赤泥浆体泵送胶结充填采矿法研究_杨立根.pdf

第1 6 卷 第 3 期 19 96 年 9 月 矿业研究 与开发 MININ G R邑D V o l . 16 N o . 3 S u pt . 1996 赤泥浆体泵送胶结充填采矿法研究 杨立根姚中亮包东曙周益龙 长沙矿 山研究院 摘要我院 与山东铭业公 司共同进行的赤泥桨体 泵送胶结充镇 采矿新 技 术 、 新工艺研究 , 开创了无水泥胶结充 淇的先例 , 成功地解决 了湖田铭 土矿的米 矿方法难题 , 进免了地表陷落 , 保护了自然环 境 。 同时大 幅度降 低了充填 成本 , 从根本土解决了充镇对井下巷 道的污染 , 为山东铭业公司 工业废料的利用 开辟了新的途径 。 本文简要介绍了赤泥浆休胶结 充淇材 料的特性 、 充填 料制备 及泵压输送工艺 、 倾针 分 条充填 采矿 法工业试验 及 效果 。 关键词赤泥浆体泵压输 送胶结充填充填 休强度 山东 铝业 公 司是 我国重 要的铝 工业基 地之一 , 现年产氧 化 铝 5 0 XIO‘ t , 年需铝土矿 IOC Xl创 t . 湖田矿 是山东铝业 公司的重要供矿基 地 。 该矿段矿体顶 底 板围岩f一1一2 , 不 稳 固至极 不稳固 , 易于风化 且遇水泥 化 ; 矿 体厚 度 小 、 变化大 、 倾角 2 6 “ 4 5 “, 底板起伏不平 ; 地 表展布面积 87 . 4xl少m , , 在该范 围 内有 2 2 0 、 11 0 及 3 5 k v 的 三条高压线穿过 , 乡镇工 业与民用建筑星 罗棋布 , 地表 不允 许塌陷 。 由于开 采技 术条 件极 为复杂 , 沿 用 的壁 式崩落法已不适用 , 迫切 需 要研 究和采用 新技术 、 新工艺 。 为 此 , 我院与山东铝业公 司共同进 行 了赤泥浆体泵送 胶结充填采矿新 技术 、 新 工艺研究 。 1 充填料的基本组成及强度测试 湖田矿采用充填采矿法 , 对充填料 的基本要求是 在 矿体倾角较缓 , 充填倍线大的条件 下输送方便 ; 充 填 不脱水 , 以避 免对矿体顶底板 围岩的软化 、 泥化及井下 污 染 ; 充填料来源 广 、 成本低 。 经综合研究国 内外胶结 充填现 状及发展趋 势 , 决定 突破水泥胶 结 的框框 , 寻找新型的 胶 结 充填材料 , 研 究充填料 输送 的新工 艺 。 通 过大 量室 内试验 及地 表输送 试验研 究 , 最终选 定 赤泥 、 粉煤灰作为 充填料 的 主要组分 , 外加 活化剂 , 采用 充填料与活化剂分体泵 压输 送新 工 乙 。 赤泥 为山东铝业公司氧化铝厂所排弃的废料 。 在目前 生产规模下 , 每年排 放 赤泥 固体 含量 7 5xl少 t , 现 有赤泥堆场已接近 极 限容量 , 急需寻 找 新 的排放途 径和 场地 。 赤泥中含 有 大量 的硅酸二钙 、 铁 铝酸四钙等水硬性胶 凝矿物 , 具有 很 强 的潜在水 硬性 。 在正常情 况下 表 现 出 隋性 , 自身不凝固 。 而某些 活化 剂对 赤泥有显著f阴放化作用 , 使赤 泥胶结 固化 产生足够 的 强度 。 选用赤泥作为 充填料 的主要 组分 , 正是 利用这种 潜 在的水硬性 , 作 为充填 料 中的潜 在胶 凝物 。 又由于赤 泥颗 粒细小 , 一3 25目占6 3 . 5 , 保水性 好 , 有 利于管道输送 。 粉煤 灰 为山东 铝业 公司热 电厂生产废 料 , 年排 放 量达1 0 xl。 ‘t 。 选用 粉煤灰作 充填 第 3 期杨立根等赤泥浆体泵送胶结充填采矿法研究 料 , 主 要作用是吸 收赤泥浆中多余的水分 , 提高充填料浆浓度 、 改善料浆管道输送性能 。 活化剂 ; 活化剂用来激化赤泥 的潜在水硬性 , 使赤 泥迅速凝 固 而产 生必要的 强度 。 上述三种组分经室内配比试验 , 优化确定最佳设 计配比为 赤 泥浆 粉煤灰 活化剂一4 1 1 ; 其 中 赤泥浆重量浓度5 0 士2 . 制试块进行不同龄期强 度测定 , 其结果 如附表所示 。 附表室内试验 试块强度测定MP a 龄期 l 2 3 平均 3天 7天 28天 1 . 3 61 . 5 8 3 . 08 1 . 10 2 . 16 3 . 0 4 . 282 . 16 3 . 72 1 . 2 5 1 . 9 53 . 2 3 在 室内试验的基 础 上 , 进行了地表泵压输送试验 , 管道总长 30 0 m . 试验表明 , 主 副管 道泵压输送均很顺利 ; 三种料浆通过 混合器后 , 混合均匀 , 无堵管返浆现象 , 最终形成的充填 料稠度大 , 不需脱水 , 一小 时 内即已产生 初凝 , 充填休整体性 能好 。 经取 样制模测 定 , 7 天 . 2 8 天 , 9 0 天 强度分别达到2 . 5 9 , 3 . 7 9 , 5 . 1 5MP a . 完全能满足充填采矿法的要 求 , 为 充填系统设 计和生 产应 用提供了实验 依据 。 2 充填系统及其工艺流程 充填系统包括充填料浆的制备及泵压管道 输送 两部分 。 在 充分研究 国内外各种形式 充填 系统并进行多次试 验 的基础 上 , 结合湖田矿 具 体条件采用 连 续供料 、 连续搅拌 的料浆制备 - 艺流程 。 对制备好的充填料浆则采用 主副管道 分体泵压输 送 , 主管道输送赤泥一粉煤灰混 介 浆 ; 副管道 输送 活化剂料浆 。 二种料浆 在充 镇工 作面 经混合均 匀后 充入采空区 。 充填 系统工 艺 流程 如 图 1 所示 。 赤 泥一粉 煤灰 混合制 备 和输送 含 水约 6。 的 赤 泥浆在沉降池1 内自然 沉降脱水至 5。士2 . 充填时 , 将脱水 后 的 赤泥用压气造 浆 小车 2 重 新 造浆 , 造好 的 赤泥浆由放浆阀 3 从 室外沉降池 放入室 内存储池4内 , 经电 动 往 } } },一闷 闷 〔〔乡二只只 图 l 赤泥浆体泵送胶结充填系统示 意图 1一赤泥浆沉降池2一压气造浆小车 3一放浆 阀 4一赤泥浆存储池5 一 电动往复泵 6一双卧轴搅 拌机 7一粉煤 灰仓 8一双管螺旋给料机 9一单管 螺旋上料 机1 0 一高速搅 拌机1 1一混合 浆池1 2一液压双缸 活塞泵1 3一 主管道1 4 一充填斜井 1 5一 活化 剂造 浆池1 6 一活化剂浆 存储池 1 7一副管i亘1 8 一充填 平巷 19混合器 复泵 5 输送至双 卧轴搅拌机 6 。 电动 往复泵三 台 联动 , 输送 能 力 为 1 8 m 3 / h . 干状 粉煤灰 从 粉煤灰仓 7 中经底 部 的双管螺旋上料机 8 进行定 量给 料 , 再 经单管螺旋上料 机 9 输 送至 双 卧轴搅拌机 。 赤泥浆与粉煤灰通 过双卧轴搅拌机进行初 步搅拌 , 然后 进入高速搅拌机 1 。 , 从 而制备成 混合均匀 , 流 动性好 的混合料浆 , 流入 混合浆存储池1 1内 。 最 后通 过液 压 双缸 活 塞 泵 1 2 、 主管道1 3经 充填斜井1 4输送至井下 充填地点 。 液压双 缸活塞泵生产能 力 3 0 m 3 / h . 活 化剂浆制 备和输送 外购活 化剂运至搅拌站 后 , 卸入活化 剂造 浆 池 15 中 。 充填 时 , 力 日 水 用压气造浆小车调制成 浓 度适合要求的活化 剂料浆 。 调制好的 活化 剂料浆放入室 内活 化 剂 存储 池1 6内 , 由 电动往 复 泵直接通 过副 管道 1 7经 充填斜井输 送 至井 下 充填地 点 。 采场充填 工 艺 主副 管 道 经充填 斜 井进入井 下采 场回风 充 填巷 18 , 在充填工作面将 两 20 矿 业 研 究 与开发第1 6 卷 种料浆通入 混合器1 9进行混合 。 混合后的充填料浆流动性好 。 由于矿体平均倾角在 3 0 。左 右 , 充填料可 自流 充满采空区 , 接顶可靠 。 充填料凝 固过程不脱水 , 凝固后形成整体性好 、 强 度满足要求的充填体 。 3 赤泥浆体胶结充填在倾斜分条充填采矿法中的应 用 经综合技术经济比较 , 确定 在湖田矿采用倾斜分条充填采矿法 , 其实质是矿块沿 走向布 置 , 矿块内划分为若干分条 , 实行分步骤间隔回采 , 赤泥 充填料全胶结充填 。 湖田矿 矿体顶底板均不稳 固 , 矿 体厚度 小 , 倾 角2 6 。 4 5 。, 底板起伏不平 , 赋存条件多变 。 因 此 , 所用采矿 方 法在充填的前提 下还必 须满 足以下几点 l 作业安全 。 必须尽量控 制 采场跨度及顶板暴露面 积 , 缩 短空顶时间 。 2 采切简单 、 管理方便 , 能 适应 矿体赋存条件的变化 。 3采充 工作面布置 灵 活 , 能实 现 强化 开采以提高作业效率 和 缩 短回采周期 。 哪哪辫辫辫 ; 蒸蒸蒸 图 2 0 03 和00 5试验矿块布盖图 1一中段运输平巷2一00 3 装矿穿脉3一电耙道 4一回风充填 书巷 5一上 山 6一装矿口7一l 步骤分条 8一I步骤分条9丁桃形矿柱 1。一密闭挡墙 n一赤泥胶结充填 体 试验 矿段位于 som 水平 00 1 00 5 穿脉之 间 , 包括 00 3 和 00 5 两个矿块 。 该矿段 沿 走 向 长 1 0 3m , 矿体埋深2 0一3 5 m , 矿体 倾 角3 4 . 5 a 40 0 , 斜长1 5 2 0 m , 平均 厚 度 为 1 . 82m , 矿 石中等稳固 , 顶底板 围岩均不稳固 。 试验矿块如图2所示 。 3 . 1 采准布置 试验矿块以0 0 3 穿脉为 装矿 穿脉 , 与中段运输平巷 组 成中段运输系统 。 在 00 3 穿脉顶 部 沿矿体走向掘进电耙 道 , 断面 1 . sm义2 . om , 用管缝式锚杆和金 属 网支护 。 该电耙道同时 作为下中段 矿块的回风 充填巷 。 在电耙道与装矿穿脉交叉 处架设木质装矿口 。 在矿体最上 端的 6 5 m水平 掘进回风 充填巷 , 电耙道与回风 充填巷 之间 有 5 条探矿上山联通 。 3 . 2 分条划分 由于矿体顶板 铝土 页 岩不 稳 固 , 回采时应控制空 场跨度 , 实 行强 化开 采 , 并根据己有上 山的布置 , 确定分条宽度为 3 . 5一4 . sm , 共划分2 3 个分条 。 4 . 3 矿块回采 分条 采 用二步骤 间隔回采 , 由两端向中央装矿口推进 。 先采单 号 I 步骤分条 , 采后赤泥 胶结 充填 , 待两侧 I 步骤分条充填2 8 天以后 , 再回采中间的 I步骤分条 , 采后 同样 用赤泥 胶 结充填 。 每个分条的回采包括上山掘 进及扩帮挑 顶 。 具体是 先于分条 中心 沿矿 体底板 掘 进 上山 , 宽 1 . 6一1 . sm , 高为 矿厚 , 当矿体厚度大于 2 . om 时暂留护顶矿 。 上山掘通回风充填 巷 后 , 自上而 下 扩帮挑 顶进 行回采 , 采用浅眼落 矿 。 为维护回风充 填巷和电耙道 的稳定 , 留有 斜长 1 . 5一2 . o m的 桃形 矿柱 。 分 条内采 用木 立柱 支护 , 立 柱 间距视矿 体顶板 稳 固性而定 。 第 3 期杨立根等赤泥浆体泵送胶结充填采矿法研究 3 .4 采场充填 分条回采完毕即在下部桃形矿柱处架设木挡墙 , 挡墙内侧铺一层废旧编织袋以防漏浆 。 挡墙只起密闭作用 , 不需考虑滤水 。 同时在上部充填巷把充填管道接至待充分条入口 . 准备 工作完成后即可进行充填 . 为了减少挡墙所承受的压力 , 第一次充填量控制在1 02 0 m , , 以完全埋没挡墙为准 。 待凝固一天后即可连续 充填 , 直至充满整个分条 。 4 .5 地压观测 在试验矿块回采过程中 , 采用收敛汁 、 液压枕 、 水准仪等手段进行采场地压及地表移动 观测 . 从观测结果来看 , 巷道断面收敛值很小 , 各测线收敛值变化在一 。 . 9一1 . 5 6 m m 之间 , 且没有连续发展的趋势 。 在经历 I 、 I 两个步骤回采过程中 , 巷道自身没有出现失稳现象 。 胶 结充填体中液压枕压力表测值基本无变化 , 地表下沉水准观测值变化量均 在测量允许误差 范围之内 。 表明00 3 矿块开采虽距地表仅2 0一3 5 m , 但 由于及时充填了空 区而未对地表造 成影响 。 5 赤泥胶结充填体强度特性 分条充填时 , 对进入采场分条的 充填料浆取样制模 , 测得不同龄期抗压强度 , 同时在 I 步骤回采揭露的充填体上取样 , 加工成标准试块 , 测得其平均抗压 强度为 3 . 2 4 MPa . 测定 结果真实地反映了充填体强度 . .d芝„ 侧酮 由此而 得出 I 步骤揭露回采时充填体取样加工 试块的强度比充填时取样制模试块的强度高 4 3 , 说明井下充填体养护的条件对其强度的增 长是有利 的 。 不同龄期试块强度变化曲线如图 3 所示 。 由图 可知 , 赤泥胶结充填体后期强度呈持续增长的趋势 , 这对控制采场地压 , 保持长期稳定具有重要意义 。 5 主要技术经济指标 从 1994 年 7 月 6 日充填系统投 入 生产后 , 至 10 月 30 日顺利完成了 00 3 试验矿块的回采及充填 0 1 020304 05060 7 0 8090 龄 期d 图 3 赤泥胶结充填体龄期一强度曲线 1一地表输送试验充填料制模试 块 2一 井下 充填9 ’分 条取 样制模试块 作业 , 共 采出矿 石 6 7 1 5 t , 充填空区 235 7 m 3 . 其 中 I 步 骤分条 7 个 , 出 矿 3 289 t , 充填 1 148m 3; I 步骤分条 6 个 , 出矿 3 42 6 t , 充填 1 20 9m 3 . 取 得 了 良好的效 果 , 其 主要技术经济 指标如 下 矿块生 产 能力 11 2 t/ d ; 矿 石损失率1 0 . 7 ; 矿 石贫化率1 2 . 3 7 写 ; 采切比自然米 372 m八少t ; 矿 石直接成本2 9 . 5 4元/ t ; 充填直接成本3 7 . 8 2 元/m 3; 充填系统输送能力3 6 m 3 /h . 6 结论 生 产实践证明 , 赤泥胶结充填与水泥胶结充填相比具有以下带结论性的突 出特点 l 赤 泥浆体泵送胶 结 充填采矿 新 技术在山东铝 业公司 湖田矿试验成功 , 并在生 产 中 推 广 应用 , 解决了湖 口矿 顶底 板均 不稳固 , 地 表不 允许陷落 的 开 采难题 , 为 铝土 矿和 金属矿 矿业研 究与开发第1 6卷 2 2 地下开采开辟了一条新的途径 。 2 研究和采用工业废料赤泥 、 粉煤灰外加活化剂作为充填料 , 开创了无水泥胶结充填 的先例 。充 填料进入采场不脱水 、 凝固快 、 充填接顶好 、 充填体强度高 、 成本低 , 为倾斜分条充 填采矿法的安全 、 高效 、 低成本回采创造了条件 。 3 该新技术应用充填料连续制备及 主副管道分体泵压输送 工艺 , 充填效率高 , 停泵后 各管道 内浆体均不凝固 , 能实现带料停泵 , 无需清洗管道 。 倾斜分条充填采矿 法结构简单合 理 、 适应性强 、 采充平行作业 , 可实现强化开采 . 配合采矿方法工业试验开 展以采场地压与地 表岩移观测及稳定性分析 , 理论和实践意义兼备 。 该项技术综合研究成果达到了国际先进水 平 。 4 赤泥胶结充填的主要技术经济指标先进 , 经济效益显著 . 它与原壁式崩落法相比 , 年增直接经济效益达 20 2 . 7 5万元 . 由于矿石损失率降低 , 可多回收矿 石 11 9 . 7 x10 4 t , 延长 矿山服务年限 1 5年 , 增创产值 1 . 6 亿元 . 5 该项新技术的研究成功为工业废料赤泥和粉煤灰的利用开创了一条新的途径 , 变 废为 宝 , 并可大大减小废料堆放占地面 积 。 充填不脱水 , 不造成井下作业环境污染 , 充填采矿 法作业安全 , 劳动强度小 , 且保护地表环境 . 因此 , 其社会效益亦十分显著 。 STUDY O N C O N SO L ID A T E DF ILL IN G W ITH PUMPEDALUMINA 一PLA N T W AST E y a n gLig en Y a o Z ho nglia ng B ao D o ngshzt Zho 一Yilo ng Cha n g sha In stitute o fMiningR es e a r eh AB ST RACTThe stu dy onthen ew te ehniqu e an d te ehn ology o f eo nso lid ated fillin gwith pumped alu min a pla ntw aste whiehw asun de rtaken byC ha n sha I n stituteof Mining R e- s ea reha n dS ha n do ngA l u mini u m Ind u stry In e orP , e r e ateda Pre e ede ntfo r the eonso lida ted filling witho ute eme nt , so l vedsueee s sfu lly the diffie ultp rob lemso n the mini n g m etho d u sed fo r H utian ba ux itemin e , elim in ated the sur fa e e su bside n e ea n d Prote eted the natu r a l environ m e nt . M e a n while , this studyr edu e ed the e osto ffillin g eon siderab ly , alleviatedes - se ntially thepo ll utiono f fillto un de rg rou n d d riftsan d opened the new w ay tothe utiliza - tio n o fi n d ustria lw a ste m ateria lsfo r S h a n do ngAlluminiumI n d u stry In eorp The author s m akea n introd uetio n to ehara eteristie so f the a l u min a 一p l ant w a st e o n s olida red fillingm a - te rials , p r eparationo ffillingm ate ria ls , p u mping te ehnolog y , a n d thepilotte st fo r in elin ed 5 lieingfilli n g an dits re s u lts . KE Y WOR D S Al u min a 一p l a nt w aste , pumping tra n stporr , C on so lida ted filling , Fillbody 5tre ngth