王谦源团队：大空区低成本充填处理方法研究与实践

由于采矿技术、开采成本、环境意识与管理等多方面的原因，我国金属和非金属地下矿山过去主要采用空场法和崩落法开采，留下了大量采空区，一般称为老空区。据统计，截止到2015年底，共有采空区12.8亿，分布于全国28个省（市、区），给矿山安全和环境生态造成严重危害。王谦源团队以国内某矿山为工程背景，考虑成本投入、材料输送、充填配比等因素，进行大空区的治理工作研究与实践，为相关工程问题提供借鉴。

大空区低成本充填处理方法研究与实践

林景尚 王谦源 陈宁青 王海龙 林 敏

摘 要：针对老空区充填处理一般投资较大、成本较高的技术难题，结合某铁矿大空区充填处理实际，利用原地面大空区观测孔和既有充填系统，设计建设了一套简单、实用、投资较低的地面辅助泵送充填系统，并配套发明设计了一套翻板式活门搅拌机取料装置；研究发现了泵送充填上坡管路的严重震动现象，提出了混凝土墩固定管路的减震方法；通过研究分析大空区的充填特点，提出了薄饼充填结构模型思想，认为大空区充填体强度设计较高既无必要，也起不了多大强度作用，据此提出了降低充填体强度和充填灰砂比的设计建议。

关键词：老空区治理 全尾砂充填 充填系统 充填管路震动 充填体强度 充填配比

背景矿山大空区治理条件分析

通过分析矿山现状，得出有利于大空区治理方案设计的3个因素:

(1)大空区地面观测孔可用于充填放料。为便于及时了解和掌握大空区的发展情况，该矿先后在大空区上方施工了10个104 mm观察孔，而且观察孔分布相对均匀，距离空区边界最远不超过100 m，是大空区充填处理的理想通道。

(2)该矿已经建成一套满足300万t/a生产规模、150 /h自流输送能力的深锥浓密机高浓度全尾砂制浆充填系统，可利用该系统的料浆制备能力充填空区，但需要建设一套地面辅助泵送充填系统，解决充填料浆取料和地面输送问题。

(3)大空区处理充填与井下采矿充填不同，主要利用采矿充填的剩余尾砂和间歇时间充填，充填时间相对宽裕和灵活，因此，若投资紧张，充填泵可选1台，暂不考虑备用。

中国主要钒钛磁铁矿资源分布情况

翻板式活门取料装置设计

考虑到大空区充填体强度要求不高，灰砂比相对较低等多种因素，认为从一级搅拌槽下方取料能够满足制浆要求，但需设计增加一个取料装置，并要求:不改变和破坏原两级搅拌机的整体结构，不影响井下采矿生产的正常充填运行，结构简单，操作方面，密封良好。为此发明设计了一套侧开门、底部翻转活门取料装置。

侧开门底部反转活门取料器

管路震动问题与解决

泵送充填管路反坡送料段震动较大是固有问题，而且充填泵排量越大，反坡越高，管路震动越大，平送管路震动则较小。这种管路震动并非一般弹性减震措施所能解决，处理不好会带来严重后果。

经研究和试验分析，决定采用预埋钢筋混凝土墩刚性固定减震措施。即在管路拐弯、爬坡等重要节点上，挖坑或埋桩预制顶部边长50~80 cm，高80~150 cm的半埋式钢筋混凝土墩，上部预埋管路连接板，下部埋入岩土深度约为混凝墩高度的2/3。管路重新安装后，减震固定效果良好，较好解决了管路震动问题。

充填配比优化

研究发现，大空区充填与普通矿房嗣后充填完全不同，有4个显著特点：①充填区范围大，空区长度超过700 m，宽度从下部的几十米到中上部的一二百米；②空区内不能通过人工设置挡墙控制料浆的流动范围和距离，只能任其流淌；③充填放料点设置受限，服务距离偏大，一般超过一二百米；④利用充填采矿的剩余尾砂充填，连续充填的时间短，一次充填量小。

经测算，即使每次连续充填1 000，料浆流动范围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，都会在上表面形成1个光滑的软弱面，这就使整个充填体实际为软弱层结构体，称为薄饼结构。由于软弱面的作用，这种薄饼充填结构的整体强度很低，采用较高的灰砂比和强度设计既无必要，也起不了多大强度作用，据此提出新的充填料浆配比方案。

大空区充填薄饼结构示意图

主要结论与效益

（1）利用矿山原地面空区观察孔作为放料孔，并利用矿山已经建成使用的全尾砂充填系统，设计建设了一套简单、实用、投资较小的辅助地面泵送充填系统，解决了大空区中上部空区的充填难题。

（2）设计了一套翻板式活门搅拌机取料装置，解决了在不破坏原一、二级搅拌机结构，不影响井下正常充填运行要求下的大空区充填搅拌料浆取料难题，并为简化充填系统设计提供了条件。

（3）发现了反坡泵送充填管路的震动现象和严重危害，研究设计了钢筋混凝土墩固定管路减震方法，取得满意效果。

（4）分析了大空区的充填特点，提出了薄饼充填结构模型，认为高灰砂比、高强度充填大空区既无必要，也起不了多大强度作用，据此提出了降低充填体强度和灰砂比的配比建议。

（5）本项目辅助泵送充填系统设计建设费，包括土建部分约300万元，比常规设计节省资金1 000余万元；经测算，按照推荐配比充填处理空区，充填成本比原配比降低胶固粉用量约30%，可为充填处理大空区节省费用4 000余万元。因此，该项目投资与经济效益十分可观。

引用格式

林景尚,王谦源,陈宁青,等.大空区低成本充填处理方法研究与实践[J].金属矿山,2024(6):85-88.

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作者简介

王谦源，山东省突出贡献专家，青岛理工大学二级教授。1986年重庆大学采矿工程专业硕士研究生毕业，曾任青岛理工大学高教研究室主任、理学院院长等职，研究生导师。现为青岛理工大学固废综合利用研究院首席专家。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：戴颖熠

审核：王小兵

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