专利名称：一种大型采空区全尾砂充填方法
技术领域：
本发明涉及一种地下矿山采空区处理方法，尤其是涉及一种大型采空区全尾砂充 填方法。适用于各类矿山利用全尾砂对已有采空区进行充填处理。
背景技术：
采空区处理有两类基本方法一是崩落法，二是充填法。利用全尾砂等工业废渣作 为回填料，对已采空区进行处理或作为贮库，国内外目前工程实例仅限于干砂或较粗尾砂。 对位于正在采矿生产的采场上部的大型采空区，用极细颗粒的全尾砂进行水力充填，是一 个工程规模大、地质条件复杂、风险程度高的技术难题。主要表现为高差大、流体压力高、排 砂口空间小、浓度较低流量较大、细粒尾砂沉降速度慢、排水困难，一旦泄漏引起透水跑砂 事故，就会对下部采矿安全及井下数百人的生命财产构成极大威胁。中国专利申请97112374公开了一种高浓度和膏体矿山充填工艺及设备，它是将 选矿厂的全部尾砂经脱水、活化、加粘接剂搅拌制成高浓度的或膏状的砂浆充填料，输送到 采空区排放后，形成高强度的充填体；其工艺设备包括带有脱水和流态化装置的砂仓、搅拌 机及输送系统，流态化装置可将粒径为5微米 5毫米之间的砂粒从沉积状态活化，制成 70 86%的高浓度的或膏状浆体。该专利申请提供的工艺方法适合于地下矿山充填采矿， 但不适合于大型采空区处理；而且，由于需要将尾矿经脱水、活化、加粘接剂搅拌等工序制 成70 86%的高浓度，处理过程复杂，费用高。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述缺陷，而提供一种大型采空区全尾 砂充填方法，利用全尾砂对已有采空区进行充填处理，既解决采空区的安全隐患、保证大型 深井矿山的正常生产，又节约采空区处理费、尾砂堆存征地费及排水费。为实现本发明上述目的，本发明一种大型采空区全尾砂充填方法通过以下技术方 案来实现(1)将相对独立、相邻的单个或数个采空区组合划分为一个充填单元；(2)在充填单元采空区周边巷道上修筑封闭墙，在封闭墙墙体内设置排水管，排水 管上设置矿浆阀；(3)将尾砂输送主管由采空区上方的平硐铺至充填单元上方；每个充填单元上口 由尾砂输送主管接一根或数根水砂充填管或水砂充填钻孔；(4)高位放砂、分中段排水和交替充填根据充填单元深浅与容积大小，按一定次 序交替打开采空区上方平硐内尾砂输送主管的相应水砂充填管的矿浆阀，进行定量放砂、 交替充填；采空区水砂充填超过某一中段高度，则打开相应中段封闭墙体上的排水管上的 阀门进行排水。“高位放砂”是在采空区上部，借助水砂充填管或水砂充填钻孔内水砂混合流体的 重力势能，让尾砂浆体直接进入采空区下部各个角落。定量放砂、交替充填，可保持采空区内沉砂面的均勻上升，籍以提高采空区的充填率。上述一个充填单元的采空区数量一般为1-6个，大多情况下为1-4个。所述封闭墙的位置要求在采空区塌落带以外且距离采空区的边界不小于20m，封 闭墙前后5m范围内围岩坚固稳定、完整性好，完整性系数不小于0.9。封闭墙基槽开挖施工中的刷帮、挑顶及挖底均用小炮或风镐，防止松动围岩，浮石
应清除。所述封闭墙应按大体积混凝土设计，施工要连续浇灌、分层捣固，通过小井用于接 顶的混凝土，适当增加砂率，塌落度宜为120 180mm，在混凝土墙体竣工龄期28天后，方可 投入使用。所述封闭墙墙体内的排水管由上下两根组成，分别称之为上部排水管、下部排水 管。上部排水管可排除沉砂面以上的澄清水(溢流水)；下部排水管(墙内进口被反滤体包 裹)起滤水管的作用，排除沉砂内的孔隙水，用以减少孔隙水压，增加沉积尾砂的固结度， 进而提高充填体的强度与稳定性。本发明一种大型采空区全尾砂充填方法排水方式优选为采空区水砂充填超过某一中段(水平)高度，则打开相应中段封闭墙下部排水管 阀门，观测其排水量，含砂量及滤水效果；然后缓慢打开封闭墙上部排水管阀门，同时观察 水量与水质，当水质较清，可继续打开封闭墙上部排水管阀门进行排水；当出现含砂量2% (重量浓度)以上的浑水，其时间超过30分钟，则关闭封闭墙上部排水阀门，待出水含量低 于2% (重量浓度)，再缓慢打开封闭墙上部排水管阀，进行排水；如此反复进行排水，随充 填进程排水逐渐向上部水平转移。当发现封闭墙下部排水管排水停顿，还可用压水反洗滤层疏通以便将沉砂内孔隙 水完全排除。本发明一种大型采空区全尾砂充填方法通过以下技术方案具有以下积极效果(1)消除了特大型采空区的安全隐患，确保了大型深井矿山的正常生产；(2)节约了采空区处理费、尾砂堆存征地费及排水费，直接经济效益显著；(3)将尾矿(尾砂)充填于地下采空区，不建尾矿库或大幅度减少了向尾矿库排放 的尾矿量，实现了少废和无废开采，为建设生态矿山起了示范作用。
图1为本发明一种大型采空区全尾砂充填方法的充填原理与布置纵向投影图。
具体实施例方式为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种大型采空区全尾砂充 填方法作进一步详细描述。图1所示的本发明一种大型采空区全尾砂充填方法的充填原理与布置纵向投影 图。附图标记为1-地表；2-平硐；3-尾砂输送主管；4-水砂充填管或水砂充填钻孔；5-矿浆阀； 6-采空区；7-巷道；8-封闭墙；9-排水管；10-矿浆阀。由图1所示的是本发明一种大型采空区全尾砂充填方法的充填原理与布置纵向投影图看出利用与地表1相通的平硐2，铺设尾砂输送主管3，根据采空区6的分布与大小，布 置数根水砂充填管4，每根充填管4出口设置一只矿浆阀5，水砂充填管4与采空区6的顶 部贯通；尾砂输送主管3所在平硐2以下各中段与采空区6相通的巷道7上设置混凝土封 闭墙8，封闭墙8墙体内设有排水管9及阀门10。图1中水砂充填管4为3根，一般为1-8 根封闭墙8基槽开挖施工中的刷帮、挑顶及挖底均用小炮或风镐，防止松动围岩，浮
石应清除。封闭墙8的位置要求在采空区塌落带以外且距离采空区的边界不小于20m，封闭 墙8前后5m范围内围岩坚固稳定、完整性好。封闭墙8按大体积混凝土设计，施工要连续 浇灌、分层捣固，通过小井用于接顶的混凝土，适当增加砂率，塌落度宜为120 180mm，在 混凝土墙体竣工龄期28天后，方可投入使用。水砂充填管4也可以用水砂充填钻孔替代。采空区充填方案的设计与施工可以分为四个阶段第一阶段划分充填单元。将相对独立的单个或数个采空区组合划分为一个单元； 确定其空间分布范围、容积大小、可充尾砂数量；确定采空区边界及与周边井巷设施相通的 通道；进行采空区围岩地质构造、节理裂隙、断层的分布及钻孔位置调查与素描。第二阶段在划分充填单元基础上，确定水砂充填管口或水砂充填钻孔的位置、数 量、充填方式与工艺、输砂管的走向、尾砂浓度及输送量的要求；采空区井下通道的封闭位 置、数量、结构型式、施工要求；排水量、排水方式和排水系统设置；监测与安全检查方式、 内容、地点通道及制度的建立；应急预案的制定。第三阶段在确定充填方案的基础上进行设计与施工。第四阶段进行“高位放砂，分中段排水和交替充填”工艺的实施。在完成了采空区充填方案的设计与施工后，即可进行“高位放砂、分中段排水和交 替充填”工作。所谓“高位放砂”是在采空区上部，借助水砂充填管或水砂充填钻孔4内水砂混合 流体的重力势能，让尾砂浆体直接进入采空区6下部各个角落。“分中段排水”是指当尾砂沉积、砂水分离后，其沉降水则从本中段及上一中段的 封闭墙8墙体中排水管9内排出。封闭墙的排水管9由上下两根组成，分别成为上部排水 管、下部排水管。上部排水管可排除沉砂面以上的澄清水(溢流水)；下部排水管(墙内进 口被反滤体包裹)起滤水管的作用，排除沉砂内的孔隙水，用以减少孔隙水压，增加沉积尾 砂的固结度，进而提高充填体的强度与稳定性。“交替放砂”是指每根充水砂填管或水砂充填钻孔4，按所分担的采空区体积大小 及在空间分布不同，依一定次序和时间轮流交替排砂的方法，保持采空区内沉砂面的均勻 上升，籍以提高采空区的充填率。本发明提供的充填方法已在我国某大型地下有色矿山——特大型采空区成功地 进行了全尾砂充填处理的工程实践。该实施例由全尾砂水力充填管路、采空区上口放砂点 的布置、采空区封闭、排水及检查监控等五大部分(系统)组成。该实例于2002年开始实 施，至2009年4月完成充填尾砂干量665X 104t，处理采空区412X 104m3。据工程验证勘察检测，采空区内大体积充填的尾砂体积平均固结度为90%以上，处于稳定状态；尾砂内小 于5 y m粒径占16%，故在地震烈度为9度时不会产生液化；采空区围岩及封闭墙变形趋于 0。该项目成功实施后取得了显著的经济社会效益。(1)消除了特大型采空区的安全隐患，确保了大型深井矿山的正常生产；(2)从节约采空区处理费、尾砂堆存征地费及排水费计直接经济效益6. 6亿元，保 障矿山安全生产的间接效益40亿元；(3)实现了少废和无废开采，为建设生态矿山起了示范作用；(4)据调查统计，我国空场法开采的矿山比例占50 60%，留下了大量的采空区， 采空区处理是矿山普遍面临的难题。某矿特大型采空区充填治理的成功，为类似矿山采空 区治理提供了实例，具有广泛地推广应用前景。
权利要求
一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于通过以下技术方案来实现(1)将相对独立、相邻的单个或数个采空区(6)组合划分为一个充填单元；(2)在充填单元采空区(6)周边巷道(7)上修筑封闭墙(8)，在封闭墙(8)墙体内设置排水管(9)，排水管(9)上设置矿浆阀(10)；(3)将尾砂输送主管(3)由采空区(6)上方的平硐(2)铺至充填单元上方；每个充填单元上口由尾砂输送主管(3)接一根或数根水砂充填管(4)；(4)高位放砂、分中段排水和交替充填根据充填单元深浅与容积大小，按一定次序交替打开采空区(6)上方平硐(2)内尾砂输送主管(3)的相应水砂充填管(4)的矿浆阀(5)，进行定量放砂、交替充填；采空区水砂充填超过某一中段高度，则打开相应中段封闭墙体上的排水管(9)上的矿浆阀(10)进行排水。
2.如权利要求1所述的一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于所述封闭墙(8) 的位置在采空区(6)塌落带以外且距离采空区(6)的边界不小于20m，封闭墙前后5m范围 内围岩完整性系数不小于0.9。
3.如权利要求2所述的一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于封闭墙(8)基 槽开挖施工中的刷帮、挑顶及挖底均用小炮或风镐，防止松动围岩，浮石应清除。
4.如权利要求3所述的一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于封闭墙(8)按 大体积混凝土设计，施工要连续浇灌、分层捣固，通过小井用于接顶的混凝土，适当增加砂 率，塌落度为120 180mm ；封闭墙(8)混凝土墙体竣工龄期28天后，方可投入使用。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于所述 封闭墙(8)墙体内的排水管(9)由上下两根组成，分别称之为上部排水管、下部排水管。
6.如权利要求5所述的一种大型采空区全尾砂充填方法，其特征在于排水方式优选为采空区水砂充填超过某一中段(水平)高度，则打开相应中段封闭墙下部排水管阀门， 观测其排水量，含砂量及滤水效果；然后缓慢打开封闭墙上部排水管阀门，同时观察水量与 水质，当水质较清，可继续打开封闭墙上部排水管阀门进行排水；当出现含砂量2% (重量 浓度)以上的浑水，其时间超过30分钟，则关闭封闭墙上部排水阀门，待出水含量低于2% (重量浓度)，再缓慢打开封闭墙上部排水管阀，进行排水；如此反复进行排水，随充填进程 排水逐渐向上部水平转移。
全文摘要
本发明公开了一种大型采空区全尾砂充填方法，通过以下技术方案来实现将相对独立、相邻的单个或数个采空区(6)组合划分为一个充填单元；在充填单元采空区(6)周边巷道(7)上修筑封闭墙(8)，在封闭墙(8)墙体内设置排水管(9)，排水管(9)上设置矿浆阀(10)；将尾砂输送主管(3)由采空区(6)上方的平硐(2)铺至充填单元上方；每个充填单元上口由尾砂输送主管(3)接一根或数根水砂充填管(4)；采用高位放砂、分中段排水和交替充填。本发明利用全尾砂对已有采空区进行充填处理，既解决采空区的安全隐患、保证大型深井矿山的正常生产，又节约采空区处理费、尾砂堆存征地费及排水费，实现了少废和无废开采，为建设生态矿山起了示范作用。
文档编号E21F16/00GK101892862SQ20101020912
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者匡玉生, 孙浩, 张传信, 李冬青, 胡新付, 胡永泉, 赵继银 申请人:华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司