乔先毅
鄂托克前旗长城五号矿业有限公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇 016200
摘要：某矿山采矿有露天开采和地下开采两种方式。废石场堆积的废石含酸性物质，大气降雨淋滤产生酸性水。其公司为了治理废石场酸性水对当地环境污染，在废石场下游新建一座酸性水库。但新建场地下存在地下采空区，需进行采空区的充填治理，充填治理方法的选择尤为关键。
关键词：充填采空区；采矿工程；安全
某矿山改造工程井下深部挖潜扩产技术改造项目和新选矿厂建设工程的配套工程需新建一座选矿尾水处理的酸性水库，占地71821m2。拟建主水坝按不透水碾压土石坝设计，设计最大坝高21m，坝长约88.0m。为防止坝基渗漏，需先对库区内的下覆采空区充填，以阻止空区围岩崩落。根据本工程勘察资料，库区内下覆采空区按照山谷地理位置可分为3处，分别为主坝基空区两条，拦石坝基空区两条，填方区空区6条。空区围岩为微风化千枚岩。
一、充填体强度设计
具有代表性的充填体强度计算方法有工程类比法、理论计算法和数值分析法。由于类比法和理论计算法使用简便，因而运用广泛。而数值分析法需要运用边界元法或有限元法分析，计算过程较复杂。因此本次采用类比法和理论计算法进行充填体强度设计。
1.1工程类比法
不同矿山的开采条件、充填技术条件以及充填材料强度特性都不相同，而且受到矿山开采成本和效益等经济方面的约束。因此，需要根据矿山的实际条件与相类似矿山进行比较，从而选取一个较为适当的充填体强度经验值。根据实际条件类比得出３＃矿体采空区胶结充填体６０ｄ设计强度要在２ＭＰａ以上，由表１可知，灰砂比要在（１∶４）～（１∶８）。
1.2理论计算法
蔡嗣经教授对国内外矿山实际的充填资料分析得出回归经验公式，胶结充填体的强度与充填体的高度的曲线关系。ｙ２＝ａｘ３式中，ｙ为胶结充填体矿柱的高度（m）；ｘ为胶结充填体的强度（ＭＰａ）；ａ是系数，取６００。
二、充填方法的选择
2.1 充填途径的选择
一般矿山采空区充填方法途径主要有以下两种。结合本矿山实际情况，连接采空区的巷道已废弃，修复较困难，已无法直接进入采空区作业，且采空区离地表的距离较近，充填质量要求不高。综合情况，决定采用地表钻孔充填施工。
2.2 充填材料的选择
目前，空区充填的主要材料有尾砂、工业废渣、碎石、河沙、井下废石。对于本矿山老采空区可以采用的充填材料有尾砂和废石，以及混凝土和砂浆。考虑成本因素，不考虑混凝土充填，纯水泥砂浆只作为裂隙注浆和空区接顶使用。老采空区的运输系统已经撤退，巷道闭坑，已经不可能从平巷运输废石进入空区。所以，可能的充填料为尾砂。本矿山选厂尾砂和尾砂坝堆积尾砂均可以利用和足量供应。根据本矿山充填材料的来源情况以及矿山生产实际情况，本着采集方便，成本低，优先消纳矿山固废排放的原则，本设计选择矿山尾砂作为充填骨料。
2.3 充填方式
尾砂充填可以选择的方式有分级尾砂充填、全尾砂充填、高水固结尾砂充填、高浓度全尾砂充填等。由于矿山反映原有井巷塌落破坏严重，不能进入，所以老空区尾砂充填的最大困难是不能封闭空区，在崩落围岩的乱石堆下部必然跑砂，污染下部作业中段。
不推荐全尾砂充填和分级尾砂充填。采用地表钻探揭露采空区顶板，使用膏体尾砂胶结充填。膏体材料含水少，不易流动，堆积在空区崩落碎石堆上；待水泥胶结后形成整体，能够支撑围岩。对顶板沉降裂隙采用纯砂浆地表注浆，形成帷幕地层。
2.4 充填工艺
本项目采用一次性集中处理空区4.8万m3，空区分布在地面相距200m～400m的一条沟谷内。本方案推荐在空区地表建立两个流动简易充填站，工后拆除恢复植被。集中国内矿山生产经验，节约投资，推荐的充填工艺为四个工序。
（1）备料。在矿山尾砂库排沙口的尾砂经过筛分后用装载机装车，汽车运输到空区充填站的卧式砂仓待用。膏体充填料配料的最大粒径与输送管径之比不宜大于1：5；尾砂最大粒径控制在15mm以下，超细颗粒-20um控制在20%以下，不宜小于15%。稳定性要求较高时，-20um的超细粒级含量不宜小于25%；如有在管道中停留时间较长的膏体，其分层度不宜大于2.0cm；膏体的动力粘性系数不宜过大。采用P0425硅酸盐水泥。为了提高充填料浆体的和易性和固结性能，经过充填材料配比实验后，决定采用石膏粉的比例。
（2）制浆。配料仓的尾砂、水泥、石膏粉经过配料机和配料皮带进入双辊强制式连续搅拌机，加水后经强力活化搅拌机进入增压泵。按照环管试验决定的充填参数控制膏体骨料配比和含水量。保证膏体骨料质量比75%以上，塌落度15mm～25mm；可按采空区重要性调控灰砂比。控制灰砂比在1：5～1：7，但必须满足充填体强度(≥2Mpa)需求。
（3）泵送。膏体自流输送容易出现堵管现象，建议不采用自流输送。按照本工程充填空区高差小，管路短，弯管少的特点，根据空区充填倍线选择尾砂膏体充填增压泵。充填料的管道输送参数。高浓度充填管道一般管径为100mm～200mm。本方案考虑设备配套，高浓度充填料浆流速不宜超过4m/s，推荐充填管道直径不宜小于125mm。主充填管垂直段宜采用耐磨性能好的锰钢管或耐磨复合管；主充填管水平段宜采用无缝钢管或耐磨复合管；充填工作面的充填管宜采用钢编复合管或钢塑复合管。主充填管垂直段上口与水平主充填管连接处宜设伸缩管；主充填管垂直段下口与水平主充填管连接处及反向敷设的水平主充填管最低处应设排砂阀；充填管道连接件的强度不应低于所连接管材的强度。
（4）充填接顶。采用纯水泥浆或稀释后低浓度的充填料高压输送到采空区，使充填料填塞高度能满足空区围岩稳定自立的支撑要求。
（5）充填料配比。本次空区充填，设计充填料最终的强度为2Mpa，在满足强度要求的情况下，应尽量降低水泥的产量，降低成本，根据试验结果，充填料配比及强度推荐使用灰料比为1：6的充填体，该充填体28d强度基本满足要求。
2.5 充填系统
本设计推荐使用流动膏体制备站，选择在平坦、宽敞、运料便捷的山坡地，管路在山谷平地敷设，进入地表钻孔。该系统采用连续制浆，连续充填，料浆搅拌均匀，充填能力较大。每班充填结束后采用清水冲洗管路，其水压不应小于0.15MPa。
结语：
运用工程类比法得出充填体60ｄ的设计强度要在2ＭＰａ以上，对应灰砂比在（1:4）～（1：8）。运用理论计算方法可知，当矿柱回采暴露的充填体垂直高度为４０ｍ时，设计充填体强度要达到1.5ＭＰａ。随着充填体高度的增加，为维持充填体自立性，其内部应力需逐渐增加，40ｍ高的充填体强度要达到1.664ＭＰａ。运用该充填法，基本完成整个河床下采空区的处理，为下部矿体的回采提供了安全条件，提高了充填接顶率，维护了采空区顶板、地表河床的安全。采场之间的矿柱趋于稳定，没有出现片帮、层裂和裂隙扩展等现象，全面保证了整个３＃矿体采空区的稳定性。
参考文献：
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