提高充填接顶率的技术措施研究.pdf

第3 l 卷第1 期 2 0 1 1 年0 2 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R ⅢG V 0 1 ．3 lN o l F e b r u a r y2 0 1l 提高充填接顶率的技术措施研究① 王树海1 ，李启月1 ’2 ，赵国彦2 I ．山东黄金股份有限公司新城金矿，山东莱州2 6 1 4 3 8 ；2 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要在分析不同充填接顶率对采矿安全影响的基础上，探讨了影响充填接顶率的原因，提出了通过改造充填隔离墙和滤水井 提高采场的滤水速度，通过研制三通阀实现充填引路水与洗管水的场外排放以及通过发明的充填滤水器提高充填料浆的浓度等技 术措施与方法，提高了充填接顶率，实现了密实充填，从而解决了充填采矿法中长期存在的技术问题。 关键词充填采矿法；接顶；引路水；洗管水；技术措施 中图分类号T D 8 5 3 ．3 9 2文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 1 0 0 1 3 0 3 R e s e a r c ho nT e c h n i c a lM e a s u r e sf o rR a i s i n gt h eR a t eo f S u p p o r t i n gP i tR o o f W A N GS h u h a i l ，L IQ i y u e l ”，Z H A OG u o ．y a n 2 1 ．X i n c h e n gr J 纪M i n e ，S h a n d o n gG D 腽C oL t d ，L a i z h o u2 6 14 3 8 ，S h a n d o n g ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 10 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em i n i n gs a f e t yw i t hd i f f e r e n tr a t eo fs u p p o r t i n gp i tr o o f ，t h er e a s o no fa f f e c t i n gt h e r a t eo fs u p p o r t i n gp i tr o o fw a sd i s c u s s e d ，a n ds o m et e c h n i c a lm e a s u r e sh a v eb e e np r o p o s e d ，i n c l u d i n gi n c r e a s i n gf i l t e r i n g v e l o c i t yt h r o u g ht r a n s f o r m i n gt h es e p a r a t i n gw a l la n dt h ef i l t e r i n gw e l l ，r e a l i z i n go f f - b o a r dd i s c h a r g eo ft h ew a t e rf o rl e a d i n gw a ya n dw a s h i n gp i p et h r o u g hd e v e l o p i n gt h r e e w a yv a l v e ，a n di n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no ff i l l i n gs l u r r yw i t ht h e i n v e n t e df i l t e rf o rf i l l i n g ．T h o s em e t h o d sr a i s et h er a t eo fs u p p o r t i n gp i tr o o f ，a c h i e v i n gc o m p a c tf i l l i n ga n dr e s o l v i n ga l o n ge x i s t e dt e c h n i c a lp r o b l e mi nt h ed r i f t - a n d 一6 Ⅱm i n i n g ． K e yw o r d s d r i f t a n d 一6 l lm i n i n g ；s u p p o r t i n gp i tr o o f ；w a t e rf o rl e a d i n gw a y ；w a t e rf o rw a s h i n gp i p e ；t e c h n i c a lm e a s u r e 充填接顶是各个使用充填采矿法的矿山广泛关注 的技术问题“‘，它直接关系到采场安全，如果充填接 顶不好，会使采场顶板暴露面积过大，达到或者超过维 持顶板稳定允许的最大面积，造成充填体或矿岩冒落， 危及作业人员的安全。充填接顶的多少往往采用接顶 率来表示，该定义在直观上可以理解为充填体接触顶板 部分的面积与整个顶板面积之比。在进路充填情况下， 接顶率也可表示为接顶宽度与进路宽度之比。接顶率 越高，充填体与顶板相接触的面积越大，充填体支撑顶 板的效果越好，进路回采时的安全程度越大。本文通过 大型数值模拟软件分析了不同接顶率对开采的安全影 响，在分析新城金矿进路充填不接顶的原因之后，提出 了提高充填接顶率的一些有效的技术措施和做法。 1 一步充填不同接顶率对二步采安全 影响分析 新城金矿采用盘区阶梯式无间柱连续充填采矿法 采矿，该采矿方法采用进路回采方式，进路交错布置， 分二步骤回采，隔一采一。一步进路以未采的二步进 路作为安全矿柱，二步进路依托胶结充填的一步进路 充填体作为支柱。该采矿法成功的关键是一步进路的 胶结充填体能否接顶而作为二步进路的支柱。为此， 建立了开采与地压数学模型，采用A N S Y S 软件数值模 拟方法，通过定量计算和分析一步充填不同充填接顶 率条件下二步采场顶板岩层应力、位移来研究其对采 矿安全的影响。 1 ．1 计算模型与边界条件 依据新城金矿V 。矿体采矿方法的设计方案，运用 A N S Y S 中的S o l i d 4 5 单元建立的矿区整体模型如图1 所示，该模型尺寸为1 8 0m 5 9m 5 0m ，模型中采场 划分一步进路与二步进路，一步、二步进路交错布置， 先采一步进路，待一步进路全部采完并充填后，再回采 二步进路，考虑矿体一步进路采完后不同充填接顶率 条件下对二步进路回采时顶板的受力状态及应力与位 ①收稿日期2 0 1 0 - 0 7 4 9 作者简介王树海 1 9 5 6 一 ，男，山东莱州人，高级。【程师，硕士，主要从事采矿生产、技术与管理工作。 万方数据 1 4矿冶工程 第3 l 卷 移的影响不同，提出了9 种不同接顶率模型，如表1 所示。 图1 矿区整体模型 表1不同接顶率和层数下模型 针对新城金矿井下开采实际，参照国内外数值计 算方法，模型的边界条件为四侧z 方向和z 方向位移 为零，底面Y 方向位移为零，垂直添加岩石均布自重载 荷1 3 ．2M P a 。 1 ．2 模型参数选取 为了简化计算，将井下介质分为5 类上盘岩体、 矿体、下盘岩体、断层岩体和充填体。考虑到岩石力学 试验中所用的试件与工程中岩体的差别，根据新城金 矿矿岩力学参数，采用折减系数法对矿岩体物理力学 参数进行合理取值，模拟使用矿岩的力学参数如表2 所示。 表2 有限元分析所用参数数据 材料弹性模醯泊松容重内聚力内摩擦角抗托强度 名称 ／G P a 比／ M N m 一3 ／M P a／ 。 ／M P a 1 ．3 模拟结果 顶板位移变化规律为随着层数增加，顶板最大位 移增加，如第一层、第三层和第五层的顶板最大位移分 别为0 ．2 2 ，0 ．2 7 和0 ．3 6m ；随着接顶率的降低，各层 顶板位移增加明显，例如第五层的充填接顶率为 1 0 0 ％，7 0 ％和5 0 ％时所对应的顶板最大位移分别为 0 ．2 0 ，0 ．2 2 和0 ．3 6m 。最大应力变化规律为随着层 数增加，顶板最大应力增加，如第一层、第三层和第五 层的顶板最大应力分别1 2 0 ，1 3 0 和1 6 0M P a ；随着接 顶率的降低，各层顶板应力集中明显，例如第一层的充 填接顶率为1 0 0 ％，7 0 ％和5 0 ％时所对应的顶板最大 应力分别为3 0 ，3 3 和1 2 0M P a 。在第一层回采时，一 步进路充填接顶率要求在7 0 ％左右，充填接顶率若小 于7 0 ％，就可能因应力集中导致顶板破坏，特别是充 填接顶率小于5 0 ％时盘区可能出现局部失稳破坏，进 路顶板岩石因下落而威胁作业面工作人员安全。这样 的情况在第三层、第五层回采时同样出现，由此推断， 各层回采时一步进路接顶率要保持在7 0 ％左右，盘区 才能保证安全生产，否则要求在进路顶板加装锚杆与 金属网，加强采场支护。 2 新城金矿充填不接顶的技术原因分析 新城金矿的进路充填工艺为当进路回采结束后， 先做假底，然后用标号为1 5 0 。的钢筋混凝土把进路下 部出口封闭，并做好滤水小井 用1 2 圆钢焊成的直径 3 0c m 骨架，外部分别裹上钢网、塑料纱和麻袋皮 ，最 后进行充填。进路分3 次充填，第一次充填高度为 1 ．8 ～2 ．2m ，第二次充填高度为1 ．8 2 ．2m ，第三次 为充填接顶。一步进路采用胶结充填，充填庆砂比为 1 1 0 ，二步进路采用分级尾砂允填。 为了了解新城金矿采场充填接顶情况，通过现场 跟踪调查、声波探测和采场揭露3 种方式对现场进行 调查，结果表明，往往进路允填第一次和第二次均比较 正常，充填次日充填体表面板结无积水，但第三次充填 效果却不理想，不能全面接顶。一般足，充填口附近接 顶较好，耳测基本无缝隙，但随着距充填口距离的增 加，胶结体与顶板的问隙也越来越大，从相邻进路回采 揭露情况来看，形成的空隙高度在4 0c m 左右，离充填 口越远空顶高度越大。 造成以上现象的主要原冈是①充填料浆输送浓 度低，由于浓度低，含水量大，充填料浆液流速过快，在 重力的作用下，砂浆在充填口附近自然分级下来的粗 颗粒过于集中，很快堵塞充填口，而无法进行充填。 ②滤水速度慢，且充填溢流水难以及时脱出，由于滤 水速度很慢，根本无法及时将充填料中含有的多余水 5 6 9 3 4 4 4 O 』， ， 2 ． 9 3 3 2 l 3 5 博 M 矩 2 王 王 m ∞ ∞ 盯 佗 2 2 2 2 O O O O O O O 0 3 2 l 9 2 2 2 2 O O O 0 ● 3 5 巧 2 2 2 m 体体 体岩岩体岩盘盘矿层 上下 断 万方数据 第1 期 王树海等提高充填接顶率的技术措施研究 1 5 滤走，从而导致充填口已经充满，而里面却有大量的水 占据待充空间，阻挡了充填料充实这些空区，随着水的 逐渐滤走，而又无法再充填，形成了较大空隙；而且，在 充填的最后阶段，滤水小井被充填料全部淹埋，这时已 无法溢流脱水，只能靠渗透脱水。③充填料固结沉 降，由于充填体在固化过程中会产生收缩，即使进路完 全充满，仍然无法全部接顶，依然存在微小的缝隙。 ④在每次充填时，为防止充填管道阻塞，充填前后均 需放水洗管5 1 0m i n ，充填中的引路水、洗管水大量 充斥采场，导致充填料浆浓度大幅下降，并且泄水过程 产生迳流现象，引起细粒级水泥、细泥的悬浮、转移，造 成离析，最终引起充填体质量下降和充填水泥大量流 失，而且，大量充填多余水也难以迅速排出采场，待采 场充填水脱出后留下空区，就难以保证进路充填接顶。 3 提高充填接顶的技术措施与方法 针对上向进路充填采矿法充填系统与充填过程中 存在的问题，在认真分析了充填不接顶的原因基础上， 特提出以下改进技术措施 1 采用木制充填隔离墙，取代喷射混凝土隔离墙 和滤水筒。鉴于充填输送浓度较低，采场富余水多，不 利于充填强度的提高，建议进路充填时，采用木隔离墙 取代喷射混凝土隔离墙，一方面有利于充填脱水，并且 成本便宜，材料可反复使用，同时还可以取代现有的钢 筋滤水简及滤水翅料管，降低排水成本。木隔离墙的 架设施工如图2 所示。进路充填前，要求架设充填隔 离墙。木隔离墙由直径2 0 0 ～2 5 0m m 木立柱、厚度5 0 m m 木板、钢钉、马钉、滤水土工布等构筑而成。木隔 离墙构筑前，先用木立柱形成垂直立柱，支撑顶底板， 然后在垂直立柱上设置横挡和斜撑，确保隔离墙受压 后不至于倒塌。隔离墙外廓形成后，在立柱上每隔一 定间隔横向铺设木板，在木板内侧铺设双层滤水土工 布，并使土工布紧帖进路四周围岩。为防止充填时漏 浆，要求用添加有速凝剂的水泥浆固结在围岩上。 图2 采场充填隔离墙架设示意 2 研制三通阀，实现充填引路水与洗管水的场外 排放。每次充填多达5 ～1 0m 3 的引路水与洗管水流 人待充空区，既降低充填料浆浓度，造成胶凝剂流失和 离淅，弱化充填体质量，又占据充填空间，导致充填不 接顶和围岩强度下降，造成井下生产不安全。为此，研 制出充填三通阀，如图3 所示，将其安装在充填隔离墙 外。每次充填前，打开下端阀门，让充填引路水从敞开 的阀门口排出。待充填料浆中见到少量尾砂时，则关 闭充填阀门，浆料通过三通阀的另一出口直接进入充 填空区。充填结束后，需放水清洗充填管道，从透明的 充填管道中发现料浆浓度变稀后，徐徐打开阀门，排出 部分稀浆，直至阀门完全打开，将洗管水大部分排至充 填隔离墙外。 图3 采场充填三通示意 3 利用发明的充填滤水器等技术，实现充填料浆 预脱水。研制发明了充填滤水器 专利号0 2 2 7 6 8 3 0 ．0 ， 见图4 ，该滤水器专用于采场充填，一方面将三通阀 未完全排除的引路水与洗管水彻底排出；另一方面将 充填过程中，因充填系统调整导致料浆浓度较低时的 多余水排到充填窄区外，实现充填料浆进入充填空区 前的顶脱水，以提高进入充填空区的料浆浓度，有利于 加快充填体胶凝并提高固化强度。充填滤水器工作过 程与排出的充填浆料水如图5 所示。经实测，每次充 填时，由充填滤水器排出的水量多达4 。1 ～6 。3m 3 。 图4 充填滤水器 下转第1 8 页 万方数据 1 8 矿冶工程 第3 1 卷 急剧增大，浸出1 5d 左右时，铀浸出率的增大幅度趋 于变缓。因为前期主要是矿岩表面的铀全部参加反应 溶解，其后是矿岩里面的溶浸液的扩散溶解，溶解稍微 缓慢些。 在浸出末期，在分维值小于2 ．0 时，矿样的铀金属 浸出率增大的比较明显，当分维值大于2 ．0 时，铀金属 浸出率增大的幅度趋于变缓。这是因为在浸出末期， 溶液逐步向较大颗粒内部扩展，提高了铀浸出浓度。 4 结语 针对江西某铀矿硬岩破碎块度分形特征，对铀进 行了酸化浸出的试验研究，得到以下结论 1 矿石块度分维值对铀浸出率有较大的影响，铀 浸出率随矿岩块度分维值的增大而增大。 2 分维值不大于2 ．0 的矿样，铀浸出率增大的幅 度比较明显，当分维值大于2 ．0 时，铀金属浸出率增大 的幅度趋于变缓。分维值为2 ．0 是不同粒径的矿石质 量增加或减少的一个分界线。 3 江西某铀矿溶浸开采时，矿岩破碎块度的分形 值取2 ．0 时能获得最佳的效果。 上接第1 5 页 争 工 暑 V a r ，r a i n 图5充填滤水器的工作过程与排水量 充填滤水器具有以下主要技术特征①利用金属 滤网和管道中内压进行滤水并阻止尾砂流出；②利用 变径管形成内壁保护层，减少砂浆对滤网摩擦，提高滤 网使用寿命；③利用振动破坏保护层，恢复充填脱水 器滤水功能。 充填滤水器安装在充填空区隔墙外侧，一般距隔 墙1 0 ～1 0 0m 。 参考文献 [ 1 ] 钟永明，李秦，谢国森，等．原地爆破浸出采铀矿石块度分布的 优化[ J ] ．中国矿业，2 0 0 3 ，1 2 1 2 4 7 4 8 ． [ 2 ] 寇子顺，谢国森，张春晖，等．挤压爆破在原地爆破浸出中的作 用[ J ] ．铀矿冶，2 0 0 6 ，2 5 2 6 6 7 0 ． [ 3 ] 李广悦．原地爆破浸出工艺待浸矿堆块度的分形特征研究[ J ] ． 矿业工程，2 0 0 3 ，l 6 4 8 5 0 ． [ 4 ] 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