大空区低成本充填处理方法研究与实践

科技   2024-10-30 13:39   湖南  

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  摘要

针对老空区充填处理一般投资较大、成本较高的技术难题,结合某铁矿大空区充填处理实际,利用原地面大空区观测孔和既有充填系统,设计建设了一套简单、实用、投资较低的地面辅助泵送充填系统,并配套发明设计了一套翻板式活门搅拌机取料装置;研究发现了泵送充填上坡管路的严重震动现象,提出了混凝土墩固定管路的减震方法;通过研究分析大空区的充填特点,提出了薄饼充填结构模型思想,认为大空区充填体强度设计较高既无必要,也起不了多大强度作用,据此提出了降低充填体强度和充填灰砂比的设计建议。


   作者及单位

林景尚1, 王谦源2, 陈宁青1, 王海龙3, 林敏1

1.安徽庐江龙桥矿业股份有限公司;2.青岛理工大学理学院;3.青岛理工大学创新科技有限公司华刚矿业股份有限公司


   引用格式

林景尚, 王谦源, 陈宁青等. 大空区低成本充填处理方法研究与实践[J]. 金属矿山, 2024, (6):85-88.

   正文

由于采矿技术、开采成本、环境意识与管理等多方面的原因,我国金属和非金属地下矿山过去主要采用空场法和崩落法开采,留下了大量采空区,一般称为老空区。据统计,截止到2015年底,共有采空区12.8亿m3,分布于全国 28 个省(市、区),给矿山安全和环境生态造成严重危害

老空区的隐蔽灾害有引发透水、巷道冒顶片帮、矿山地震、地表塌陷等多个方面,特别是体量超过数十万方的大空区,围岩冒落时甚至会引起矿震和冲击波。为加强老空区治理工作,国家、行业和地方出台了一系列规范文件,很多矿山也结合实际进行了积极的探索。老空区治理的方法有崩落、充填、封闭、支护等多种,各有优缺点和不同的适应条件,其中充填法由于有良好的围岩位移控制作用,可以很好地解决井下安全隐患和地表环境保护问题而受到高度重视。

但充填法治理老空区的突出问题是投入大、成本高。一般要建设充填系统,解决充填骨料和输送问题,特别是胶结充填还要产生较高的胶凝材料成本。如何结合矿山实际,合理利用现有条件和装备,选择满足要求的充填配比,达到减少投入、降低成本的目的是很多矿山关心的问题。本文结合国内某矿山的大空区治理研究和实践,就这一问题进行探讨。

1 项目概况与问题

某铁矿为2005年底建成投产的矿山,一期设计生产规模为100万t/a,采用无底柱分段崩落法开采。矿体倾角平均17.5°,矿体厚2.73~43.27 m,平均16.22 m,中段高度50 m。因覆盖围岩稳固,垮落困难,一期开采形成很大的空区,对变更为嗣后充填开采的二期工程生产安全造成严重威胁。根据2021年的观测数据测算,空区走向长700多m,最大水平投影宽超过200 m,需要充填的上部空区量近300万m3。某勘探线的空区剖面图如图1所示。

图1 某铁矿大空区结构剖面图

为消除大空区安全隐患,该矿先后在-320 m和-306 m水平施工了3处井下充填钻孔,利用矿山建成投产的全尾砂充填系统和充填剩余尾砂对大空区进行充填处理,但因充填钻孔水平较低,中上部空区无法充填。如果从井下施工充填辅助工程,不仅投资较大,也存在安全问题,大空区中上部充填如何解决,成为该矿的一大难题。

2 辅助充填系统设计方案

通过分析矿山现状,得出有利于大空区治理方案设计的3个因素:

(1)大空区地面观测孔可用于充填放料。为便于及时了解和掌握大空区的发展情况,该矿先后在大空区上方施工了10个ϕ104 mm观察孔,而且观察孔分布相对均匀,距离空区边界最远不超过100 m,是大空区充填处理的理想通道。

(2)该矿已经建成一套满足300万t/a生产规模、150 m3/h自流输送能力的深锥浓密机高浓度全尾砂制浆充填系统,可利用该系统的料浆制备能力充填空区,但需要建设一套地面辅助泵送充填系统,解决充填料浆取料和地面输送问题。

(3)大空区处理充填与井下采矿充填不同,主要利用采矿充填的剩余尾砂和间歇时间充填,充填时间相对宽裕和灵活,因此,若投资紧张,充填泵可选1台,暂不考虑备用。

据此提出了如下地面辅助泵送充填系统方案:

(1)泵送充填能力130 m3/h,从充填站一级搅拌机出口取料;充填泵房设于充填站一侧,采用半地下式,以方便充填料浆自流到充填泵受料斗。

(2)选用BG200-10-320型普通工业泵,出口压力10.0 MPa,双机总功率320 kW,可满足反坡高度50 m,最远距离1 500 m的泵送输送要求;暂不考虑备用泵,只设一台充填泵,单台价格约120万元。

(3)设计了串接10个地面观测孔的2条支线地面管路系统(见图2)。主管路采用ϕ188 mm、壁厚8 mm 16Mn钢无缝钢管。考虑到地面观测钻孔的孔径较小,与充填能力不匹配,设计2个钻孔同时充填,通过1个夹管分配阀分配流量。

图2 管路系统布置

3 翻板式活门取料装置设计

该矿充填制浆系统由二级搅拌机组成,若从二级搅拌机出口取料,因出口水平太低,需要为充填泵受料斗加接一套泵送转料装置,这势必使辅助充填系统复杂化。为简化辅助充填系统,使接出料浆自流到充填泵受料斗,分析论证了从一级搅拌机取料的可能性。考虑到大空区充填体强度要求不高,灰砂比相对较低等多种因素,认为从一级搅拌槽下方取料能够满足制浆要求,但需设计增加一个取料装置,并要求:① 不改变和破坏原两级搅拌机的整体结构;② 不影响井下采矿生产的正常充填运行;③ 结构简单,操作方面,密封良好。
为满足上述要求,该矿山发明设计了一套侧开门、底部翻转活门取料装置,见图3。
图3 侧开门底部反转活门取料器
1—侧壁;2—翻转活门;3—转动连杆;4—搬动接口;5—手柄;6—侧方出料口;7—侧面出料口挡板;8—下方出料口;9—下底板;10—溜槽;11—限位槽;12—密封胶条;13—限位装置;14—检修板

将该装置直接焊接于一级搅拌槽出料口下方。井下充填时,通过手柄5将活门2翻转到侧壁1,下部开口完全打开,一级搅拌料可顺利进入下部二级搅拌机,满足井下充填运行正常需要。空区充填时,将手柄5反向旋转,操作活门关闭底部开口;一级搅拌料浆进入集料斗后,通过侧开门7经溜槽10进入充填泵受料斗。为解决密封问题,在下底板9上开有一圈沟槽用盘根填埋,并配备密封圈。该装置安装使用后,效果良好,现已获国家实用新型专利。

4 管路震动问题与解决方法

辅助泵送充填系统建成试运行后,发现管路震动较大。虽然事先对柱塞泵交替推送充填料会引起一定程度的管路震动有所认识,并采取了弯头采用钢编网胶管,橡胶垫减震等多种措施,但管路震动之大还是超出意外。经调查研究发现:泵送充填管路反坡送料段震动较大是固有问题,而且充填泵排量越大,反坡越高,管路震动越大,平送管路震动则较小。这种管路震动并非一般弹性减震措施所能解决,处理不好会带来严重后果。
经研究和试验分析,决定采用预埋钢筋混凝土墩刚性固定减震措施。即在管路拐弯、爬坡等重要节点上,挖坑或埋桩预制顶部边长50~80 cm,高80~150 cm的半埋式钢筋混凝土墩,上部预埋管路连接板,下部埋入岩土深度约为混凝墩高度的2/3。管路重新安装后,减震固定效果良好,彻底解决了管路震动问题,混凝土墩现场应用实例见图4。
图4 上坡泵送管路减震混凝土墩应用实例

5 充填配比优化研究

大空区充填体强度设计直接关系到空区处理充填成本,但强度多少才能满足要求,需做针对性研究,缺乏权威数据。
该矿前期利用井下钻孔充填空区期间,一直采用与一步矿房充填相同的灰砂比:初期1∶6,后改为1∶8,每立方料浆消耗胶固粉120~140 kg/m3,28 d强度2.0~2.5 MPa,充填成本较高。研究发现,大空区充填与普通矿房嗣后充填完全不同,有4个显著特点:① 充填区范围大,空区长度超过700 m,宽度从下部的几十米到中上部的一二百米;② 空区内不能通过人工设置挡墙控制料浆的流动范围和距离,只能任其流淌;③ 充填放料点设置受限,服务距离偏大,一般超过一二百米;④ 利用充填采矿的剩余尾砂充填,连续充填的时间短,一次充填量小。
经测算,即使每次连续充填1 000 m3,料浆流动范围50 m×200 m,每次充填形成的平均固化厚度也不到10 cm。而每次充填之后,都会在上表面形成1个光滑的软弱面,这就使整个充填体实际为软弱层结构体,称为薄饼结构,如图5所示。
图5 大空区充填薄饼结构示意图
经理论研究分析,由于软弱面的作用,这种薄饼充填结构的整体强度很低,采用较高的灰砂比和强度设计既无必要,也起不了多大强度作用,实际可将灰砂比调整为1∶12~1∶20,每立方料浆消耗胶固粉85~50 kg/m3,28 d强度1.2~0.5 MPa。

6 主要结论与效益

(1)利用矿山原地面空区观察孔作为放料孔,并利用矿山已经建成使用的全尾砂充填系统,设计建设了一套简单、实用、投资较小的辅助地面泵送充填系统,解决了大空区中上部空区的充填难题。
(2)设计了一套翻板式活门搅拌机取料装置,解决了在不破坏原一、二级搅拌机结构,不影响井下正常充填运行要求下的大空区充填搅拌料浆取料难题,并为简化充填系统设计提供了条件。
(3)发现了反坡泵送充填管路的震动现象和严重危害,研究设计了钢筋混凝土墩固定管路减震方法,取得满意效果。
(4)分析了大空区的充填特点,提出了薄饼充填结构模型,认为高灰砂比、高强度充填大空区既无必要,也起不了多大强度作用,据此提出了降低充填体强度和灰砂比的配比建议。
(5)本项目辅助泵送充填系统设计建设费,包括土建部分约300万元,比常规设计节省资金1 000余万元;经测算,按照推荐配比充填处理空区,充填成本比原配比降低胶固粉用量约30%,可为充填处理大空区节省费用4 000余万元。因此,该项目投资与经济效益十分可观。
参考文献(略)
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