大型机械化作业下固体废物充填处理超大型采空区_何标庆.pdf

大型机械化作业下固体废物充填处理 超大型采空区 何标庆 1 简文彬 2 （1. 龙岩学院资源工程学院， 福建 龙岩 364000； 2. 福州大学岩土工程与工程地质研究所， 福建 福州 350000） 摘要针对超大型采空区传统处理方法具有成本高、 技术难度大、 安全风险大、 效率低等不足， 将固废资源 利用与采空区处理有机结合， 利用固体废弃物对大型采空区进行充填处理， 并研究了充填工艺及安全控制方法。 以福建龙岩某矿山为例， 首先采用Mathews稳定性图解方法对该矿3个超大型采空区的稳定性进行了分析， 认为 采空区具备了进行大规模机械化充填作业的条件； 然后对废弃物充填材料的性质及合理配比进行了试验， 得到了 建筑垃圾与尾矿砂的最佳配比 （体积比） 为5 ∶2； 最后应用FLAC3D模拟方法分析了充填后的采空区对下部铁矿开 采的影响， 开采后顶板位移为5～8 mm、 两帮位移为 2～4 mm， 变形较小， 采空区较稳定， 通过对采空区处理费用 及消纳建筑垃圾收入的综合分析， 所提采空区处理方法的平均成本约9.13 元/m2， 远低于其他采空区充填法。研 究表明 采用大型机械化作业充填固体废物处理超大型采空区， 有助于解决超大型采空区稳定问题， 降低采矿成 本， 提高作业效率， 满足非煤矿山超大型采空区处理和固体废物资源利用的实际需要。 关键词地下开采超大型采空区采空区处理稳定性分析固体废物充填 中图分类号 TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-019-07 DOI10.19614/ki.jsks.201907004 Filling Super-large Goaf with Solid Waste under Large-scale Mechanized Operation He Biaoqing1Jian Wenbin22 （1. School of Resource Engineering， Longyan University， Longyan 364000， China； 2. Institute of Geotechnical and Geological Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350000， China） AbstractAiming at the technical problems of high cost， high technical difficulty， high safety risk and low efficiency of traditional treatment s for super-large goaf， the idea of organic combination of solid waste resource utilization and goaf treatment is discussed， the corresponding filling treatment of large goaf with solid waste is proposed， and filling technology and safety control are given.Taking a mine in Longyan， Fujian Province as an example， firstly， the stability of three super- large goafs is analyzed by Mathews stability graphic ， it is show that large-scale mechanized filling operation can be car- ried out in these goafs； then， the properties and rational proportion of waste filling materials are tested and studied， and the rea- sonable material ratio of construction waste and tailings sand volume ratio is 5 ∶2； finally， the influence of the goafs after fill- ing to its lower iron orebodies mining activities is analyzed， after mining operation， the roof displacement is 5～8 mm， two sides displacement is 2～4 mm， the overall displacement is small， the goaf stability is good.Through the comprehensive analysis of the disposal cost of the goafs and the income of the construction waste， the average cost is about 9.13 yuan/m2， which is much lower than that of other goaf filling s.The study results indicated that the treatment of super-large goaf by filling solid waste with large-scale mechanized operation can not only solve the problem of stability of super-large goaf， reduce min- ing cost and improves operation efficiency， but also suit the practical needs of treating super-large goaf and utilizing solid waste resources in non-coal mines. KeywordsUnderground mining， Super-large goaf， Goaf treatment， Stability analysis， Solid waste filling 收稿日期2019-06-04 基金项目福建省自然科学基金项目 （编号 2015J01642） 。 作者简介何标庆 （1970） ， 男， 副教授， 硕士。 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 19 ChaoXing 金属矿山2019年第7期总第517期 超大型采空区不仅威胁地下安全开采， 而且容易 引发地表裂缝、 塌陷和沉降等一系列安全问题 ［1-4］。现 阶段， 采空区处理方法主要有崩落、 充填和永久封闭3 类方法 ［5-6］。其中， 永久封闭法成本低、 处理简单， 但不 适于处理超大型采空区 ［7-8］； 崩落法处理成本低， 处理 流程简单， 但操作技术难度大， 处理不当可能影响周 边采空区的稳定与安全 ［9］； 充填法主要有干式充填、 水砂充填、 胶结充填、 膏体充填等类型 ［10-11］， 由于需要 添加胶凝材料， 一般成本较高 ［12-13］， 简单的废石碴干式 回填， 存在充填率不高、 沉降大等问题 ［14-16］。因此， 亟 需研发一种充填成本低、 安全风险小、 生产效率高的 充填工艺来处理超大型采空区。 随着国民经济的快速发展， 产生了大量的工 业、 城市生活固体废物。大量的固体废物占用了大 量土地资源， 破坏了生态环境。目前， 对固体废物 的利用程度极低， 如尾矿砂的利用率不足10 ［17］， 主要还是进入尾矿库堆存 ［18-19］； 建筑垃圾资源化利 用不足5 ［20］， 基本是通过填埋处置［21］。并且， 该类 固废的收纳场地都是危险源 ［22］。 本研究将固体废物处理与超大型采空区处理有 机结合， 用固体废物充填超大型采空区。通过控制 合理的充填料级配比例降低充填成本； 通过稳定性 分析、 大型机械作业论证， 提出安全高效的充填工 艺。该工艺的实施不仅有助于消除超大型采空区的 安全隐患， 而且可以合理利用固体废物资源， 具有较 好的社会效益和经济效益。 1矿山开采现状 福建省龙岩市某矿山为主采铁矿石、 兼采石灰 石的地下矿山， 其铁矿石生产能力为12104t/a， 石 灰石生产能力为40104t/a。矿区内石灰石矿赋存 于上层， 铁矿位于下层， 两矿层相距约140 m。石灰 石矿体赋存于二叠系下统栖霞组 （P1q） 地层中， 直接 围岩为硅质灰岩和矽卡岩， 局部为矽卡岩和磁铁矿， 岩石硬度较大。铁矿体赋存于二叠系下统栖霞组 （P1q） 灰岩与辉绿岩脉接触处的矽卡岩蚀变带中， 直 接围岩为石榴子石矽卡岩、 透辉石矽卡岩， 钙铁辉石 矽卡岩及硅灰石矽卡岩等， 岩石硬度较大。目前， 该 矿查明铁矿体5条， 其中V铁矿体位于矿区南部， 赋 存标高为200～400 m， 其余4条矿体位于矿区北部， 赋存标高为100～650 m。矿区北部只采铁矿石， 不 采石灰石， 南部兼采铁矿石、 石灰石。矿区南部上部 石灰石矿体与下部铁矿体的垂向关系如图1所示。 该矿山在同一个系统开采铁矿石和石灰石， 分 北采区和南采区。 （1） 北采区开采铁矿， 自上而下开采， 目前开采 至300 m标高。铁矿体采用房柱法和浅孔留矿法开 采。当矿体倾角小于30时， 采用房柱法开采； 当矿 体倾角大于30时， 采用浅孔留矿法开采。开采的矿 体连续性差、 矿体小， 形成的多为顶板暴露面积小的 孤立采空区， 一般采用废石充填或封闭处理。 20 ChaoXing 何标庆等 大型机械化作业下固体废物充填处理超大型采空区2019年第7期 （2） 南采区上部开采石灰石， 下部开采铁矿。由 于石灰石矿体下部有不同程度的大理岩化、 矽卡岩 化， 为避免对下方铁矿开采带来影响， 同时为了保 护地表生态环境， 石灰石开采仅在矿石质量高的区 域布置540 m 中段， 铁矿开采布置350、 300、 250、 200 m 4个中段， 上部石灰石开采与下部铁矿 开采之间最小垂距为140 m。石灰石矿体采用房柱法 开采， 条带式布置， 只采矿房， 不采矿柱， 一步骤回 采。采场及时处理危石， 依靠间隔矿柱和矿岩稳固性 保证采空区稳定。采空区采用固体废物充填处理， 将 采空区作为处理建筑垃圾、 尾矿砂等固体废物的场 所。铁矿体采用浅孔留矿法开采， 采空区嗣后处理， 在超大型空区处理后， 在350 m中段开始开采。 矿井早期开采形成的采空区较大， 大多为宽20～ 30 m的长条形空区， 个别大者呈宽度为25～40 m的 椭圆条形空区， 该类空区组合成3个暴露面积超过 3 000 m2的超大型采空区。超大型采空区主要位 于540 m中段， 其下方400～200 m区段分布有V铁 矿体。为确保V铁矿体正常开采， 需对上部超大型 采空区进行充填处理。 2超大型采空区稳定性分析 该矿山3个超大型采空区特征参数见表1。 考虑岩体的结构效应、 节理裂隙、 地下水等因 素， 按照Bieniawski的RMR岩体质量分类法进行修 正， 利用加拿大 Rocsience 公司开发的 Roclab1.0 软 件， 对超大型采空区石灰石进行岩体物理力学参数 计算， 结果见表2。 本研究采用Mathews稳定性图解方法分析采空 区顶板的稳定性， 结果见表3。 由Mathews稳定性系数与水力半径的相关系数 可知 3个采空区均处于稳定区， 即该采空区可进行 充填作业。 3大型机械作业充填方法 3. 1固体废物充填处理方法 利用矿山原上中段通往采空区上部的巷道作为 卸碴通道， 或重新开拓卸碴巷道至采空区上部。用 自卸式汽车将固体废物运至卸碴通道口， 并卸于巷 道中， 再由装载机推入采空区。采空区上部卸碴直 接堆排入采空区， 堆排高度至上部通道时， 再利用装 载机碾压压实， 整体向前推进， 逐步充填采空区。在 靠近采空区底部出口一侧用粒度大的废石、 建筑垃 圾堆排， 采空区内侧用粒度小的尾砂堆排。堆至顶 部后， 由装载机利用铲斗将上部充填物压实， 而后从 内往采空区上部退至出口， 再将出口用浆砌封闭。 在采空区下部出口相连巷道处进行封堵， 防止尾矿 砂外泄。采空区固体废物充填流程如图2所示。 3. 2大型机械充填作业流程 3. 2. 1工艺流程 用汽车将固体废物运至采空区上部出口处卸碴 巷道自卸， 再用装载机推入采空区。按合理充填物 料配比， 先运尾矿砂， 再运建筑垃圾、 废石进行堆排， 堆至超出上部出口水平后， 用装载机进行碾压， 碾压 强度应满足装载机行走要求。若强度不足， 再充填 建筑垃圾、 废石， 反复充填、 碾压， 直至装载机能在作 业位置自由行走， 此为第一个充填作业循环。装载 机场地整平继续推进， 再运送充填物料→卸碴巷道 自卸→装载机推进空区→超出上部出口水平后装载 机进行碾压至强度要求。依此循环作业， 推进至靠 近采空区底部出口一侧时， 全部采用建筑垃圾、 废石 进行充填。整个采空区充填至上部出口水平后， 装 载机由内至外退出作业， 利用装载机伸臂高度往高 处堆排， 利用铲斗压实， 尽可能充填接顶， 退出上部 21 ChaoXing 金属矿山2019年第7期总第517期 出口后， 将上部出口进行封闭。 地面采用型号为XMZGF650/2000-U的板框压滤 机进行尾砂脱水， 脱水至含水率不大于15。采用载 重量10 t自卸汽车运输、 ZL50C装载机铲运碾压。 3. 2. 2作业安全管理 初期未形成平台时， 汽车卸碴在巷道内， 与上部 出口的距离5～8 m。严禁汽车将固体废物直接从高 处自卸进入空区， 须在汽车自卸后由装载机推进空 区。在采空区形成平台后， 汽车自卸时应控制好与 平台边沿的距离。充填时应尽可能将空区周边充填 密实， 靠近顶部堆填时， 应用装载机铲斗压实， 并尽 可能接顶。在进入大暴露面下作业前， 应认真排查 危石、 浮石， 避免物体打击。及时对围岩位移进行监 测， 掌握矿压变化情况。装载机与汽车不得同时在 采空区作业， 正常作业时只保留两人在采空区内， 一 人指挥， 另一人操作。 3. 3采空区出口封堵 3. 3. 1采空区下出口封堵 为防止可能产生的尾矿砂泄漏堵塞井下排水沟 及部分尾矿沙流失影响外部环境， 对采空区下部出 口进行适当封堵加固， 兼顾排水功能， 采用级配合理 的废石砌筑封堵墙。在采空区外的连接巷道10 m长 的范围内用井下采掘产生的碎石回填， 回填高度为 1.5 m， 在此碎石回填段之外设置封堵墙， 如图3所示， 设置的封堵墙为梯形断面， 高约1.5 m， 顶宽2.0 m， 内 外侧坡比均为1 ∶ 1.5。 封堵墙墙体施工采用块石、 碎石薄层堆筑， 并采 用装载机铲斗适当拍压密实， 每层堆石厚度为0.3～ 0.5 m。堆填石料要求采用井下掘进产生的新鲜、 坚 硬、 耐风化、 耐磨蚀岩石， 湿抗压强度≥40 MPa， 软化 系数≥0.85， 石块长短边之比不大于4。颗粒粒径小 于20 mm的含量＜5， 有适当的级配， 堆石孔隙率≤ 30， 堆石干密度≥1.75 t/m3。封堵墙内侧坡面采用 双层400 g/m2无纺土工布组合滤层， 土工布幅之间采 用尼龙线缝制， 并进行错位搭接， 搭接宽度不小于 0.2 m。土工布铺设后， 在土工布上逐层覆盖级配砂 砾石。其中， 粗砂厚度为150 mm， 粒径0.2～2 mm； 砾 石厚度为 150 mm， 粒径 2～20 mm； 碎石厚度为 300 mm， 块度为20～50 mm。 3. 3. 2采空区上出口封堵 采区上部出口采用一般封堵方式， 设置两道封 堵， 前一道封堵于采空区上部出口处， 浆砌封堵至 顶， 后一道封堵于与上部出口相连接的巷道中设置， 半封闭即可。两道封堵可达到防止尾砂外泄和人员 进入的目的。 4充填材料性质与配比 4. 1充填材料性质 该矿山尾矿砂化学元素分析结果见表4， 主要成 分和含量见表5。 注 带Ga和Ge的单位为g/t。 由表4可知 该矿尾砂化学元素含量符合环保要 求。 由表5可知 尾矿砂主要成分中绿泥石影响透水 性， 但其含量仅为1.45， 尾矿砂透水性较好； 建筑垃 圾的成分有混凝土块、 碎石块、 砖瓦碎块、 废砂浆、 渣 土、 泥浆、 沥青块、 废塑料、 废金属、 废竹木等， 渣土和 泥浆会影响充填体的透水性， 因此， 选用建筑垃圾 时， 应控制渣土和泥浆混入。井下掘进产生的废石 主要为砂岩、 辉绿岩、 矽卡岩， 废石岩性强、 块度大， 满足渗透水要求。 4. 2充填材料配比 充填材料配比应确保充填体地面的承载力能满 足装载机和汽车行走作业要求。井下掘进废石量有 限， 建筑垃圾也受到运输距离影响， 因此， 在满足充 填体强度要求的前提下， 首先应多处理尾矿砂， 其次 是建筑垃圾。为获取最优充填材料配比， 设计了两 个室外试验。 试验1， 模拟井下充填作业试验。在地面设置高 22 ChaoXing 2019年第7期何标庆等 大型机械化作业下固体废物充填处理超大型采空区 差约12 m的上下2个平台， 首先在下平台堆满12 m 高尾矿砂至上平台， 然后推建筑垃圾或废石至其上， 并碾压后推堆， 反复碾压直至装载机能行走。试验 表明 （1） 当在尾矿砂上方堆废石反复碾压至装载机 能够行走时， 测定受压后的尾矿砂层厚约10 m， 废石 层厚约2 m， 表明尾矿砂与废石层的厚度比5 ∶ 1可满 足要求， 即尾矿砂与废石体积比为5 ∶ 1。 （2） 当在尾矿砂上方堆建筑垃圾反复碾压至装 载机能够行走时， 测定受压后的尾矿砂层厚约9 m， 建筑垃圾层厚约3 m， 说明尾矿砂与建筑垃圾厚度比 9 ∶ 3可满足要求， 即尾矿砂与废石体积比为3 ∶ 1。 试验2， 建筑垃圾与尾矿砂配比沉降试验。开挖 大小为4 m4 m3 m（长宽高） 的试验坑进行 填筑固体废物， 分50、 100、 150、 200 kPa 4级加压。以 体积 （车载量） 控制比例， 共进行3组试验， 体积比为 分别为5 ∶ 1、 5 ∶ 2、 5 ∶ 3。试验得到的压力沉降曲线 如图4所示。试验表明 建筑垃圾与尾矿砂体积比为 5 ∶ 2时， 沉降最小， 最有利于减少碾压工作量， 提高作 业效率。 5充填效果 3个超大型采空区充填处理的整个作业过程安 全、 顺利； 采用汽车运输、 装载机作业， 现场作业人员 少， 高效便捷。采空区处理过程及充填处理后， 采空 区周边范围矿压稳定， 无不良现象。经过1 a观测， 空 区内堆填的固体废物及空区周边围岩均保持稳定， 采空区出口封堵保持完好， 有少量水流出， 排渗正 常； 受到装载机和汽车行走碾压作用， 充填体已压 实、 无沉降； 空区充填率约95。充填空区利用固废 资源量约20.5104m3， 其中掘进废石0.5104m3， 建 筑垃圾约8104m3， 选矿尾砂约12104m3。 5. 1充填体对下部铁矿开采的影响 矿山石灰石开采后留下的超大型空区处理后 在350 m中段开始开采。由于充填体距离铁矿开采 最近距离为142 m， 且铁矿开采为嗣后充填， 因此， 最 危险的时间段为142 m水平的350 m中段开采形成 空区尚未充填时。本研究采用FLAC3D软件模拟分析 充填体对下部铁矿开采的影响。充填体与铁矿体开 采的关系可简化为图5所示， 垂直方向、 水平方向的 应力分布如图6所示， 垂直方向、 水平方向的位移分 布如图7所示。 由图6、 图7可知 垂直方向应力为0.2～4 MPa， 水 平方向应力0～4 MPa， 石灰岩抗拉强度为2.93 MPa， 采矿形成的空区顶板可能垮塌， 两帮可能片帮； 垂直 方向位移为5～8 mm， 水平方向位移为2～4 mm， 变形 23 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 小， 围岩稳定。总体上， 采矿形成的空区顶板、 两帮 较为稳定， 即上部充填体对下部铁矿开采的影响极 小。 5. 2充填成本 空区处理成本主要涉及选矿尾砂压滤脱水费 用、 装载机作业费用、 尾砂汽车运输费用和采空区上 部、 下部出口封堵费用。本研究采空区处理成本如 表6所示。 由表6可知 充填采空区总费用为225.6万元， 消 纳建筑垃圾收入 64 万元， 故采空区处理总成本为 161.6万元。由于该矿山3个采空区总体积为17.7 104m3， 故平均成本约9.13元/m3， 远低于采空区其他 充填法成本。 6结语 以福建某矿山为例， 将固体废物充填到大型采 空区， 提出了大型机械化作业的充填工艺和安全控 制方法， 并论证了采空区充填后对下部铁矿开采的 安全影响。研究表明 建筑垃圾与尾矿砂的最优体 积比为5 ∶ 2， 可大幅提升机械化充填作业效率； 大型 机械化作业充填固体废物处理超大型采空区， 平均 成本约9.13元/m3， 经济效益较好， 且作业效率高， 安 全风险小， 对于非煤矿山超大型采空区处理具有一 定的适用性。 参 考 文 献 陈兰兰， 肖海平.金属矿山采空区稳定性研究现状分析 ［J］ .中国 钨业， 2017， 32 （3） 17-21. 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