18-提浓度、保接顶及充填体防护的综合充填技术研究
提浓度、保接顶及充填体防护的
综合充填技术研究
一、成果的研究背景
我公司于2013年底对采矿方法变更，由分段空场中深孔落矿采矿法变更为采用盘区机械化上向水平分层进路采矿法，在生产实际中，出现了采场充填接顶率不高，给下一步回采作业带来极大安全隐患；充填浓度低、充填体出现离析分层现象，造成充填体强度不高，充填体揭露后易塌落，二次贫化率达到9.6%。为降低采场贫化率、损失率，提高资源回收率，降低生产成本，我公司提出了提浓度、保接顶及充填体防护的综合充填技术研究项目。
二、成果内容
1.充填料浆制备对原充填系统进行自动化改造，采用全自动网络化自动控制系统，系统具有安全可靠、控制先进、经济实用、操作维护简单、降低职工的劳动强度等特点。
充填搅拌桶依据现场条件更新为φ2.0m*h2.2m型；搅拌桶叶轮直径增加为φ760mm；底部加装风动造浆装置；提高了搅拌强度、延长搅拌时间。
引进胶凝材料C料代替水泥，使充填体强度更大、胶凝时间更短。
2.充填管路架设及保证接顶措施
在矿房回采结束后，从矿房端部后退约5m距离，在矿房顶板单独压顶一炮，形成直径约2m，高1.5m的溢流槽。以确保充填体接顶。
管路包括进砂管、排气管（DN76的聚乙烯管）、警示管（DN25.4的聚乙烯管），进砂管沿矿房顶板架设，出砂口要吊挂至充填区域最高点。其侧面按每3m切割一个放砂口，规格约4×2cm，从而形成多点均匀排砂。警示管为两根，一根吊挂在设计胶结面底部水平线上，另一根吊挂在设计胶结面顶部最终水平线上。排气管端部架设在溢流槽最高处。
接顶充填时，从矿房端部后退约5m距离，在采场顶板合适位置直径约2m的范围单独压顶一炮，使最高点与矿房顶板在1.5m左右，充填管路要吊挂至充填区域最高点。
3.板墙架设
采用网格钢架式复用板墙，具备循环使用，架设灵活、滤水效果好等优点。在板墙之外施工二道挡墙，二道挡墙高度1.2m。进砂管上安装放水三通，放置在二道挡墙之上，方便充填工操作。
4.充填体防护网挂设
一步采采场回采结束后，在靠近二步采采场的一帮或两帮铺设土工布和金属网片，胶结充填后，金属网片和土工布与胶结充填体形成类似钢筋混凝土的结构，胶结充填体的整体性和强度提高。二步采采场施工至胶结充填体时，土工布和金属网片会对充填体形成保护作用。
5.二步采矿房作业
充填体养护约5天后可以施工二步采矿房。二步采矿房要求采用以矿房底板充填体为自由面的方式分三段进行爆破。爆破后形成的爆堆面较平整，对相邻矿房充填体冲击力度小。
三、主要创新点
（一）提高充填料浆浓度的技术
原两台流量46m3/L，D46-30×4造浆水泵，水压大、流量大，造成造浆浓度不稳定、过流件磨损严重的现象。针对设备缺陷，将原造浆水泵改换为2台流量 23.4 m3/L,ISW65-25A卧式管道泵，流量降低一半，喷嘴出口压力也由1.2mpa降为0.7mpa，减少过流件磨损和造浆用水量。增设一台小型螺杆空压机，把造浆风与生产系统用风分离，使充填过程中砂仓出砂浓度更趋稳定，出砂浓度变化在±1%，通过以上措施使进入搅拌桶尾砂浓度达到了74%。在提高充填质量与效率的同时，也减少了成本费用。
一是搅拌桶规格改为为φ2.0m×h2.2m，有效容积达到6m3，同样按55m3/H计算，料浆搅拌时间达到了6分30秒，是改造前的2.88倍。二是在桶内壁垂直对称安装四块δ5、B10cm的钢板，搅拌时外侧最大线速度的料浆撞击该钢板，促使料浆再次搅拌。三是在搅拌桶底部安装了四个压风喷嘴，该喷嘴与砂仓造浆空压机相连，充填料浆制备时，喷嘴产生的高压风从底部向斜上方喷射，使料浆搅拌更加均匀。
（二）充填接顶技术
1.在采场顶板施工溢流槽
接顶充填时，从矿房端部后退约5m距离，在采场顶板合适位置直径约2m的范围单独压顶一炮，形成一个最高点与矿房顶板在1.5m左右的溢流槽。
这个溢流槽的作用在于，一是悬挂进砂管管路和排气管路，这两条管路悬挂在该溢流槽的最高点，当达到浇面充填高度通知充填站停止充填后，充填管网中的尾砂继续向采场充填，充填量大于设计时，过量的充填料浆通过排气管泄出采场，从而避免封闭采场因空间减少造成内压急剧增加产生板墙倾倒现象。二是充填结束后充填体因泄水出现沉降，溢流槽中的料浆可以部分补充泄水出现的沉降，从而一定程度的保证接顶。
2. 管路架设技术（管路包括进砂管、标志管和排气管）
（1） 进砂管路架设
进砂管路吊挂至充填区域最高点（见图1）。在管路的侧面按每3m切割或钻凿一个放砂口,直径2-4cm（见图2），从而形成多点均匀排砂以提高充填面平整度，采场任何一点距离放砂口（含管口）的距离不得超过5m。
图-1 进砂管路端部架设照片
图-2 进砂管路放砂口照片
（2）标志管架设
标志管主要的作用是保证不同配比的充填精准达到设计的充填高度，标志管出浆即表示其代表的充填任务已完成，可通知充填站停车。
标志管有两根，一根是设计胶结面底部水平线上，一根是在设计胶结面上部水平线上。
胶结面底部水平线上的标志管（规格普通白色塑料管，DN25.4，壁厚3mm，承压0.3Mpa），是为控制胶结面以下全尾充填或低配比胶结充填体的高度精准达到胶结面底部水平。该标志管的管口应低于设计胶结面底部水平，管口高度与胶结面底部水平两者之间的高度差，应根据充填工通知充填站停车所需时间内的充填量和充填站到所充填采场之间的管路存砂量除以所充填矿房的面积计算得出。
胶结面上部水平线上的标志管（规格为白色塑料管，DN25.4，壁厚3mm，承压0.3Mpa）是为控制胶结面高度精准达到设计高度，也即设计的最终充填面的高度。标志管的管口要低于胶结面上部水平高度，管口高度与胶结面上部水平之间的高度差，应根据充填工通知充填站停车所需时间内的充填量和充填站到所充填采场之间的管路存砂量除以所充填矿房的面积计算得出。
充填时，每一根标志管出水后，充填看护人员要立即将管路反向折起并绑扎牢靠，避免充填料浆从标志管外溢，并立即电话通知充填站停止充填。
（3）排气管的架设
对于没有充填回风井的接顶充填矿房，需架设排气管，排气管的作用在于防止矿房过度充填时因采场内空间逐渐减少带来的压力快速上升而对板墙造成破坏，同时在矿房过充时起溢流作用。
排气管架设在矿房顶板最高处，应比充填管口的高度略高。
排气管采用DN76，壁厚3mm，承压0.3Mpa的塑料管。
（4）管路架设时应注意的其它事项
a、吊挂时要确保管路平直、吊管捆绑稳固, 避免充填过程中脱落或颤动，防止充填时因管路弯角过大而导致浆体无法正常流动。
b、板墙外管路要沿帮吊挂，避免车辆损坏管路；为防止充填时因管路震荡而引起的板墙漏浆，管路从板墙中部穿过，板墙外的排气管及标志管不能超过4m，放在二道挡墙之内。
c、充填管路在进入矿房附近要安装放水三通，放水三通放置在二道挡墙之上，方便充填工操作放水三通，将溢流尾砂放至二道板墙内（见图-3）。
图-3 充填管路架设示意图
图-4 充填管路架设现场图
采用网格钢架式板墙（见图5、6）取代了木板墙，板墙材料可回收重复使用，并且架设灵活、效率高、滤水效果好，缩短了充填体养护时间，缩短了采场循环时间，并且节约了木材消耗，每年可节约充填成本8.5万元。
图-5 网格钢架式复用板墙
图-6 网格钢架式封闭板墙拆除照片
由于我公司岩石破碎，土工布的固定方式采用其它矿山钢钉、木楔的方法，多次出现跑漏浆现象，为此，经现场试验采取了在金属网上边缘固定20cm宽的木板，将土工布用钉子固定木板上，板墙内向矿房四周延伸至少1.5m，用冲击钻打孔，木楔将将土工布固定在岩壁上，底部挖到硬底后铺平用废，保证其密闭性（见图7）。
图-7 充填封闭板墙内土工布外延固定照片
为减少尾砂外流影响采区文明生产，在充填封闭板墙外增设了钢构二道开放板墙（见图8），高度1.2m，进砂管路上安装了放水三通阀门，置于在二道板墙上，方便开关，使管路洗刷水和最后的溢流料浆，都存于二道板墙内，经土工布过滤后减少了现场环境的污染，拆除二道板墙后用铲车进行清理，减轻了工人劳动强度。
通过以上对我公司整个充填系统的全面改进，完善的解决了原充填系统、工艺中存在的人为操作效率低、工作量大、指标控制不准确、充填不接顶、板墙跑漏浆等问题，提高了充填浓度，有效解决了充填体接顶，提高了充填体强度等一系列问题。
图8 充填二道板墙照片
我公司现在采用上向水平分层/进路充填采矿法，由于一步采矿房回采结束、胶结充填后，相邻的二步采矿房进行采矿时充填体易塌落，造成二次贫化较大，采矿贫化率达到7.6%，针对这一问题，我公司立即成立了“充填体防护”专项研究小组，对一步采矿房的充填体防护进行了专项研究并取得了良好的成果。具体做法如下：
1.一步采矿房回采结束后，在靠近二步采矿房的一帮或两帮铺设土工布和金属网片（见图-9、10），胶结充填后，金属网片和土工布与胶结充填体形成类似钢筋混凝土的结构，胶结充填体的整体性和强度提高。二步采矿房施工至胶结充填体时，土工布和金属网片会对充填体形成保护作用。
图-9 锚网+土工布胶结充填体防护现场图
图-10 锚网+土工布胶结充填体防护现场图
2.有金属网、土工布作为充填体的连接骨架，使充填体的强度和整体性得到大幅度提高。土工布作为第一道防护墙，有效减少爆破震动对充填体的破坏；金属网作为第二道防护墙，即使土工布遭到破坏，充填体也不会大量坍塌，对胶结充填体起到较好的隔离、防护作用（见图-11、12），与没有防护的一步采充填体相比，降低二次贫化的效果显著。
图-11 有防护的C料胶结充填体现场照片（灰砂比1：14）
图-12 C料胶结充填体+勾花网防护现场照片（灰砂比1：14）
3.在实际应用过程中我们对金属网的材料、固定方式进行了优化，采用勾花网代替了钢筋网，便于运输和吊挂，提高了架设效率，另外由于其变形性较好，可尽可能的贴近帮壁；勾花网采用膨胀螺栓固定在岩壁上，勾花网上用8#铁丝穿绑扎0.3m长的木板，木板与勾花网距离0.5m左右，形成地锚。胶结充填后，勾花网与胶结充填体通过地锚连结一起，防止二步采场回采揭露勾花网时散落，使胶结充填体的整体性和强度有所提高（见图13、14、15）。
图-13 充填防护网设计效果图 正视图
图-14 填防护网设计效果图 侧视图
图-15 勾花网架设现场图
四、效益分析
综上所述，我公司通过近一年多来的集思广益、积极创新、不断优化，在充填浓度提高、充填工艺优化、管理精细化方面取得了很大提高，截止到6月末充填砂浆浓度同比提高了1.4%，采矿损失、贫化率同比降低了0.03%、0.11%，每年可获得经济效益538.54万元；网格钢架式复用板墙取代了木板墙，节约了木材消耗，每年可节约充填成本8.5万元；聚乙烯塑料管和土工布等材料的更换，年可节约充填材料成本3万多元，合计通过一系列充填管理和技术创新，年可为公司创造经济效益550余万元,该成果极具推广应用价值。
