王謙源團隊：大空區(qū)低成本充填處理方法研究與實踐

由于采礦技術、開采成本、環(huán)境意識與管理等多方面的原因，我國金屬和非金屬地下礦山過去主要采用空場法和崩落法開采，留下了大量采空區(qū)，一般稱為老空區(qū)。據統(tǒng)計，截止到2015年底，共有采空區(qū)12.8億，分布于全國28個?。ㄊ?、區(qū)），給礦山安全和環(huán)境生態(tài)造成嚴重危害。王謙源團隊以國內某礦山為工程背景，考慮成本投入、材料輸送、充填配比等因素，進行大空區(qū)的治理工作研究與實踐，為相關工程問題提供借鑒。

大空區(qū)低成本充填處理方法研究與實踐

林景尚 王謙源 陳寧青 王海龍 林 敏

摘 要：針對老空區(qū)充填處理一般投資較大、成本較高的技術難題，結合某鐵礦大空區(qū)充填處理實際，利用原地面大空區(qū)觀測孔和既有充填系統(tǒng)，設計建設了一套簡單、實用、投資較低的地面輔助泵送充填系統(tǒng)，并配套發(fā)明設計了一套翻板式活門攪拌機取料裝置；研究發(fā)現(xiàn)了泵送充填上坡管路的嚴重震動現(xiàn)象，提出了混凝土墩固定管路的減震方法；通過研究分析大空區(qū)的充填特點，提出了薄餅充填結構模型思想，認為大空區(qū)充填體強度設計較高既無必要，也起不了多大強度作用，據此提出了降低充填體強度和充填灰砂比的設計建議。

關鍵詞：老空區(qū)治理 全尾砂充填 充填系統(tǒng) 充填管路震動 充填體強度 充填配比

背景礦山大空區(qū)治理條件分析

通過分析礦山現(xiàn)狀，得出有利于大空區(qū)治理方案設計的3個因素:

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

(2)該礦已經建成一套滿足300萬t/a生產規(guī)模、150 /h自流輸送能力的深錐濃密機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間充填，充填時間相對寬裕和靈活，因此，若投資緊張，充填泵可選1臺，暫不考慮備用。

中國主要釩鈦磁鐵礦資源分布情況

翻板式活門取料裝置設計

考慮到大空區(qū)充填體強度要求不高，灰砂比相對較低等多種因素，認為從一級攪拌槽下方取料能夠滿足制漿要求，但需設計增加一個取料裝置，并要求:不改變和破壞原兩級攪拌機的整體結構，不影響井下采礦生產的正常充填運行，結構簡單，操作方面，密封良好。為此發(fā)明設計了一套側開門、底部翻轉活門取料裝置。

側開門底部反轉活門取料器

管路震動問題與解決

泵送充填管路反坡送料段震動較大是固有問題，而且充填泵排量越大，反坡越高，管路震動越大，平送管路震動則較小。這種管路震動并非一般彈性減震措施所能解決，處理不好會帶來嚴重后果。

經研究和試驗分析，決定采用預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)點上，挖坑或埋樁預制頂部邊長50~80 cm，高80~150 cm的半埋式鋼筋混凝土墩，上部預埋管路連接板，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問題。

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個顯著特點：①充填區(qū)范圍大，空區(qū)長度超過700 m，寬度從下部的幾十米到中上部的一二百米；②空區(qū)內不能通過人工設置擋墻控制料漿的流動范圍和距離，只能任其流淌；③充填放料點設置受限，服務距離偏大，一般超過一二百米；④利用充填采礦的剩余尾砂充填，連續(xù)充填的時間短，一次充填量小。

經測算，即使每次連續(xù)充填1 000，料漿流動范圍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，都會在上表面形成1個光滑的軟弱面，這就使整個充填體實際為軟弱層結構體，稱為薄餅結構。由于軟弱面的作用，這種薄餅充填結構的整體強度很低，采用較高的灰砂比和強度設計既無必要，也起不了多大強度作用，據此提出新的充填料漿配比方案。

大空區(qū)充填薄餅結構示意圖

主要結論與效益

（1）利用礦山原地面空區(qū)觀察孔作為放料孔，并利用礦山已經建成使用的全尾砂充填系統(tǒng)，設計建設了一套簡單、實用、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）設計了一套翻板式活門攪拌機取料裝置，解決了在不破壞原一、二級攪拌機結構，不影響井下正常充填運行要求下的大空區(qū)充填攪拌料漿取料難題，并為簡化充填系統(tǒng)設計提供了條件。

（3）發(fā)現(xiàn)了反坡泵送充填管路的震動現(xiàn)象和嚴重危害，研究設計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，提出了薄餅充填結構模型，認為高灰砂比、高強度充填大空區(qū)既無必要，也起不了多大強度作用，據此提出了降低充填體強度和灰砂比的配比建議。

（5）本項目輔助泵送充填系統(tǒng)設計建設費，包括土建部分約300萬元，比常規(guī)設計節(jié)省資金1 000余萬元；經測算，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)省費用4 000余萬元。因此，該項目投資與經濟效益十分可觀。

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踐[J].金屬礦山,2024(6):85-88.

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作者簡介

王謙源，山東省突出貢獻專家，青島理工大學二級教授。1986年重慶大學采礦工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)，曾任青島理工大學高教研究室主任、理學院院長等職，研究生導師?，F(xiàn)為青島理工大學固廢綜合利用研究院首席專家。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居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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