地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第2期 VOL.10 No.2 1999



高水固化材料在南京铅锌银矿中的应用*
李兆平　张弥
　　摘　要　南京铅锌银矿是地下开采矿山，历史上遗留的大量采空区已严重威胁地面风景区的稳定，区内不断发生地面沉降、塌陷等地质灾害；1988年以后，采矿方法更改为分级尾砂充填法后，随之又带来对井下作业环境的污染；选矿后产生的尾泥直接排入长江，造成环境污染。在本项研究中，提出“用全尾砂加高水固化材料充填采空区和生产采场”方案，并进行工业性试验，效果良好，可解决上述三大问题。
　　关键词　地下采空区　全尾砂　高水固化材料　充填
　　中图号　TD353.8　TD325.3
THE APPLICATION OF HIGH-WATER CONSOLIDATING MATERIAL IN NANJING Pb-Zn-Ag MINE
Li Zhaoping　Zhang Mi
(Tunnel and Geotechnical Engineering Institute,The Northern Jiaotong University ,Beijing　100044)
　　Abstract　The underground mining in Nanjing Pb-Zn-Ag mine has brought about a number of mi ned-areas in history,which have been threatening the stability of landscape of Q ixia mountain and inducing many geo-hazards such as ground subsidence and collap se continuously. The mining method of graded tailings-filling has been used sinc e 1988. But it brought about the pollution of underground working environment. I n addition the tailings mud from mill run were plunged into the Tangtze river an d polluted the environment.In this research project, a method called "filing min ed-out area and stope using mixture of tailing sand and high-water consolidating materials" is proposed. The industrial experiments of this method have been performed with a good result. I t has been shown that the method can solve mentioned three problems.
　　Key Words　Underground mined-out area　Full sand-end　High -water consolidating material　Filling
　　南京铅锌银矿地处南京市东北郊栖霞山。栖霞山是国内著名的风景区和佛教胜地，区内有明镜湖、千佛岩等国家重点文物保护单位。本矿为地下开采矿山，矿床类型属大型铅锌多金属矿床，探明储量1614×104t，金属量115.7×104t，主矿体为1#矿体，走向长850m，沿倾向延伸250～400m，平均厚度23m，矿体走向NE45～55°，倾向NW，倾角60～80°，浅部较缓， 深部转向直立。
　　地下开采采用平硐盲竖井开拓，目前共开拓出6个中段，即：-28，-75，-125，-175，-225，-275m。其中，-125m以上采用空场法采矿，即矿石采出后，对留下的空区不 作任何处理，任其自行跨落，形成的空区体积15×104m3。近年来，由于地面风景区 不断发生地面沉降、塌陷等地质灾害，社会影响恶劣，新闻媒体不断予以曝光，给矿山生产 造成很大压力。虽然目前尚没有足够的理论根据，来证明地下采矿遗留的空间是造成地面塌 陷 的直接原因，但是，由于空区顶部(-28m)离地面(+27m)绝对高度仅50余米，且空区体积高达15×104m3，因此，地下采矿遗留空区至少也是造成地面塌陷的重要因素之一。为了防止地面的进一步塌陷，此矿的采矿方法在-175m已逐步过渡为充填法，即矿石采出后，采空区用选矿后的分级尾砂进行充填。尾砂是矿石经选矿后的副产品。所谓分级尾砂，指粒径37μ以上的尾砂。填充方法是，先将分级尾砂在地面充填站加入一定量的水泥后制成充填料浆，再通过管道 输送到井下开采工作面。由于充填后脱水，水泥离析，造成巷道污染严重，矿山每年需花大量费用进行清污；同时，尾砂分级后的尾泥(粒径37μ以下)直接排入长江，又造成江水污染，为此矿山每年需向环保部门支付巨额的排污费。
　　以上三大问题已严重制约矿山生产的正常进行。任何一个解决问题的方案，在技术上都必须做到以下三点：①解决地下老空区的处理问题；②解决地面排污问题；③解决井下作业环境污染问题。单就地下老空区的处理而言，必须要充分考虑到矿山的经济承受能力，因为老空区处理实际上无任何直接经济效益，但如果这些空区不作处理，矿山则将面临停产关闭的命运，国家巨额的基建投资也将会白白浪费。因此，上述三个问题的核心，在于老空区的处理，如果治理方案能够三点兼顾，那么，它无疑将是一个最优方案。
1　地下老空区治理方案的提出
　　对矿山地下开采遗留的空区，处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四种方案。对本矿而言，由于矿区地理位置特殊，单纯对空区进行封闭，不能从根本上解决问题；又因地面绝对不允许大面积塌陷，据此，崩落空区的方法也不可行；至于空区采用锚索或锚杆进行加固，也只是一种临时措施。因此，总的来说，要彻底根除空区带来的安全隐患，比较可行的方案只能是“充填”。根据矿山现状，充填空区有废石充填和尾砂充填两种方案。
1.1　废石充填存在的问题
　　(1) 形成废石充填系统工程量大，施工难度大，投资高。由于空区分布面积大，因此，对空区充填需掘进大量充填井，且这项工程是在空区上方施工，施工难度极大，掘进费用矿山也难以承受。如仅充填-75m的2＃空区(体积4.5×104m3)，经测算，需掘进10～12个充填井。
　　(2) 在充填过程中，废石从地面运送到井下，作业工作面需经多次倒运，需要作业人员多，劳动强度大，充填效率低。
　　(3) 由于废石存在一定的自然安息角，充填无法接顶，严重影响充填效果。
　　(4) 充填所用的石料，需要全部外购，若将15×104m3的空区全部填完，需石料38×104t，按外购石料单价25元/吨计算，需投资约960万元。如采用这种方案，矿山宁愿关闭停产。
1.2　尾砂充填包括分级尾砂和全尾砂两种方法
　　尾砂是矿石里的金属选出后的副产品。分级尾砂指粒径为37μ以上的尾砂，全尾砂指尾砂未经分级。由于矿山目前生产采场的充填方法为分级尾砂充填，现从选矿厂出来的分级尾砂尚不能满足正常生产所需，每年还需外购江砂以弥补充填料的不足，根本没有多余的分级尾砂或全尾砂用来充填地下空区；而全尾砂充填，又存在充填后的脱水问题。因此，单纯采用分级尾砂或全尾砂充填空区都不可行。
　　对于南京铅锌银矿地下遗留空区的治理，其难点在于：一，不能干扰矿山生产正常进行；二，投资应有一定的限度，要考虑到矿山的经济承受能力。
　　近年来，国内外已经研制出一种新型充填添加剂——高水固化材料。这种材料能够吸收大量的水，并将水和砂一起固化，固化过程是一个化学反应过程，并且在一定的温度下，这种过程不可逆。这种材料在山东一些黄金矿山充填采空区中，已得到广泛应用，解决了充填采空区这一技术难题——充填料浆在空区中的脱水问题。
　　基于这种高水固化材料，构思出如下解决问题的思路：矿石选出后的尾砂不进行分级，直接用全尾砂加高水固化材料充填生产采场；这样全尾砂量将会有剩余，再将剩余的全尾砂加入一定量的高水固化材料，用来充填地下遗留采空区。本方案能否实现，主要取决于以下4点 ：
　　(1) 目前，已有的试验结果都是用分级尾砂加高水固化材料，而用全尾砂加高水固化材料，国内虽有探索，但尚无成功的先例。
　　(2) 从地面充填搅拌站输出的充填料浆，能否顺利地到达地下空区，即：工作流速是否大于临界流速；充填倍线是否足够。
　　(3) 由于充填料浆是采用管路输送方式，而高水固化材料凝固速度较快，在输送过程中若产生堵管事故，将会使全部管路报废，经济损失巨大。
　　(4) 以上3点虽为技术方案上是否可行的关键，但是经济方面是否合理还需进行测算。
2　充填方案设计
2.1　实验室的试验结果
　　为了探讨全尾砂加高水固化材料的配比、初凝时间、凝固后的充填体强度等问题，在实验室做了大量的配比试验，试验结果：当充填料浆浓度为60%，水灰比1∶6时，基本上能将水和砂固结成一体，初凝时间47min～1h，24h平均抗压强度0.884 
MPa，基本上能够满足空区 充填的要求。
2.2　充填工艺设计与验算
　　用全尾砂加高水固化材料作充填材料。高水固化材料由山西阳泉特种水泥厂生产，北京有色金属设计研究总院监制。充填管路示意图如图1。


　　　图1　充填管路示意图
　　Fig.1　The sketch of filling pipe route
1.ABCD为现有管路，BMNL和DE为需要重新铺设的管路；
2.斜钻孔从-28m通到-75m空区顶部
　　全尾砂材料特性：　比重，γ固=2.95t/m3；松散容重，γ松=1.406t/m3；全尾砂粒径组成及自由沉降速度关系见表1。
　　　　表1　全尾砂不同粒径组成与自由沉降速度关系表
Table 1　The Granular components and the subsidin g speed of full tailings

粒径d (mm)0.017 230.021 730.024 850.027 350.031 310 .034 470.037
重量百分比 (%)4.552.491.392.791.713.422. 54
自由沉速W (cm/s)0.023 90.034 80.4940.061 00.079 6 0.094 40.106 2
粒径d (mm)0.050.0760.0980.110.1250.1540.28
重量百分比 (%)8.639.235.550.909.2023.385 .52
自由沉速W (cm/s)0.1670.398 40.594 20.603 40.640 41. 2292.479


　　充填料浆输送重量浓度60%；尾砂流量70m3/h，即1.94×10-2m3/s。
　　(1) 计算方法与步骤
　　① 加权平均沉降速度W加：

式中，Wi为某一粒径的沉降速度(cm/s)；αi为某一粒径的重量百分比(%)。
　　将表1中的值代入，得出W加=0.525 cm/s。
　　换算成　　　　γ固=2.65t/m3时，查表得d当=0.023 mm

　　② 干扰指数 n：　　　　
式中，γ水为水的运动粘滞系数，取γ水=0.01 cm2/s，将γ水的值 代入，得

　　③ 砂浆体重 γ浆：

　　④ 管径D：　输送砂浆时，选用增强塑管D=100mm
　　⑤ 临界流速：

式中，W95为d95的自由沉速，d95=0.028(粒径组成曲线上，95%产率时的粒径)，查图，W95=2.479 cm/s。
　　所以　　　　　　　　　　　V临=0.68m/s
　　⑥ 工作流速V1

式中，Ｑ浆为砂浆流量。由此可见，实际工作流速Ｖ１(2.47m/s)大于临界流速Ｖ临(0.68m/s)，输送工作是可靠的。
　　⑦ 水力坡降i：
式中，λ为常数，其值为0.025。将有关数据代入，得i =0.15
　　⑧ 压力损失：　局部损失为沿程损失的15%，故压力损失为沿程损失的1.15倍。
　　(a) 从地面充填站到钻孔的水平距离为40m，故压力损失h1=40×0.04×1.15=1.84(米．水柱)；
　　(b) +14m平巷与老主井的距离为1050m，压力损失h2=1 050×0.04×1.15=48.3(米．水柱)；
　　(c) -28m平巷老主井底与斜钻孔的距离为175m，压力损失h3=175×0.04×1.15=8.05(米．水柱)；
　　(d) 从+14m平巷钻孔底到管道井距离为450m，压力损失h4=450×0.04×1.15=20.7(米．水柱)；
　　(e) 从-75m平巷到大空区距离为600m，压力损失h5=600×0.04×1.15=27.6(米．水柱)。
　　由以上计算可知：
　　第一：从充填站到地面钻孔需泵送。
　　第二：从+14m平巷到老主井的压力损失为48.3米．水柱，大于钻孔的高度13m(+27～+14 m)，也需要泵送。
　　第三： 从-28m平巷到空区上方的压力损失为8.05米．水柱，小于老主井的几何高度42m，(+14～-28m)，因此能自流。
　　第四：从-75m平巷到空区的压力损失为27.6米．水柱，小于管道井的几何高度89m(+14～- 75m)，能自流。
　　据此，砂泵的扬程提供的压力只需克服从充填站到地面钻孔及从+14 m平巷到老主井的压力 损失即可。
　　从充填站到老主井的距离为h=40+13+450+600=1103m，压力损失H=1103×0.04× 1.15=50.74(米．水柱)，同时，钻孔能提供13m的几何高度，故砂泵扬程H=50.74-13=37.74(米．水柱)。
　　(2) 砂泵选型
　　根据扬程需要，选择一台4PNJ砂泵，安装在充填站。
　　(3) 砌墙堵漏
　　在充填空区之前，必须在-75，-125，-175m相应地段，做大量井巷封闭工作。设计封闭墙厚度80cm，初步设计井巷封闭总工程量580m3。
2.3　充填总费用概算
　　(1) 一次性投资费用
　　经测算，砌墙堵漏、钻孔工程、新增添的充填管路、砂泵等，共需220473元。
　　(2) 日常充填运转费用
　　据矿山上一年度统计资料，充填成本为11元/吨。此费用包括材料费、电费、人工、折旧等费用；高水固化材料用量60kg/m3，单价600元/吨(含运费)。经计算，日常充填运转费共6152678元。
　　以上(1)，(2)两项合计约637.3万元。
3　经济比较
　　将全部空区充满约需投资637万元，单从这笔费用来讲，确实对矿山是个很大的经济负担，但是尚有以下几点值得考虑：
　　(1) 这笔费用是分年度支付的，如果按4年将全部空区充满，则每年投资仅160万元。 
　　(2) 目前，矿山生产采用的是分级尾砂充填法，每年必须支付以下费用：① 井下排污费，12万元；② 地表排污费，45万元；③ 由于分级尾砂不够正常生产需要，每年需外购3×104t江砂，需支出约75万元；④ 选厂尾泥处理年经营费，需108万元。以上①至④项合计240万元。
　　因此，从表面上看，矿山每年需投入160万元进行空区治理。但是，如采用本技术方案后，每年不再支付上述①至④项中的240万元，实际上，矿山每年还将获得约80万 元的经济效益，当然，这些效益只是间接的和潜在的。
　　更重要的是，采用本治理方案后，还有以下几大优越性：本项目的实施，能基本保证地面风景区的安全，限制岩层移动，从而可遏制地面继续沉陷；由于生产采场的充填工艺不需再脱水，既减轻了井巷污染，也改善了作业环境；由于使用全尾砂充填，尾砂不需分级，不存在尾泥向长江排放问题，也减轻了对自然环境的污染，为矿山成为“无尾”排放矿山奠定了基础 。
4　充填空区工业性试验
　　为了检验用全尾砂加高水固化材料充填空区的实际效果，选择-125m的411＃，412＃空区进行充填工业性试验，累计充填空区7029m3，加入高水固化材料420t，平均水灰比为1∶7.8，平均充填料浆浓度58.5%。为了检验充填效果，在现场随机制取部分试块，经试验结果，24h的平均抗压强度小于0.6MPa的占试块总数的30%，0.6～1.0MPa的占试块总数的42%，1～1.6MPa的占试块总数的28%。
　　通过空区充填试验，认为用全尾砂加高水固化材料进行空区填充治理，效果良好，表明这是 一项适合特殊地理条件下的南京铅锌银矿处理空区的有效技术，矿山已计划在4年内将现有的15×104m3的空区采用本项技术进行治理，到时危及地面风景区安全和矿山生产持续发展的隐患，将彻底得到根治。
5　充填采场工业性试验
　　为了检验用全尾砂加高水固化材料充填采场的效果，选择了-225m的602采场的一个分层进行充填工业性试验。此次试验共充填料浆700m3，消耗高水固化材料45t，充填料浆平均输送浓度62%。试验过程中随机制取了部分试块，从强度测定结果来看，试块在24h后的平均抗压强度为0.57MPa，长期抗压强度(28d)为2.16MPa。从充填现场看，充填料浆到达采场后，30min后即基本固化成一体，4h后即可以进行作业，充填效果良好。
6　结论
　　(1) 从解决地下开采遗留空区的处理入手，提出用全尾砂加高水固化材料充填空区和生产采场，不但解决了采场充填脱水后存在的作业环境污染、充填体强度低等问题，而且利用全尾砂充填老空区，尾砂不需要分级，没有尾泥产出，减轻了对自然环境的污染。
　　(2) 经老空区充填和采场充填的工业性试验，证明本技术方案的可行性。
　　(3) 经济比较结果表明，虽然矿山在空区处理上要投入一定经费，但是，由于生产采场形成 空区也同样采用全尾砂加高水固化材料进行充填后，这样，地下与地面排污费、尾泥处理费、外购江砂等费用都将节省，实际综合经济效益和社会效益均十分明显。
第一作者简介：李兆平，男，32岁。博士研究生。1988年毕业于淮南矿业学院地质系。1991年毕业于北京科技大学，获硕士学位。1991至1997年在冶金部马鞍山矿山研究院工作。1997年4月至今，在北方交通大学攻读博士学位。研究方向：岩土工程环 境评价及稳定性控制理论研究等。发表论文20余篇。
作者单位：北方交通大学隧道与岩土工程研究所，北京　100044
参考文献
　1　充填设计参考手册.北京：冶金工业出版社，1987
(收稿日期：1998－11－17)
