某井下采空区充填挡墙封堵技术实践

李晓东 温占国 杜英男 王建新 尹 裕

(1.河钢集团矿业公司石人沟铁矿;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室;4.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)

石人沟铁矿于2004年由露天生产正式转入地下开采，经历了三期建设。一、二期工程采矿方法为平底结构浅孔留矿法，由于在开采期间尚无有效的采空区治理手段，所以一、二期工程采空区整体遗留；三期工程采矿方法为分段空场嗣后充填法，按照工程总体设计要求，于2011年在地表建立并投入使用一座充填站。前期因受三期工程采矿进度影响，充填站运行首要任务是对一、二期工程遗留下来的采空区进行充填治理；后期随着三期工程井下开采逐步展开，逐渐将充填作业重点转向正常的采充工序衔接。石人沟铁矿、充填生产工艺属于四新范畴，在采空区充填挡墙封堵方面基本没有可以直接借鉴的经验，通过不断技术探讨与现场实践，循序渐进积累经验与方法，以总结出适合于矿山自身生产需求的充填挡墙封堵技术。

1 工程概况

石人沟铁矿充填站共设有A、B、C、D 4组充填系统。2011年，A、B两组经过自动化系统全面升级改造后正式投入使用，C组在完成初步技改后作为备用系统，D组一直未启用。充填骨料为选厂全尾砂，经大井浓缩后通过水隔离泵输送至充填站砂仓内，砂浆流量约150 m3/h，浓度为40%～45%。该矿在较长时期内都使用水泥作为充填胶结材料，后期在完成新型胶凝材料试验后，实现了矿渣微粉激发剂与矿渣微粉混合胶结材料的大规模推广使用，无论是使用水泥还是使用新材料替代品，在平均生产灰砂比为1∶6时，从现场取样及试验取样来看，充填体28 d单轴抗压强度均大于3 MPa，完全满足了井下采空区充填的安全要求。在井下采空区充填作业前需对各分段巷道出口及空区透点进行挡墙封堵。

对于充填生产工序中的充填挡墙封堵技术来说，面临的问题较多。石人沟铁矿面临的首要问题是确保封堵工程在施工中及投入使用后的安全性，尤其是后者，若挡墙周边密封性不好，或墙体本身承压能力弱，轻则出现充填料浆跑、漏事故，重则出现墙体垮塌直至充填料浆大体量溃浆事故，造成的安全问题较大，后续处理难度也很大[1]；其次是施工进度必须要满足充填生产需求，若封堵周期过长，会直接影响到后续一系列充填生产工序的高效衔接；再者是要尽量降低封堵工程成本投入，这对于实现企业经营效益最大化目标尤为关键。

2 充填挡墙封堵技术方案

安全、进度及成本问题是实施充填挡墙封堵工程着重把握的3个要素。石人沟铁矿技术攻关人员通过不断的技术探索与现场实践，研究并实施了3种充填挡墙封堵方法，应用于井下采空区封堵墙施工的各个阶段。

2.1 一、二期工程充填挡墙封堵方案

对一、二期工程遗留下来的采空区进行充填治理时，由于在充填挡墙封堵技术储备方面尚属空白，石人沟铁矿特组织专业人员对几家兄弟矿山的成熟封堵技术进行了现场考察调研。鉴于该矿现场施工操作从头起步，所以较稳妥地拟定了重力式挡墙类型中的混凝土浇筑墙体封堵方案。

挡墙选址要求：挡墙封堵位置围岩状况要好，无断层与大裂隙带，巷道轮廓较平整；挡墙封堵所在巷道断面尽量小，断面过大会造成施工不便，且会极大提高施工成本；挡墙封堵位置不能离采空区太近，否则会增加施工危险系数，也不能离采空区太远，否则会影响到后续的矿房底部结构矿石回收工作。

挡墙施工技术方案：挡墙底部开槽深度约300 mm，确保挡墙根部与巷道底板融为一体；挡墙内部设置等距横向拉筋，每层2根，层间距不大于500 mm，拉筋两端与锚杆焊接，再将锚杆尾端植入围岩约350 mm；挡墙内呈梅花形预埋多个4寸铁质排水管，其孔间距与排间距均在1.0～1.5 m，每根排水管内高外低敷设，下倾坡度约5%，且提前将内侧端头与柔性滤水管相接；挡墙厚度设定为750 mm，施工时在墙体两侧预先支立模板，再在模板中间由下至上逐层浇筑混凝土，为使充填接顶效果良好，混凝土精确接到顶板处。混凝土浇筑墙体封堵施工示意见图1。

图1 混凝土墙体封堵施工示意

针对石人沟铁矿一、二期工程遗留下来的采空区，基本上都采用混凝土浇筑墙体封堵方案，经过1 a 多的充填生产实践，证明了该方法在技术上安全、有效，这对于尚属封堵技术摸索期的矿山来说，发挥出了较大的作用。但是，混凝土浇筑墙体封堵技术的一些弊端在采空区治理后期也逐渐显现出来，如施工进度稍显拖沓，尤其是施工成本高昂的缺点最为明显。

2.2 三期工程前期充填挡墙封堵方案

石人沟铁矿三期工程采用了分段空场嗣后充填法，对矿房采充生产工序衔接效率更为重视，所以要求改进后的充填封堵技术在确保安全的前提下，尽量简化操作步骤，缩短封堵周期，提升封堵效率，同时要合理地降低封堵成本。矿山技术攻关人员研究并试验同属于重力式挡墙类型中的青砖砂浆墙体封堵方案。

挡墙选址要求同2.1章节选址要求。

改进后的挡墙施工技术方案：挡墙底部开槽规格、挡墙内部横向拉筋设置、挡墙内预埋排水管等规定同2.1章节；挡墙厚度也设定为750 mm，青砖砂浆逐层砌筑，同样精确处理挡墙与顶板接缝处；为防止墙体内部及周边缝隙渗水，墙体最外侧实施人工抹面，厚25 mm，同时对墙体周边巷道进行喷浆处理，厚50 mm，宽1.0 m。青砖砂浆墙体封堵施工示意见图2。

图2 青砖砂浆墙体封堵施工示意

该封堵技术方案在石人沟铁矿三期工程前期应用效果良好，达到了技改攻关的预期目标。与2.1章节相比，其缩短封堵周期近1/4，施工成本降低了1/2还多，在安全系数不打折扣的前提下，进度与成本总体优势提升较大，改进效果非常好。

2.3 三期工程后期充填挡墙封堵方案

石人沟铁矿三期工程开采后期，为积极贯彻落实上级挖潜增效、降本增效及科技创效指示精神，组织技术力量启动了充填挡墙封堵技术的第三次科技攻关。该封堵方案不同于前述重力式挡墙类型，而属于一种可回收式轻型封堵挡墙类型[2]。

可回收式轻型封堵挡墙施工技术方案：在墙体预定位置巷道底板开槽，宽500 mm，深300 mm；由外到内，第一层为钢骨架，由10#工字钢搭接而成，横竖网度尺寸不大于500 mm×600 mm，所有横竖龙骨交叉点都做焊接处理，每根龙骨两端采用φ36 mm 锚杆植入巷道围岩，底部使用锚固剂固定，锚固深度为300 mm，外露200 mm，2个铁质排水管(带法兰)选取合适位置焊接在钢骨架横竖龙骨交叉点部位；第二层为φ6 mm钢筋网结构，除预留人孔外全断面满铺，使用铁丝绑扎在钢骨架上；第三层为木板结构，单块木板规格为4 000 mm×200 mm×30 mm，相邻木板间隔不超过20 mm，除预留人孔外全断面满铺于钢筋网背面，并与之绑扎固定在一起；第四层为麻袋片结构；第五层为无纺土工布结构，土工布厚3 mm，除预留人孔外2种材料全断面满铺，钉在木板上，同时周边伸出墙体约200 mm；为防止墙体周边缝隙漏浆，在其内侧巷道顶板与巷道两帮采用特制木块加青砖砂浆结构圈实施精细堵缝施工；将麻袋片与无纺土工布伸出巷道底板部分置于底槽内，并在底槽内外两侧使用水泥砂浆浇筑严实；2个铁质排水管(带法兰)外端部用螺栓连接蝶阀(带法兰)，内端部采用铁丝绑扎柔性滤水管；顶板与底板斜支撑也由10#工字钢制作，位于封堵墙外侧，其一端焊接在钢骨架横向龙骨上，另一端采取与钢骨架相同的锚接方式固定在巷道顶板与巷道底板上；最后使用稍大规格木质人孔挡板完全封闭预留人孔，周边用钢钉钉实，为保证木质人孔挡板的严密性，在其封闭面一侧需提前覆盖2～3层无纺土工布[3]。可回收式轻型封堵挡墙结构见图3。

通过应用无纺土工布滤水，该轻型封堵挡墙减少排水管设置数量，但并不影响挡墙整体滤水效果。在实施规范充填生产组织模式下，新型封堵挡墙在绝大多数试验与应用条件下(少数中深孔集中大爆破区域除外)，都较好具备了充填挡墙所必备的坚固性、密闭性与良好滤水性，能够满足矿房采充工序安全要求。另外，新型封堵挡墙不仅降低了工程施工量，减少了材料耗费，节省了人力与物力，而且除土工布外其余绝大部分材料都可以回收再利用，降本效果非常明显，据统计，同2.2章节挡墙技术相比，可降低综合成本达1/4左右。所以，该轻型挡墙封堵技术完全具备在井下采空区封堵工程中的全面推广与应用价值。

上述3种充填挡墙封堵技术实施效果及评价见表1。青砖砂浆封堵方式相比于混凝土浇筑封堵方式，在确保了使用安全的前提下，封堵周期缩短1/4，施工成本降低一半还多，按照该矿每年平均约3 000 m2充填挡墙封堵面积折算，实施方案二较方案一每年可实际节约封堵费用达280多万元；同样，经过挡墙封堵技术再攻关后，推广应用可回收式轻型封堵挡墙的优势较前两种方案也进一步显现，尤其在经济效益方面，可为该矿每年多节约充填封堵费用达40多万元，更为可贵的是，方案三践行了该矿安全、高效、节约、环保发展理念，为全面打造可持续开采绿色金属矿山迈出了坚实的一步。

图3 可回收式轻型封堵挡墙结构

表1 3种充填挡墙封堵技术实施效果及评价

注：方案三全面推广后，约有1/5环境受限区域封堵工程由方案二进行施工补充。

3 结 语

石人沟铁矿在井下采空区充填挡墙封堵工程实践中，紧紧围绕保安全、稳进度、降成本的总目标，由主及次，循序渐进，通过不断技术探讨和论证，同时充分挖掘与利用各种有效措施，在井下开采的3个阶段成功实践了3种采空区封堵技术方案，并最终总结出了一套适合于石人沟铁矿充填工艺的成熟采空区封堵技术，即在绝大部分区域以可回收式轻型封堵挡墙为主，在少数炮震集中区域以青砖砂浆墙体作为补充的安全、高效、低成本的充填封堵技术方法，从而为矿山井下采空区治理与采充生产高效衔接奠定了坚实的技术保障。该技术方案的实施也较好地贯彻落实了国家关于大力建设安全、高效、绿色金属矿山的指示精神，对于石人沟铁矿持续、健康发展以及国内同类型地下金属矿山生产经营都具有一定的示范意义。