王謙源團(tuán)隊(duì)：大空區(qū)低成本充填處理方法研究與實(shí)踐

由于采礦技術(shù)、開(kāi)采成本、環(huán)境意識(shí)與管理等多方面的原因，我國(guó)金屬和非金屬地下礦山過(guò)去主要采用空?qǐng)龇ê捅缆浞ㄩ_(kāi)采，留下了大量采空區(qū)，一般稱為老空區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2015年底，共有采空區(qū)12.8億，分布于全國(guó)28個(gè)?。ㄊ小^(qū)），給礦山安全和環(huán)境生態(tài)造成嚴(yán)重危害。王謙源團(tuán)隊(duì)以國(guó)內(nèi)某礦山為工程背景，考慮成本投入、材料輸送、充填配比等因素，進(jìn)行大空區(qū)的治理工作研究與實(shí)踐，為相關(guān)工程問(wèn)題提供借鑒。

大空區(qū)低成本充填處理方法研究與實(shí)踐

林景尚 王謙源 陳寧青 王海龍 林 敏

摘 要：針對(duì)老空區(qū)充填處理一般投資較大、成本較高的技術(shù)難題，結(jié)合某鐵礦大空區(qū)充填處理實(shí)際，利用原地面大空區(qū)觀測(cè)孔和既有充填系統(tǒng)，設(shè)計(jì)建設(shè)了一套簡(jiǎn)單、實(shí)用、投資較低的地面輔助泵送充填系統(tǒng)，并配套發(fā)明設(shè)計(jì)了一套翻板式活門攪拌機(jī)取料裝置；研究發(fā)現(xiàn)了泵送充填上坡管路的嚴(yán)重震動(dòng)現(xiàn)象，提出了混凝土墩固定管路的減震方法；通過(guò)研究分析大空區(qū)的充填特點(diǎn)，提出了薄餅充填結(jié)構(gòu)模型思想，認(rèn)為大空區(qū)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)較高既無(wú)必要，也起不了多大強(qiáng)度作用，據(jù)此提出了降低充填體強(qiáng)度和充填灰砂比的設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：老空區(qū)治理 全尾砂充填 充填系統(tǒng) 充填管路震動(dòng) 充填體強(qiáng)度 充填配比

背景礦山大空區(qū)治理?xiàng)l件分析

通過(guò)分析礦山現(xiàn)狀，得出有利于大空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)的3個(gè)因素:

(1)大空區(qū)地面觀測(cè)孔可用于充填放料。為便于及時(shí)了解和掌握大空區(qū)的發(fā)展情況，該礦先后在大空區(qū)上方施工了10個(gè)104 mm觀察孔，而且觀察孔分布相對(duì)均勻，距離空區(qū)邊界最遠(yuǎn)不超過(guò)100 m，是大空區(qū)充填處理的理想通道。

(2)該礦已經(jīng)建成一套滿足300萬(wàn)t/a生產(chǎn)規(guī)模、150 /h自流輸送能力的深錐濃密機(jī)高濃度全尾砂制漿充填系統(tǒng)，可利用該系統(tǒng)的料漿制備能力充填空區(qū)，但需要建設(shè)一套地面輔助泵送充填系統(tǒng)，解決充填料漿取料和地面輸送問(wèn)題。

(3)大空區(qū)處理充填與井下采礦充填不同，主要利用采礦充填的剩余尾砂和間歇時(shí)間充填，充填時(shí)間相對(duì)寬裕和靈活，因此，若投資緊張，充填泵可選1臺(tái)，暫不考慮備用。

中國(guó)主要釩鈦磁鐵礦資源分布情況

翻板式活門取料裝置設(shè)計(jì)

考慮到大空區(qū)充填體強(qiáng)度要求不高，灰砂比相對(duì)較低等多種因素，認(rèn)為從一級(jí)攪拌槽下方取料能夠滿足制漿要求，但需設(shè)計(jì)增加一個(gè)取料裝置，并要求:不改變和破壞原兩級(jí)攪拌機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，不影響井下采礦生產(chǎn)的正常充填運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方面，密封良好。為此發(fā)明設(shè)計(jì)了一套側(cè)開(kāi)門、底部翻轉(zhuǎn)活門取料裝置。

側(cè)開(kāi)門底部反轉(zhuǎn)活門取料器

管路震動(dòng)問(wèn)題與解決

泵送充填管路反坡送料段震動(dòng)較大是固有問(wèn)題，而且充填泵排量越大，反坡越高，管路震動(dòng)越大，平送管路震動(dòng)則較小。這種管路震動(dòng)并非一般彈性減震措施所能解決，處理不好會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。

經(jīng)研究和試驗(yàn)分析，決定采用預(yù)埋鋼筋混凝土墩剛性固定減震措施。即在管路拐彎、爬坡等重要節(jié)點(diǎn)上，挖坑或埋樁預(yù)制頂部邊長(zhǎng)50~80 cm，高80~150 cm的半埋式鋼筋混凝土墩，上部預(yù)埋管路連接板，下部埋入巖土深度約為混凝墩高度的2/3。管路重新安裝后，減震固定效果良好，較好解決了管路震動(dòng)問(wèn)題。

充填配比優(yōu)化

研究發(fā)現(xiàn)，大空區(qū)充填與普通礦房嗣后充填完全不同，有4個(gè)顯著特點(diǎn)：①充填區(qū)范圍大，空區(qū)長(zhǎng)度超過(guò)700 m，寬度從下部的幾十米到中上部的一二百米；②空區(qū)內(nèi)不能通過(guò)人工設(shè)置擋墻控制料漿的流動(dòng)范圍和距離，只能任其流淌；③充填放料點(diǎn)設(shè)置受限，服務(wù)距離偏大，一般超過(guò)一二百米；④利用充填采礦的剩余尾砂充填，連續(xù)充填的時(shí)間短，一次充填量小。

經(jīng)測(cè)算，即使每次連續(xù)充填1 000，料漿流動(dòng)范圍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，都會(huì)在上表面形成1個(gè)光滑的軟弱面，這就使整個(gè)充填體實(shí)際為軟弱層結(jié)構(gòu)體，稱為薄餅結(jié)構(gòu)。由于軟弱面的作用，這種薄餅充填結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度很低，采用較高的灰砂比和強(qiáng)度設(shè)計(jì)既無(wú)必要，也起不了多大強(qiáng)度作用，據(jù)此提出新的充填料漿配比方案。

大空區(qū)充填薄餅結(jié)構(gòu)示意圖

主要結(jié)論與效益

（1）利用礦山原地面空區(qū)觀察孔作為放料孔，并利用礦山已經(jīng)建成使用的全尾砂充填系統(tǒng)，設(shè)計(jì)建設(shè)了一套簡(jiǎn)單、實(shí)用、投資較小的輔助地面泵送充填系統(tǒng)，解決了大空區(qū)中上部空區(qū)的充填難題。

（2）設(shè)計(jì)了一套翻板式活門攪拌機(jī)取料裝置，解決了在不破壞原一、二級(jí)攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)，不影響井下正常充填運(yùn)行要求下的大空區(qū)充填攪拌料漿取料難題，并為簡(jiǎn)化充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了條件。

（3）發(fā)現(xiàn)了反坡泵送充填管路的震動(dòng)現(xiàn)象和嚴(yán)重危害，研究設(shè)計(jì)了鋼筋混凝土墩固定管路減震方法，取得滿意效果。

（4）分析了大空區(qū)的充填特點(diǎn)，提出了薄餅充填結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為高灰砂比、高強(qiáng)度充填大空區(qū)既無(wú)必要，也起不了多大強(qiáng)度作用，據(jù)此提出了降低充填體強(qiáng)度和灰砂比的配比建議。

（5）本項(xiàng)目輔助泵送充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)費(fèi)，包括土建部分約300萬(wàn)元，比常規(guī)設(shè)計(jì)節(jié)省資金1 000余萬(wàn)元；經(jīng)測(cè)算，按照推薦配比充填處理空區(qū)，充填成本比原配比降低膠固粉用量約30%，可為充填處理大空區(qū)節(jié)省費(fèi)用4 000余萬(wàn)元。因此，該項(xiàng)目投資與經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

引用格式

林景尚,王謙源,陳寧青,等.大空區(qū)低成本充填處理方法研究與實(shí)踐[J].金屬礦山,2024(6):85-88.

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作者簡(jiǎn)介

王謙源，山東省突出貢獻(xiàn)專家，青島理工大學(xué)二級(jí)教授。1986年重慶大學(xué)采礦工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)，曾任青島理工大學(xué)高教研究室主任、理學(xué)院院長(zhǎng)等職，研究生導(dǎo)師。現(xiàn)為青島理工大學(xué)固廢綜合利用研究院首席專家。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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