地下礦充填系統設計(design of filling system for underground mine)

將制備的充填料輸送到地下采礦場和采空區進行充填的地下采礦工程設計。在地下采礦時，隨著采礦作業的推進而出現的采空區，必須加以充填，以防止礦體頂板塌陷。充填系統的種類繁多。因充填材料不同，可分尾砂充填、山砂(河砂或海砂)充填、廢石充填、碎石充填、戈壁集料充填、混合料充填和添加膠結劑的膠結充填等；依運搬方式，又可分為人力運搬充填、電耙充填、機械化(鏟運機或卡車)充填、拋擲充填、風力充填、水力充填和各種形式的聯合充填。主要設計內容包括：充填系統選擇、充填材料選擇、充填材料量及充填能力確定、充填料制備和輸送等。

充填系統選擇中國金屬礦山主要采用尾砂水力充填系統及其膠結充填系統。如凡口鉛鋅礦、金川有色金屬公司各礦山、錫礦山銻礦、水口山礦務局柏坊銅礦、吉林鎳業公司付家塢礦、紅透山銅礦以及三山島、焦家、新城等絕大多數金礦。其次是山砂水力充填和人力運搬的廢石充填。風力充填、機械化充填和拋擲充填很少應用。主要原因是尾砂充填料來源充足，管道輸送能力大，具有維護和管理簡便和充填成本較低等優點。山砂水力充填適用于非膠結，沒有尾砂或河沙可用的礦山，其缺點是水耗量大、管壁及管件磨損較嚴重，該系統在波蘭的礦山應用較廣泛，在中國會澤鉛鋅礦、錫礦山銻礦、湘潭錳礦使用較成功。廢石充填在某些礦業發達、機械化水平較高的國家，同時有露天與地下開采的礦山，使用比較廣泛，少量的廢石充填礦山仍靠人力運搬。與水力充填相比，主要是粉塵濃度高、作業環境惡劣。往充填材料中摻加水泥等膠凝材料即形成相應的膠結充填系統，適用于開采有色金屬的富礦體。

充填材料選擇可供選擇的充填材料有：廢石或專門開采的塊石，選礦尾砂或自然堆積的細砂(風砂、河砂)，戈壁積料和破碎加工的山砂，冶煉爐渣和各種工業廢料以及用水泥或其他活性材料制備的各種膠結充填料。設計中除考慮資源充足、具有一定強度、不泥化、價格低、不含有害和有毒物質外，還要結合回采工藝、材料制備、運輸方式和經技術經濟比較后確定，要優先考慮利用本礦的尾砂和掘進、剝離廢石作充填料。尾砂用作回采采場或采空區充填料時，一般要求小于0.03mm的粒級不大于5％，滲透速度不小于8cm／h；用尾砂作膠結充填骨料時，分級界限可適當降低；充填孤立或嚴密隔離的采空區時，可采用全粒級尾砂作充填料。用水泥作膠結材料時，一般采用低標號的散裝水泥，有條件的礦山可考慮摻入部分粉煤灰和生石灰等作代用品，以降低水泥用量。

充填材料量與充填能力確定包括礦山日平均充填量和充填能力計算。

礦山日平均充填量指礦山年充填時間內，平均每日應充填的體積，按下式計算：

Q₀=(Q_a/γ)(Z/T)

式中Q₀為礦山平均日充填量，m³／d；Q_a為充填法年采出礦石量，t／a；γ為礦石密度，t／m³；丁為礦山年工作日，d；Z為充采比，即每采出1m³礦石需向回采空區提供充填料的數量。一般情況，Z=0.85～0.90。為使充填系統留有余地，設計時一般取Z=1。

充填能力計算指充填系統各種設施的綜合能力，一般按式Q₁=KQ₀．=計算。式中Q₁為平均日充填能力，m³／d；K為生產不均衡系數一般取2～3。考慮到采礦與充填各工序間的不均衡性以及充填料壓縮、沉降、流失等因素。一般在充填系統簡單或采空區充填時，取小值；在充填系統復雜、環節多、線路長和分層回采充填時，取大值；Q₀為礦山平均日充填量，m³／d。

充填料制備充填料在送入充填管道(或井巷)之前，與水和其他材料在攪拌容器中或混合溝內混合成砂漿(混凝土)的工藝過程。充填制備站一般應設在充填負荷中心，其高程通常以滿足井下不加壓輸送為宜。水力充填時，班充填時間一般不小于5小時；膠結充填時，應盡可能采用連續作業。充填料制備站通常由料倉和分級、攪拌、計量以及輔助設施組成。尾砂水力充填通常采用半球底圓筒結構的立式砂倉和配有旋流器、攪拌筒等設施制備砂漿。山砂水力充填常采用儲倉混合溝式注砂室，溝的坡度一般大于15^。～20^。，溝內襯砌耐磨材料并設格篩和沉鐵窩，以防雜物和大塊料進入充填管道，造成堵塞事故。采用水力輸送膠結充填料時，需增設膠結劑與尾礦(砂石)漿攪拌的混合系統，通常在制備站將膠結劑制成料漿經管道輸送到井下采場前進行攪拌混合，或運送到采場中自然混合。采用塊石混凝土膠結充填時，一般需在地面充填井口或井下回采充填區專設混凝土攪拌機。

充填料輸送充填料的輸送主要是靠水力，通常，利用重力進行自流輸送，常用管道長度L與充填料入口與出口之間的高差H之比的充填倍線N來表示，其計算式為N=L/H。N值常用以估算整個自流充填系統的服務范圍。中國經驗，對小于60mm碎石，N=5～8；小于5mm的河砂或細砂，N=8～12。當充填料的粒度越細，管路系統簡單，彎頭少，阻力小時，N值大，反之N值小。一般認為，N值的下限是可靠的，上限是可能的，超過此限時需通過試驗和計算。采用碎石充填時，水砂體積比通常為1：1～1：3，最小流速為4m／s；用粒度小于5mm河砂充填時，最小流速為2.5m／s；用細砂或尾砂充填時，流速為2～2.5m／s。對于兩相流體管道的水力坡度等各項參數，一般需通過試驗求得，中小規模的礦山可用近似公式計算并參照類似礦山選取。主充填管需配備用管，且不可安設在提升井內。當礦體埋藏不深，充填量大，服務年限長時，需設計專用充填管路井。一般在豎管底部與水平管聯結處或在水平管的最低處設置事故排砂閥門。當充填倍線大和采用膏體充填時，須用泵壓輸送充填料。膏體充填指用料漿濃度達75％～85％，呈牙膏狀的充填料進行充填(普通充填料濃度為55％～65％)。其優點是水泥等膠結劑耗量少、強度大、充填水量小、井下污染少、環衛條件好、成本較一般充填料低，但一次投資大和試驗要求較嚴格。干式充填的礦山，在充填量不大時，可用礦車運輸。對于碎石膠結充填運距和高差不大的礦山，可用電耙倒運；對于無軌機械化開采的礦山可采用機械運送；當對充填體質量要求嚴格時，可采用拋擲機充填。

充填系統設計中的其他工作還有污水排除、計量儀表和通訊聯絡系統的選用等。