明地下采空區(qū)充填密實,采空區(qū)膠結(jié)充填率在90%以上,達到了預期效果。為進一步驗證治理效果,在地表進行長期位移監(jiān)測,記錄地表各個監(jiān)測點長達8個月的位移變化,結(jié)果見表4。
表4 地表監(jiān)測點位移匯總 m
觀測點號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)測點的位移變化量不大,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。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]。
(1)采礦遺留空區(qū)是礦山重要的危險源,采空區(qū)治理是非常重要的一項工作。以60%重量濃度、3MPa抗壓強度的細粒尾砂膠結(jié)充填體,對約46萬m3的探測空區(qū)進行完全自流式填充,總鉆孔進尺為5 850m,充填后8個月地表監(jiān)測數(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)學院路30號。