楊志強 王永前 高 謙 趙千里

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.金川集團股份有限公司)

金川礦區(qū)自流充填工藝存在的問題及改進措施*

楊志強1,2,3王永前3高 謙1趙千里2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.金川集團股份有限公司)

充填質(zhì)量是充填法采礦安全與高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，優(yōu)化充填工藝和加強生產(chǎn)管理是提高充填質(zhì)量的重要保證。針對金川礦區(qū)充填存在的質(zhì)量問題，開展了對充填工藝和生產(chǎn)管理的調(diào)查與研究，進行了混合料膠結(jié)充填體強度試驗研究，確定了河砂的合理摻量為20%～23%。經(jīng)過在金川二礦區(qū)應(yīng)用，驗證了該混合料配比是合理的，為提高充填質(zhì)量提供了保障。

充填工藝 充填質(zhì)量 改進措施

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦床，礦體埋藏深、地應(yīng)力高、礦體厚大、礦巖不穩(wěn)定。二礦區(qū)是金川鎳礦三大生產(chǎn)礦山之一，擔(dān)負金川鎳礦75%的礦石生產(chǎn)任務(wù)，采用下向進路式分層膠結(jié)充填法開采，采用管道自流輸送和膏體泵送兩種充填工藝，而管道自流輸送承擔(dān)80%以上的充填工作量。

下向進路分層充填采礦法是在充填體假頂下作業(yè)，因此充填體質(zhì)量對采礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。大量工程實踐表明，充填質(zhì)量不僅取決于充填料漿的合理配比，更重要的還依賴于充填系統(tǒng)與充填工藝[1-4]?；萘值热搜芯苛顺涮钯|(zhì)量與充填工藝的關(guān)系認為，充填料漿濃度控制、采場脫水、膠凝材料選取等是影響充填質(zhì)量的重要因素[1-2]。羅建祥分析了影響膠結(jié)充填體強度因素認為，充填骨料的合理配比與精確控制對充填質(zhì)量至關(guān)重要[3]。高直等人針對金川鎳礦深部充填質(zhì)量開展研究，指出了充填材料及其制備和充填工藝對充填質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[4]。同時人們開展了提高充填質(zhì)量的工藝、技術(shù)和措施的研究[5-8]。湯艷紅對金川龍首礦的充填系統(tǒng)和充填工藝進行了研究，提高了充填系統(tǒng)控制的可靠性[5]。鄭巨明等人對細尾砂充填過程的脫水技術(shù)開展研究[6]。王正輝和田波等人探討了提高充填質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)和有效措施[7-8]。

為保證充填質(zhì)量，金川二礦區(qū)實施了高灰砂比和高濃度的充填技術(shù)，在二期工程中普遍采用1∶4的灰砂比和78%的高濃度料漿的充填設(shè)計。即使如此，還存在諸如充填體分層、夾泥以及整體穩(wěn)定性差，嚴重威脅充填采礦安全的問題。為此，在充分調(diào)查和總結(jié)的基礎(chǔ)上，探索適于金川二礦區(qū)的充填技術(shù)和工藝，為其設(shè)計和安全生產(chǎn)提供參考。

1 自流充填工藝存在的問題

(1)引流水問題。從井下采場充填的調(diào)查看，引流水量較大。如1 218 m分段五工區(qū)Ⅳ盤區(qū)五分層35#進路打底充填時，采場見引流水至料漿流動基本穩(wěn)定約20 min，其中滿管清水流動 10 min；而31#進路打底充填時，采場見引流水至料漿流動基本穩(wěn)定9 min。

(2)洗管路水問題。充填攪拌站停車清洗管路下水量大。如1 118 m分段一工區(qū)Ⅵ盤區(qū)一分層30#進路接頂充填停車時，井下觀察管路開始擺動(濃度開始降低)至管內(nèi)下水停止計22 min，其中清水流動12 min；1 118 m分段三工區(qū)Ⅳ盤區(qū)三分層15#進路打底12次充填停車時，現(xiàn)場觀察管路開始擺動(濃度開始降低)至管內(nèi)下水停止累計 11 min，其中清水流動5 min。

(3)水沖洗管路問題。由于通訊線路不暢或聯(lián)系不便等原因的影響，充填控制室有時不經(jīng)過生產(chǎn)工區(qū)充填工確認即開車充填。如1 218 m分段五工區(qū)Ⅳ盤區(qū)五分層35#進路打底充填時，未經(jīng)生產(chǎn)工區(qū)充填工確認即下引流水，導(dǎo)致沖洗管路的水量過多。

(4)通訊聯(lián)系不完備和不可靠。主要表現(xiàn)在：①井下生產(chǎn)工區(qū)內(nèi)線電話故障率較高，如1 118 m分段一工區(qū)Ⅵ盤區(qū)、三工區(qū)Ⅳ盤區(qū)充填時電話均出現(xiàn)故障；②采場通訊不及時，根據(jù)井下現(xiàn)場調(diào)查，生產(chǎn)工區(qū)充填地點距硐室電話步行需3～7 min，且電話旁有時無人接聽，與充填控制室的聯(lián)系存在一段時間的“真空”，制約上下充填信息的落實和反饋。

(5)生產(chǎn)工區(qū)簡化充填過程問題。打底充填時不及時倒頭進行里、外分別打底，而是連續(xù)充填，造成進路一端打底超量，另一端打底達不到2 m高；幾條進路合并在一起同時充填或一條進路充兩次即接頂。例如1 138 m分段二工區(qū)Ⅶ盤區(qū)五分層26#、28#相應(yīng)的分層道計106 m同時充填，1 118 m分段三工區(qū)Ⅳ盤區(qū)三分層11#、13#進路，兩次即充填結(jié)束，其中打底和二次充填一次性完成，造成充填進路不易接頂。

(6)半板墻的位置常采取步測或估測的辦法，導(dǎo)致計算出的半板墻里、外充填設(shè)計打底量不準確，充填攪拌難以按照充填通知單操作，實際充填的灰砂比與設(shè)計存在較大偏差。

(7)盤區(qū)充填管道安裝問題。按規(guī)定盤區(qū)內(nèi)充填回風(fēng)小，井下要接一定距離鋼管后再接塑料管，但有部分盤區(qū)接的全是塑料管，且固定不牢，擺動大，造成一開始充填就爆管或接頭嚴重噴水事故,給充填生產(chǎn)造成很大影響。

(8)因“三通問題”不過關(guān)，造成充填過程停車次數(shù)增加，給充填質(zhì)量造成影響。

(9)充填儀表工與充填工配合不夠。交接班時要等儀表工到位后才能繼續(xù)充填，使充填工不能連續(xù)工作。

(10)充填沉淀水排水問題。每次充填后的沉淀水，有的工區(qū)排在自己做好的蓄水池內(nèi)；有的直接排在分層道內(nèi)(無擋水墻的條件)；有的用充填塑料管排到另一條已準備好的充填進路內(nèi)；有的用塑料管直接排到水倉。前兩項特別是第二項采場污染嚴重；后兩項特別最后一項基本無污染。

(11)充填料漿在進路中的運動和離析問題。觀察充填管頭附近充填料漿的流動發(fā)現(xiàn)：充填料漿在進路中不是一個均勻流動過程，而是經(jīng)歷堆積、塌落的過程，即充填料漿在充填管頭附近開始堆積，當(dāng)堆積的高度達到一定程度便向四周塌落，然后繼續(xù)堆積，堆積到一定高度又一次塌落,如此反復(fù)，形成充填體的最終形狀。從相鄰進路回采揭露出的充填體來看，充填體在堆積、塌落過程中形成的坡度很大，最大坡度可達到7.13°(1∶8)，與設(shè)計的2°～3°存在很大差異。從下一分層所揭露出的充填體來看，在充填管頭附近存在明顯的離析現(xiàn)象，即形成的充填體大多數(shù)情況下是砂子，水泥很少或沒有。

(12)進路頂板離析問題。通過揭露部分進路頂板發(fā)現(xiàn)，充填體離析嚴重，基本上都是砂子，嚴重影響采礦安全。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)：這些都是大于50 m 的半圓弧形半板墻進路，充填程序是先路口后掌子頭。當(dāng)先打進路口時，很多灰水被流入掌子頭，再加上換頭充填下的引流灰水，大量灰水的存在造成了離析。隨著打底高度地提高，掌子頭的灰水不斷地向進路口流去，造成充填體質(zhì)量差。

2 改進充填工藝技術(shù)

①開展對充填“三通”結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的試驗研究，以便解決因“倒頭”、“倒進路”、“倒盤區(qū)”和“倒分段”而被迫停車，造成停車次數(shù)增加、多余水，嚴重污染采場，影響充填質(zhì)量的問題；②對充填沉淀水的設(shè)備及排水方式進行試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果納入標準執(zhí)行；③建立健全完善的充填過程質(zhì)量控制配制、充填環(huán)節(jié)把關(guān)評價制、充填申請確認負責(zé)制、記錄審核制、量化考核兌現(xiàn)制及質(zhì)量事故報告制、分析制、通報制及責(zé)任追究制； ④建立完善充填工區(qū)與生產(chǎn)工區(qū)充填交接班制，提高結(jié)合度，實行自然交班、避免停車等待交班；⑤建立充填鋼管安裝、維護、更換負責(zé)制，包括盤區(qū)鋼管部分的安裝、維護和更換；⑥建議完善充填環(huán)節(jié)電話系統(tǒng)，確保信息反饋及時、準確、暢通；⑦建立完善充填過程質(zhì)量控制環(huán)節(jié)配套確認制，提高工作質(zhì)量；⑧建議繪制充填管網(wǎng)系統(tǒng)圖，并建立完善管網(wǎng)適時修改制，時刻保證管網(wǎng)的真實性，同時要適時地對操作人員進行培訓(xùn)指導(dǎo)，確保作業(yè)無誤；⑨開展進路設(shè)計充填坡度與實際形成的坡度不一致問題的研究，找出問題的原因(技術(shù)或管理因素)，制定相應(yīng)措施，杜絕此類嚴重質(zhì)量事故的發(fā)生；⑩針對揭露出來的進路頂板充填體強度低這一情況，將超過50 m的進路改為超過30 m的進路打半板墻，而且對現(xiàn)在執(zhí)行的進路充填次序，再作一次實效性論證。

3 混合充填料配對充填質(zhì)量的影響

目前金川二礦區(qū)高濃度管道自流輸送采用的充填料有：金川砂石廠生產(chǎn)的-3 mm棒磨砂和金昌地區(qū)花石溝產(chǎn)的河砂。經(jīng)過對兩種充填料的取樣、篩分和統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示(見圖1)。河砂含泥量在7%以內(nèi)，棒磨砂含泥量波動較大。兩種充填料2.5 mm以上粒徑平均含量嚴重超標，由此產(chǎn)生嚴重的離析現(xiàn)象。粒徑較大的顆粒集中沉降在采場充填管頭充填漿液濺落點附近，而充填采場另一端幾乎全部是灰水，充填體質(zhì)量無法保證。

圖1 充填料粒級分布曲線

為了降低充填成本，礦山采用部分河砂替代棒磨砂，棒磨砂與河砂混合進行充填。由于兩種充填料的配比影響充填料的粒徑分布，也直接影響充填體強度，為此，對兩種混合充填料不同配比進行了充填體強度試驗(見表1)。圖2給出了4種齡期的充填體強度與河砂摻量的關(guān)系曲線。由此可見，對于混合充填料，在料漿濃度為76%時，對應(yīng)于充填體早期強度(3 d和7 d)河砂的最佳摻量為20%～23%，而后期強度(28 d和60 d)基本上隨河砂摻量的增加而呈現(xiàn)降低趨勢。即當(dāng)河砂控制在最佳摻量范圍時，充填體強度能夠滿足金川礦山安全采礦的要求。

表1 棒磨砂與河砂混合料不同配比的充填體強度試驗

圖2 抗壓強度與河砂摻量的關(guān)系

倉儲不同時間、不同種類、不同層高的充填料含水率不同，也是造成充填濃度波動，影響充填質(zhì)量的重要因素之一。在對充填攪拌站的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，品種單一的充填砂對充填濃度的影響比較容易控制，混合料造成的濃度波動不易控制。解決混合充填料的充填質(zhì)量問題，關(guān)鍵在確定合理配比，加強充填料混合生產(chǎn)管理，切實按照河砂配比進行操作，確保混合充填料配比的精確度。

4 結(jié) 論

充填質(zhì)量是確保充填采礦安全的基礎(chǔ)。雖然影響充填質(zhì)量的因素復(fù)雜多變，但主要涉及兩個方面：充填料漿配比的優(yōu)化設(shè)計和制備；充填工藝和生產(chǎn)管理與監(jiān)控。目前大多數(shù)文獻研究更多的是關(guān)注前者，對充填工藝和充填生產(chǎn)管理的影響研究不多。針對金川礦山管道自流輸送充填采礦生產(chǎn)中存在的充填質(zhì)量問題，通過大量的現(xiàn)場調(diào)查和分析研究，找出了影響充填質(zhì)量在充填工藝和生產(chǎn)管理中存在的問題。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類混合料的充填技術(shù)，不僅合理配比對充填質(zhì)量產(chǎn)生影響，充填料的生產(chǎn)管理也是重要影響因素之一。由此可見，提高充填質(zhì)量，不僅需要優(yōu)化充填采礦技術(shù)和參數(shù)，還需要加強生產(chǎn)管理。

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[8] 田 波,李殿輝.提高充填體強度的技術(shù)措施[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2005,13(1-2):51-54.

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)，典型尾礦資源清潔高效利用技術(shù)及裝備研究與示范項目(編號：SS2012AA062405)。

2014-11-11)

楊志強(1957—)，男，教授級高級工程師，北京科技大學(xué)兼職教授，博士生導(dǎo)師，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室客座研究員，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。