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摘要
遂昌金矿1 号铅锌矿体成矿于燕山晚期,产于隐爆火山岩中,属小型隐爆岩型(硫)铅锌矿体,为一近似直立的烟囱状结构。多年来,1 号铅锌矿体一直采用分段空场法开采,产生了阶段高度达80 m、最大暴露面积超过2 000 m2、总体积近11.4 万m3 的高阶段大跨度柱状采空区群,极易产生冒顶片帮和失稳坍塌现象,进而诱发大规模的地压灾害,引发地表沉降及塌陷危及深部未采矿体的回采作业安全。通过开采技术条件分析、资源禀赋情况调查、采空区稳定性评价及可利用旧措施工程勘察,提出了适用于1 号铅锌矿体高阶段大跨度柱状采空区群的低成本充填治理方案,并进行了充填配比参数优化、材料消耗计算、管路线路设计、管道选型与阻力计算、封堵挡墙构筑方案设计。遂昌金矿高阶段大跨度柱状采空区群的充填治理不仅可产生明显的经济效益和环境效益,还为国内外复杂采空区群的安全治理提供了借鉴。
作者及单位
杨建国1， 陈俊宇1， 周兴晖1， 李帅2， 黄淇2， 杨春刚3
引用格式
正文
浙江省遂昌金矿有限公司是浙江省最大的国有黄金矿山企业,获“国家级绿色矿山”、“全国矿山资源节约与综合利用优秀矿山企业”和“国家4A 旅游景区”等荣誉称号,拥有金矿、铅锌矿和萤石矿3 个矿区。多年来,1 号铅锌矿体一直采用分段空场法开采,采出矿石量已超过30 万t,采空区体积已超过11 万m3,随着时间的推移,矿柱稳定性将不断恶化,若不尽快采取新的工艺与技术加以处理,极易发生冒顶、坍塌等灾害,引起上覆岩层的大范围塌陷,并威胁深部生产系统的安全。
图1 铅锌矿体空间分布形态
(1)矿山生产现状。铅锌矿1 号矿体的主体采矿方法为分段空场法,对于矿体形态不规则的边角小矿体则采用浅孔留矿法。上分区+540～+735 m 采用下行式回采,隔离区+500～+540 m 首采高品位矿石,下分区+220～+500 m 采用上行式回采,目前530～610 m 中段已基本回采结束,其中540～610 m 开采现状见图2。
(2)采空区现状。如图3 所示,500 m 主运输中段保存完好、运输系统配置完善,无巷道坍塌堵塞情况;+540 m 平硐及巷道保存完好、运输系统配置善,无巷道坍塌堵塞情况;610 m 回风中段保存完好、主扇配置完好,无巷道坍塌堵塞情况。1 号铅锌矿中段回采面积表现为上部小、下部大的特征,其中,610 m中段仅702 m2,到了540 m 中段则增大到了1 887 m2。多年来,遂昌金矿1 号铅锌矿采用中深孔分段空场法开采,在540 m 中段至610 m 中段形成了巨大的采空区,采空区体积约为9.5 万m3。待528 m 中段(底部结构)至540 m 中段出矿完毕后共有11. 4万m3 左右的采空区。为减少矿石的损失率、实现矿山安全、可持续发展,必须进行充填治理。
540 m 中段采空区的面积达到1 900 m2,采空区最大阶段高度超过80 m,进行人工假顶构筑风险极高、周期长、投资大。因此,不在采场最底部构筑人工假顶。由于采空区下部资源暂未开采,如果全部采用尾砂非胶结或低强度胶结充填工艺进行采空区充填治理则不利于采空区下部未动资源的安全开采。因此,铅锌矿采空区最底部5 m 使用普通胶结充填料浆,其余采空区选择低强度胶结充填料浆,充填骨料选择全尾砂,充填配比参数见表1。
(1)底部胶结充填。铅锌矿采空区最底部5 m,选用灰砂比为1 ∶8,质量浓度70%的普通胶结充填料浆,3 d 强度可达到0.51 MPa,7 d 可达到1.41 MPa,该充填料浆密度为1.95 t/m3。底部过挡墙平面面积为1 890 m2,充填5 m,则处理体积9 450 m3。需要充填体积计算公式为
式中,Z 为采充比,取Z=0.95;K1 为不均衡系数,取K1=1.1。需要充填体质量计算公式为
式中,K3 为压缩沉降系数,取1.05;K4 为流失系数,取1.03。
计算得到采空区最底部5 m 体积为9 450 m3、所需充填料浆质量为2.08 万t。
(2)上部低强度胶结充填。其余上部空区,选用灰砂比为1 ∶20,质量浓度70%的低强度胶结充填体,3 d 强度可达到0.11 MPa,7 d 可达到0.25 MPa,该充填料浆密度为1.93 t/m3,则需要采用低强度胶结充填体处理的采空区体积为104 823 m3。需要充填体积和充填体质量计算见式(1)、式(2)。计算得到其余上部空区总体积为10.5 万m3、所需充填料浆的总质量为22.87 万t。
(3)充填材料消耗。底部胶结充填灰砂比1 ∶8,质量浓度70%,低强度胶结充填灰砂比1 ∶20,质量浓度70%,计算得全尾砂质量165 005 t,胶凝材料质量9 622 t,材料消耗量见表2。
合理的料浆输送方式对采充衔接、充填质量、充填体泄水、系统投资、运行成本具有重大影响。浆体输送方式根据是否需要外力的作用可以分为自流输送和加压泵送2 种工艺。1 号铅锌矿矿体+530～+610 m 中段矿体开采完毕后,所产生的采空区约11.4 万m3。按照初步设计内容要求,遂昌金矿在+540 m 中段平硐口进行了充填系统工程的施工建设,并于2021 年8 月建成验收进行了上部采空区的充填治理。因此,本次1 号铅锌矿矿体+530～+610 m中段11.4 万m3 采空区充填治理只能选择泵送的充填动力方式。
(1)已有充填管路布设情况。充填站位于540 m平硐口附近,目前540 m 平硐口与580 m 平硐口已经铺设充填管道。管道一端接入充填站泵送压力为18 MPa 的拖泵处,另一端进入580 m 平硐充填上部老采空区。
(2)正向充填方案。由于充填站直接布置在540 m 平硐口,如果想利用充填料浆的自重,让充填料浆从610 m 采空区顶部自上而下充填。则需要采用如下充填管道布设方案:540 m 平硐口(已有)→580 m中段平硐口(已有)→610 m 中段平硐口→采空区。
(3)反向充填方案。由于充填站直接布置在540 m 平硐口,可直接沿540 m 主巷布设充填管道,让充填料浆从540 m 采空区底部自下而上反向充填。则需要采用如下充填管道布设方案:充填站→540 m 中段主巷道→540～610 m 天井→采空区。
(4)充填管路布设方案优选。正向充填和反向充填的充填管路布设方案对比见表3。由表3 可知,正向充填的管路长度约为835 m、比反向充填少300 m,管道直接在地面铺设、不需进入天井铺设管道,施工和维护容易、投资小。同时,反向充填不符合安全规程的要求,存在较高的堵管、爆管风险。因此选择正向充填方案。
(1)充填管道选型。充填料浆经610 m 平硐长度830 m 必须采用泵送输送,参考国内外充填矿山经验,在兼顾能力、输送可靠性、料浆出口压力的基础上,充填料浆泵送输送工作流速一般在1.2～1.5 m/s左右,此时充填管道内径范围为120～132 mm。根据计算结果,结合国内充填矿山生产应用现状,建议610 m 平硐段充填管道选用ϕ140 mm×7 mm 普通无缝钢管,管道内径126 mm,此时工作流速为1.4 m/s,符合经济流速要求。
(2)沿程阻力计算。由迪拜塔泵送混凝土经验,压力标准见表4,根据泵送距离和高度计算沿程阻力为14.9 MPa,充填站出口压力为18 MPa,满足泵送要求。
采空区充填的关键工序之一是构筑封闭待充采空区与外界联系的通道,充填封堵挡墙不仅要求承受采空区内充填浆体压力,而且要具有良好的脱滤水性能。根据528 m 中段(实际标高523 m)至610 m中段已有采准工程方式,主要封堵点为:采空区与中段主巷道连接处,防止充填料浆泄入主巷道;下阶段开采可以利用的措施井工程,防止充填料浆泄入堵塞。
535 m 分段设计封堵点2 处,2 处均为防止充填料浆泄入下阶段开采可利用措施井工程(分别为矿石溜井、废石溜井和吊罐天井)而进行的采空区封堵,具体封堵位置见图4(a)。
580 m 中段设计封堵点2 处,2 处均为防止充填料浆泄入下阶段开采可以利用的措施井工程(分别为废石溜井和吊罐天井)而进行的采空区封堵,具体封堵位置见图4(b)～图4(c)。
540 m 中段设计封堵点4 处,其中,3 处为防止充填料浆泄入下阶段开采可以利用的措施井工程(分别为矿石溜井、废石溜井和吊罐天井),另1 处为防止充填料浆泄入540 m 中段主巷道而进行的采空区封堵,具体封堵位置见图4(d)。
528 中段设计封堵点5 处,5 处均为防止充填料浆泄入下阶段开采可以利用的措施井工程(分别为矿石溜井、废石溜井和吊罐天井),具体封堵位置见图4(e)。
采场充填的关键工序之一是构筑封闭待充采场与外界联系的通道,充填挡墙不仅要求承受采场内充填浆体压力,而且要具有良好的脱滤水性能。为了加快充填泄滤水排出、促进充填体快速凝固达到强度,528 m 中段采用柔性充填挡墙。为了减少充填泄滤水对井下环境的污染,其他中段使用混凝土挡墙。
如果采用全尾砂作为充填骨料,则1 ∶8 灰砂比(普通胶结充填)充填成本为147.19 元/m3,1 ∶20 灰砂比(低强度胶结充填)充填成本为95. 20 元/m3。计算可得采用全尾砂进行采空区充填的材料消耗费用约为1 138. 88 万元。采空区充填治理管路总长834 m。如表5 所示,充填管路的投资约为59.25 万元。采空区治理总成本=充填材料消耗费用+充填管路投资=1 198.13 万元。
(1)节约尾矿排放费用。遂昌金矿铅锌矿采空区充填治理全部采用全尾砂充填,共计可消纳尾矿约16.5 万t。如果不进行采空区治理,此部分尾矿需要排往尾矿库,仅考虑15 元/t 的环保税(折算为原矿成本),仅排尾征税就高达247.5 万元。同时,尾矿直排尾矿库也要消耗大量的费用,按照国内同类矿山情况估算,尾矿管道输送费用按1.5 元/t 计、尾矿库的管理、运营及维护成本高按3.5 元/t 计,遂昌金矿的排尾成本合计达82.5 万元。因此,遂昌金矿采用全尾砂进行采空区充填治理,可以实现尾矿的大量消耗,节约尾矿环排放保征征税、尾矿库运营等成本共计330 万元,经济效益显著。
(2)增加资源回收收益。在对采空区进行充填治理后,+500～+530 m 隔离矿柱可以得到有效释放,转化为可采的宝贵资源。此部分保有资源量约为12万t,如果采空区得到充填治理,至少可以采出9 万t,按照100 元/t 的利润估算,可以盈利900 万元。
因此,在对采空区进行充填治理后总共可节约尾矿排放环保征税、尾矿库运营等成本共计330 万元、回收隔离矿柱盈利900 万元,共计1 230 万元,不仅可以抵消采空区治理成本,还会有少量盈余。
遂昌金矿铅锌矿采用全尾砂充填进行采空区充填治理,不仅具有明显的经济效益,而且还有显著的环境效益和社会效益。
(1)可以及时充填采空区、有效控制地压活动、保障回采作业安全,避免由于地压灾害造成的人员伤亡事故、防止地表塌陷。
(2)可以最大限度地回收地下矿产资源。充填法由于采用人工矿柱,实现两步骤安全回采,不留矿柱或使矿柱量大大减少,与空场法相比,其矿石回收率一般要提高10%。
(3)可以使+500～+530 m 中段约12 万t 隔离矿柱得到有效释放,转化为可采的宝贵资源,延长铅锌矿服务年限1～2 a。
(4)根据最新的《中华人民共和国环境保护税法》,采用充填治理采空区,可以消纳尾矿16 万t,可节约尾矿排放税收和尾矿库运营成本、延长矿库服务年限3～4 a。
(5)可以大大减轻尾矿排放对地表环境造成的危害,改善当地生态环境,有助于遂昌金矿建成技术先进、资源高效利用的绿色示范矿山。
(1)通过矿床地质特征、资源储量、矿体开采技术条件分析,结合现场进行的资源禀赋情况、采空区通路和形态、周边措施工程调查,对1 号铅锌矿+530～+610 m 的采空区进行了系统的统计分析,共计调查获得采空区总体积11.4 万m3,采空区目前稳定状态良好但失稳坍塌风险极高。
(2)在对采空区进行充填治理后总共可节约尾矿排放税收、尾矿库运营等成本共计330 万元、回收隔离矿柱盈利900 万元,共计1 230 万元,不仅可以抵消采空区治理成本1 198 万元,还会有少量盈余。
(3)采用全尾砂充填进行采空区充填治理,可以有效控制地压活动、保障回采作业安全,避免由于地压灾害造成的人员伤亡事故、防止地表塌陷;可以最大限度地回收地下矿产资源,使+500～+530 m 中段约12 万t 隔离矿柱得到有效释放;可以大大减轻尾矿排放对地表环境造成的危害,改善当地生态环境,有助于遂昌金矿建成技术先进、资源高效利用的绿色示范矿山。
