现代矿山充填采矿技术.pdf

“ “ “ “ 第五篇 现代矿山充填采矿技术 第一章充填工艺与设备选择 第一节充填材料 充填材料分为干式、 水砂及胶结充填材料三种。 一、 干式充填材料 采用干式充填采矿法， 充填材料一般可利用井下巷道掘时的废石， 但来源有限， 满足 不了充填的需要。为此或在井下开辟专用采场开采废石， 或在地面设置露天采石场满足 充填的需要量。 充填材料应是惰性材料， 不含挥发有害气体， 含硫不应超过 “ ， 以防产生高温和 二氧化硫， 恶化井下大气或酿成井下火灾。 干式充填材料的块度根据充填设备而定 使用重力充填时， 最大块度的直径一般不 超过 ） 矿用湿磨炉渣全部代替水泥取得了良好效果。炉渣的化 学成分为 *607； -0*7； 36037。活性率 3 08 40 8 4 //05, 搅拌筒,,, 6 ,,,0/2,0/, 08 -0 8 4 /-504 高浓度搅拌筒 /.,, 6 /.,, 00.01, 18 /1,1 /12. 高浓度搅拌筒 0,,, 6 0,,, .2.04, 08 -0 8 4 000-, 四、 砂泵 型砂泵、 型灰渣、 A 型泥浆及 AB 型衬胶砂泵的规格列入表 . 8 / 8 05。 表 . 8 / 8 05、 、 A、 A型泵性能 水泵名称型号规格联接形式配带功率 （*4 公司在某金矿采用了全部不分级尾砂作充填料， 经 浓缩、 过滤成固体含量达 ’7 5 7滤饼进入螺旋搅拌输送机， 与水泥、 粉煤灰混合后， 经双活塞泵加压， 通过管路向坑内输送， 进行采场充填。该系统的使用取得了良好的经 济效益和社会效益。 *05 / -;;- 年在金川二 矿区进行了全尾砂下向胶结充填技术及设备的研究。 试验研究使用的选厂全尾砂经-08/9 塌落度 5;08/9 8/0 077/， 底面直径 ’7;， 高 ’7; 从图 、 和 三种情况。混 合砂浆的流量 浓度 7 比例 7 温度 7 ; 浓度 7 温度 7 ; 流量 7 ’ ） 消耗量 7 ’ ） 从图中的 *’和 *的定义， 可以得到， *’“ *0 。由式 （ “ ’;） 得到 0 1 （ “ ’两部分组成， 即 第五篇现代矿山充填采矿技术 “ （ ’ ） 式中 管道的沿程阻力损失， *； “ “ “ , , （ ’ -） 式中, 管径为 ,的管道长度， .； , 管径为 ,的管道摩擦阻力系数， */ .； 管路局部阻力损失， 一般 “ （0102 3 012） ， 这里取 “ 01。 因此， “ 1 “ “ , ,， 代入式 （ ’ 4） 可以得到 ’ “ 1 “ “ , , （ ’ 50） ,“ 6 7 4, 45“ 5 , ,（ ’ 5） ,“ * 5 , 代入公式 （ ’ 5） 得到 ,“ 6 7 4, 5“ , *（ ’ 55） 若要保证满管流， 则 “ 0， 式 （ ’ 50） 为 ’ 0“ 1 “ “ , , （ ’ 54） 式 （ ’ 5） 代入式 （ ’ 54） ， 得到 * “ 01055 ’ 0’ 014“7 “ “ , , “ “ , , （ ’ 5） 式中* 似膏体体积流量， .4 /8； , 第 种管道内径， .。 51 系统参数设计 国外某矿充填管路系统如图 2 ’ ’ 4。充填管路参数见表 2 ’ ’ 52 和表 2 ’ ’ 56。 表 2 ’ ’ 52充填系统管路铺设明细表 管段 垂直高度 /,9 长度 /,9 管 内 径 /,9 ,505450610 ,-005610 -5425-0412 20 第四章全砂土似膏体胶结充填新工艺技术 管段 垂直高度 “ 长度 “ 管 内 径 “ “’ “’*’’,*-, ’,’. ** ’,’, ’’-*-, ’’,,, ’-’-.*-, *’,*-, *’-’’*-, , 注 ’“ / ,00， 下同。 图 , 1 1 *’国外某矿充填系统图 表 , 1 1 充填管路参数 管型 “ ’/ *-,/ */ ,/ , 对应管型的管道长度 “-’/ ,’’ （’,-0） -/ （-*-0） -*/ （,0）-/ ’’ （’,,’0） 备注 / ’,23 0 * ， / ,. （’’*0） 根据该矿充填管路参数、 实验室测得的似膏体粘性参数 （见表 , 1 1 -） 和式 （, 1 1 ） ， 可得到在不同具体条件下流量随似膏体浓度的变化关系 （见表 , 1 1 、 图 , 1 1 *） 。 第五篇现代矿山充填采矿技术 表 “ “ 似膏体的粘性参数 料浆浓度’’’料浆浓度 ’’’ 浆体的屈服应力 * ,-. /01100, 浆体的塑性粘度 * ,-2 . ,01/,0/,03 表 “ “ 3似膏体流量随浓度的变化 料浆浓度’’’ 管路料浆流量45 6“ 0/0,0 管路固料流量45 6“ 10,100/ 备注 全砂土固结材料含量 ’， 惰性材料为某矿分级尾砂， 其中溢流尾砂含量 ,’， 养护 温度 7 图 “ “ 流量随似膏体浓度的变化关系 该矿采用传统胶结充填的料浆流量随浓度变化关系如表 “ “ 1。从表 “ “ 1 和表 “ “ 3 的对比， 我们可以看出， 在不大于 ’浓度的条件下， 传统胶结充填的流 量还是相当大， 当达到 ’的浓度时， 流量急剧下降到 /546。但对于似膏体充填， ’ 浓度的料浆， 似膏体的流量仍保持在 05 6， 是前者的近 倍。 表 “ “ 1 传统胶结充填流量随浓度的变化 料浆浓度,’’’料浆浓度 ,’’’ 管路料浆流量 5 6“ 3 /管路固料流量 5 6“ /, 备注水泥含量 ’， 惰性材料为某矿分级尾砂， 不含溢流尾砂， 养护温度 7 , 第四章全砂土似膏体胶结充填新工艺技术 第五章其他常用充填采矿新技术 第一节单层充填采矿法 单层充填采矿法的矿块结构如图 “ “ 所示。这种采矿方法用于缓倾斜薄矿体 中， 用矿块倾斜全长的壁式回采面沿走向方向、 依次按矿体全厚回采， 随着工作面的推 进， 有计划地用水力或胶结充填采空区， 以控制顶板崩落。由于采用壁式工作面回采， 也 称为壁式充填法。 图 “ “ 单层充填采矿法 钢绳； 充填管； 上阶段脉内巷道； 半截门子； 矿石溜井； ’切割平巷； 帮门子； 堵头门子； *半截门子； 木梁； 木条； 立柱； 砂门子； 横梁； 半圆木； ’脉外巷道 第五篇现代矿山充填采矿技术 我国湖南湘潭锰矿是采用这种采矿法回采的一个典型例子。该矿床为缓倾斜为主 的似层状薄矿体。走向长 “， 倾斜延深 ， 倾角 ’ ， 厚度 * ’； 矿 石稳固， 有少量夹石层； 顶板为黑色页岩， 厚 ’ ， 不透水， 含黄铁矿， 易氧化自燃， 且 不稳固； 其上部为富含水的砂页岩， 厚 ， 不允许崩落； 底板为砂岩， 坚硬稳固。 一、 结构和参数 矿块斜长 ’ ,， 沿走向长 。控顶距 *,， 充填距 *,， 悬顶距 ,*， 矿块间不留矿柱， 一个步骤回采。 二、 采准和切割 由于底板起伏较大， 顶板岩石有自燃性， 阶段运输巷道掘在底板岩石中， 距底板 -。在矿体内布置切割平巷， 作为崩矿的自由面， 同时可用于行人、 通风和排水等。上 山多布置在矿块边界处。沿走向每隔 -“ 掘矿石溜井， 联通切割平巷与脉外运输巷 道。不放矿时， 矿石溜井可作为通风与行人的通道。 三、 回采 长壁工作面沿走向一次推进 *,， 沿倾斜每次的崩矿量根据顶板的允许暴露面积 决定， 一般为 左右。用浅孔凿岩， 孔深 - 左右。崩下的矿石用 ./ 0 -’ 型电耙运 搬； 先将矿石运至切割平巷， 再倒运至矿石溜井。台班效率 “ ’1。 由于顶板易冒落， 要求边出矿边架木棚， 其上铺背板和竹帘。当工作面沿走向推进 ,* 时， 应充填 *,。充填前应做好准备工作， 包括清理场地， 架设充填管道， 打砂门 子和挂砂帘子等。砂门子分帮门子、 堵头门子、 和半截门子等， 其主要作用是滤水和拦截 充填料， 使充填料堆积在预定的充填地点。 水力充填是逆倾斜由下而上间断进行， 即由下向上分段拆除支柱和进行充填。每一 分段的长度和拆除支柱的数量根据顶板稳固情况而定。也可以不分段一次完成充填， 但 支柱回收率很低。 采用胶结充填时， 一般用采矿巷道回采矿石， 其矿壁起模板的作用。 四、 评价 当开采水平或缓倾斜薄矿体时， 在顶板岩层不允许崩落的复杂条件下， 单层充填法 是惟一可用的采矿方法。这种采矿法矿石回采率较高 （2,3左右） ， 贫化率较低 （3左 右） ， 但采矿工效较低 （,14工班） ， 坑木消耗量大 （-2*’4 51） 。 2, 第五章其他常用充填采矿新技术 第二节上向水平分层充填采矿法 这种方法一般将矿块划分为矿房和矿柱， 第一步回采矿房， 第二步回采矿柱。回采 矿房时， 自下向上水平分层进行， 随工作面向上推进， 逐步充填采空区， 并留出继续上采 的工作空间。充填体维护两帮围岩， 并作为上采的工作平台。崩落的矿石落在充填体的 表面上， 用机械方法将矿石运至溜井中。矿房回采到最上面分层时， 进行接顶充填。矿 柱则在采完若干矿房或全阶段采完后， 再进行回采。回采矿房的充填方法， 可用干式充 填、 水力充填或胶结充填。干式充填方法目前应用很少。 一、 水力充填 “ 矿块结构和参数 矿体厚度不超过 时， 矿房的长度沿走向布置； 超过 时， 矿房垂直 走向布置。矿房沿走向布置的长度， 一般为 ’ ， 有时达 或更大。垂直走向布 置矿房的长度， 一般控制在 以内， 此时矿房宽度为 。 阶段高度一般为 ’ 。如果矿体倾角大， 倾角和厚度变化较小， 矿体形态规整， 则可采用较大的阶段高度。 间柱的宽度取决于矿石和围岩的稳固性以及间柱的回采方法。用充填法回采间柱 时， 其宽度为 ， 矿岩稳固性较差时取大值。阶段运输巷道布置在脉内时， 一般需留 顶柱和底柱。顶柱厚 * ， 底柱高 。为减少矿石损失和贫化， 也有用混凝土假巷， 以代替矿石矿柱。 “ 采准和切割工作 在薄和中厚矿体中， 掘进脉内运输巷道； 在厚矿体中， 掘进脉外沿脉巷道和穿脉巷 道， 或上、 下盘沿脉巷道和穿脉巷道 （图 , , ） 。 在每个矿房中至少布置两个溜矿井、 一个顺路人行天井 （兼作滤水井） 和一个充填天 井。溜矿井用混凝土浇灌， 壁厚 ’， 圆形内径为 “。人行滤水井用预制钢筋混凝 土构件砌筑 （图 , , ’） ， 或浇灌混凝土 （预留泄水小孔） 。充填天井断面为 - “*， 内设充填管路和人行梯子等， 是矿房的安全出口， 其倾角为 . /.。 在底柱上面掘进拉底巷道， 并以此为自由面扩大至矿房边界， 形成拉底空间， 再向上 挑顶 “ ’， 并将崩下的矿石经溜矿井放出， 形成 *“ 高的拉底空间后， 即可浇灌 * 第五篇现代矿山充填采矿技术 钢筋混凝土底板。底板厚 “ “’， 配备双层钢筋， 间距 ’’。其结构如图 * * 所示。 图 * * 上向水平分层水力充填采矿法 顶柱； 充填天井； ,矿石堆； 人行滤水井； 放矿溜井； -主副钢筋； 人行滤水井通道； 上盘运输巷道； .穿脉巷道； 充填体； 下盘运输巷道 图 * * ,钢筋混凝土预制件结构的人行滤水井 草袋； 固定木条； ,箍紧铁丝； 混凝土预制件 ,“ 回采工作 用浅孔落矿， 回采分层高为 ,’。当矿石和围岩很稳固时， 可以增加分层高度 （达 “ ’） ， 用上向孔和水平孔两次崩矿， 或者打上向中深孔一次崩矿， 形成的采空区可高 达 ’。 崩落的矿石， 一般用电耙出矿。近年来， 国内外广泛使用装运机或铲运机装运矿石。 第五章其他常用充填采矿新技术 图 “ “ 钢筋混凝土底板结构图 主钢筋 （’’） ； 、 副钢筋 （’’） 矿石出完后， 清理底板上的矿粉， 然后进行充填。充填前要进行浇灌溜矿井、 砌筑 （或浇 灌） 人行滤水井和浇灌混凝土隔墙等工作。先用预制的混凝土砖 （规格为 **’’ **’’ **’’） 砌筑隔墙的外层， 然后浇灌 *,’ 厚的混凝土， 形成隔墙的内层， 其总厚 度为 *,’。混凝土隔墙的作用， 主要是为第二步骤回采间柱创造良好的回采条件， 以保 证作业安全和减少矿石损失与贫化。 目前广泛使用选矿厂脱泥尾砂或冶炼厂的炉渣， 沿直径 **’’ 的管道水力输送到 工作面， 充填采空区。充填料中的水渗透后经滤水井流出采场， 充填料沉积在采场内， 形 成较密实的充填体。 为防止崩落的矿粉渗入充填料以及为出矿创造良好的条件， 在每层充填体的表面铺 设 *, - *,’ 厚的混凝土底板。 天后即可在其上凿岩， - 天后即可进行落矿或行 走自行设备。 二、 胶结充填 由于水力充填回采工艺较为复杂 （需砌筑溜矿井和人行滤水井、 构筑混凝土隔墙、 铺 设混凝土底板等） ， 从采场排除的泥水污染巷道， 水沟和水仓清理工作量大， 以及回采矿 柱的安全问题和充填体的压缩沉降问题等， 均未得到很好解决， 因而不能根本防止岩石 移动。 为了简化回采工艺， 防止井下污染和减少清理工作量， 较好地保护地表及上覆岩层， 近年来国内外金属矿山推广应用胶结充填采矿法 （图 “ “ ） 。 从图 “ “ 可以看出， 胶结充填方案的矿块采准、 切割和回采等与水力充填方 案基本相同， 区别仅在于顺路行人天井不需要按滤水条件构筑， 溜矿井和行人天井在 充填时只需立模板就可形成， 因为胶结充填不必构筑隔墙、 铺设分层底板和砌筑人工 底柱。 第五篇现代矿山充填采矿技术 图 “ “ 胶结充填法的典型方案 运输巷道； 穿脉巷道； 胶结充填体； 溜矿井； 行人天井； ’充填天井 由于胶结充填成本很高， 第一步回采应取较小尺寸， 但所形成的人工矿柱必须保证 第二步回采的安全； 第二步可以采用水力充填回采， 故可选取较大的尺寸。 为了较好地保护地表和上覆岩层不移动， 必须很好解决胶结充填接顶问题。常用的 接顶方法有人工接顶和砂浆加压接顶。人工接顶就是将最上部一个充填分层， 分为 宽的分条， 逐条浇注。浇注前先立 多高的模板， 随充填体的加高逐渐加高模板。 当充填体距顶板 * 时， 用石块或混凝土砖加砂浆砌筑接顶， 使残余空间完全充满。这 种方法接顶可靠， 但劳动强度大， 效率低， 木材消耗也大。 砂浆加压接顶是用液压泵将砂浆沿管路压入接顶空间， 使接顶空间填满。在充填前 必须做好接顶空间的封闭， 包括堵塞顶板和围岩中的裂缝， 以防砂浆流失。体积较大的 空间 （大于 * **） ， 如有打垂直钻孔的条件， 可采用垂直管道加压接顶； 反之， 则采 用水平管道加压接顶。 此外， 我国还做过混凝土泵和混凝土浇注机风力接顶的试验， 接顶效果良好。在日 本采用喷射式接顶充填， 将充填管道铺设在接顶空间的底板上， 适当加大管道中砂浆流 的残余压力， 使排除的砂浆具有一定的压力和速度， 以形成向上的砂浆流， 使充填料填满 接顶空间。 三、 评价 充填采矿法最突出的优点是矿石损失贫化小， 但效率低， 劳动强度大。应用水力充 第五章其他常用充填采矿新技术 填和胶结充填技术， 以及回采工作使用无轨自行设备， 使普通充填采矿法提高到机械化 充填采矿法的新水平， 进入高效率采矿方法行列， 其使用范围不断扩大， 而且有进一步发 展的趋势。 回采工作使用自行设备 （凿岩台车、 铲运机等） ， 要求开掘斜坡道， 能使这些设备进入 回采分层， 这就改变了过去充填法的采准方式， 增大了沿走向布置的矿块长度 （达 “ 或更大） ； 或采用垂直走向布置矿房和矿柱的采区开采形式， 使采场结构发生较大 的变化。 胶结充填虽然克服了水力充填的某些缺点， 但还存在以下问题 （） 充填成本高。据统计， 水力充填费用占采矿直接成本的 “’ “’， 而胶结充填 则占 “’ “’。成本高的原因是采用价格较贵的水泥和采用压气输送胶结充填料。 因此， 应寻求廉价的水泥代用品或采用较小灰砂比 （*“ *） ， 以及采用胶结材料输 送新方法。 （） 充填系统复杂。我国一般先用胶结充填回采矿房， 然后用水力充填回采间柱， 这 就使充填系统和生产管理复杂化。如果两个步骤都用胶结充填， 成本就要增高。应进行 技术经济分析和研究， 求得合理的技术经济效果。 （） 阶段间矿柱回采困难。水力或胶结充填都为间柱回采创造了安全和方便条件， 但顶底柱回采仍很困难。我国使用充填法的矿山都积压了大量的顶底柱未采。提高人 工底柱建造速度， 以人工底柱代替矿石底柱， 是解决这个问题的有效途径。 第三节上向倾斜分层充填采矿法 此法与上向水平分层充填采矿法的区别是， 用倾斜分层 （倾角近 ,） 回采， 在采场内 矿石和充填料的运输主要靠重力。这种采矿方法只能用于干式充填。 过去， 这种采矿方法以矿块回采 （图 “ - “ - ） 。充填料自充填井溜至倾斜工作面， 自 重铺撒。铺设垫板后进行落矿， 崩落的矿石靠自重溜入溜矿井， 经漏口闸门装入矿车。 在矿车内， 回采分为三个阶段， 首先回采三角形底部， 以形成斜工作面， 然后进行正常倾 斜工作面的回采， 最后采出三角形顶部矿石。 应用自行设备后， 倾斜分层充填采矿法改为沿全阶段连续回采 （图 “ - “ - .） 。最初 只需掘进一个切割天井， 形成倾斜工作面后， 沿走向连续推进。崩下的矿石沿倾斜面自 重溜下， 用自行装运设备运出。充填料从回风水平用自行设备运至倾斜面靠自重溜下。 第五篇现代矿山充填采矿技术 图 “ “ 矿块回采倾斜分层充填法 运输巷道； 回风巷道； 充填天井； ’行人、 溜矿井； 顶柱； 倾斜回采工作面上部边界 图 “ “ 连续回采倾斜分层充填采矿法 充填阶段； *落矿阶段 自行矿车； 垫板； 自行装运设备 随着上向水平分层充填采矿法的机械化程度的提高， 利用重力运搬矿石和充填料的 优越性越来越不突出。倾斜分层回采的使用条件较严格 （如， 要求矿体形态规整； 中厚以 下矿体， 倾角应大于 ,- ,等） ， 铺设垫板很不方便， 以及不能使用水力和胶结充填等， 矿块回采的倾斜分层充填采矿法， 将被上向水平分层充填采矿法所代替。连续回采倾斜 分层方案， 可能还会采用。 第四节下向分层充填采矿法 下向分层充填采矿法用于开采矿石很不稳固或矿石和围岩均很不稳固、 矿石品 ’ 第五章其他常用充填采矿新技术 位很高或价值很高的有色金属或稀有金属矿体。这种采矿方法的实质是 从上往下 分层回采和逐层充填， 每一分层的回采工作是在上一分层人工假顶的保护下进行。 回采分层为水平的或与水平成 “ “ （胶结充填） 或 “ “ （水力充填） 倾斜。倾 斜分层主要是为了充填接顶， 同时也有利于矿石运搬， 但凿岩与支护作业不如水平分 层方便。 下向分层充填法按充填材料可划分为水力充填和胶结充填两种方案， 但不能用干式 充填。两种方案均以矿块式一个步骤回采。 一、 水力充填 ’ 矿块结构和参数 矿块结构如图 所示 阶段高度为 * ， 矿块长度为 * ， 宽度等于 矿体的水平厚度， 不留顶柱、 底柱和间柱。 图 下向分层水力充填采矿法 人工假顶； ,尾砂充填体； *矿块溜井； 分层切割平巷； 溜矿井； -运输巷道； .分层采矿巷道 ,’ 采准和切割 运输巷道布置在下盘接触线处或下盘岩石中。天井布置在矿块两侧的下盘接触带， 矿块中间布置一个溜矿井。随回采分层的下降， 行人天井逐渐为建筑在充填料中的混凝 土天井所代替， 而溜矿井从上往下逐层消失。 回采每一分层前， 先沿下盘接触带掘进切割巷道。当矿体形状不规则或厚度较大 时， 切割巷道也可布置在矿体的中间。 *’ 回采工作 - 第五篇现代矿山充填采矿技术 回采方式分为巷道回采和分区壁式回采两种。当矿体厚度小于 “ 时， 采矿巷道垂 直或斜交切割巷道， 且采取间隔回采。 分区壁式回采是将每一分层按回采顺序划分为区段， 以壁式工作面沿区段全长推 进。回采工作面以溜井为中心按扇形布置， 每一分区的面积控制在 “以内 （图 ’ ’ ） 。 图 ’ ’ 黄砂坪 号矿体下向尾砂充填法 巷道回采 （、 、 *、 、 、 为回采顺序） ； ,扇形壁式工作面回采 （、 “、、、为分区回采顺序） 如果上下分层矿体长度和厚度相同， 用壁式工作面回采较为合理； 反之， 则用巷道回 采。 回采分层高度一般为 - . - *“， 回采巷道的宽度为 - . - *“。用浅孔落矿， 孔深 . - “。我国多用 /01 或 01 电耙出矿， 国外也有用装运机或输送机的。巷道 多用木棚支护， 间距 .2 - .“。壁式工作面则用带长梁的成排立柱支护， 排距 “， 间 距 .2“。 充填前要做好下列工作 清理底板， 铺设钢筋混凝土底板， 钉隔离层及构筑脱水砂门 等。铺设钢筋混凝土底板一般采用直径 - ““ 的主筋和直径 ““ 的副筋， 网度为 ““ 3 ““ - ““ 3 ““。巷道回采时， 主筋应垂直巷道布置， 其端部做成弯 钩， 以便和相邻巷道的主筋连成整体。采用水泥4砂4石为 4/4 的混凝土体积配比， 达到 - 标号就足以保证下分层回采作业的安全。 钉隔离层是将准备充填的巷道或分区与未采部分隔开， 预防充填体的坍陷。每隔 ./“ 架一根立柱， 柱上钉一层网度为 ““ 3 ““ - ““ 3 ““ 的铁丝网， 再钉一 层草垫或粗麻布， 在底板处留出 ““ 长的余量并弯向充填区， 用水泥砂浆严密封住以 防漏砂。其结构如图 ’ ’ 所示。 / 第五章其他常用充填采矿新技术 图 “ “ 隔离层构筑 金属网隔离层； 竹席隔离层 钢筋混凝土底板； ’铁丝网； 竹席； 板条 脱水砂门是一种设在切割巷道中靠待充填巷道或分区边界上， 用混凝土砖或红砖砌 筑的墙， 墙中埋设若干短竹筒或钢管， 一般每隔 * 高设一排， 每排 ’ , 根 （图 “ “ ） 。脱水砂门开