铜山铜矿尾砂胶结充填技术试验研究.pdf

ISSN 1671- 2900 CN 43- 1347/ TD 采矿技术 第 4 卷 第 3 期 Mining Technology, Vol. 4, No. 3 2004年 9 月 Sep. 2004 铜山铜矿尾砂胶结充填技术试验研究 刘明生1, 龚浩源2 1. 铜山铜矿, 安徽 铜陵市 247127; 2. 长沙矿山研究院, 湖南 长沙市 410012 摘 要 结合矿山的分段空场采矿法开展/ 尾砂胶结充填技术研究0工作, 进行了充填材料 试验、 分段空场嗣后充填采矿法尾砂胶结充填体强度设计和尾胶充填工艺工业试验。试 验研究成果在矿山全面推广使用, 解决了矿山原有充填工艺充填能力低、 充填成本高、 充 填工艺落后、 劳动条件差等一系列问题。对确保矿山安全生产具有重要意义。 关键词 分段空场采矿法; 嗣后充填; 尾砂胶结充填; 矿山防火灭火; 采空区稳定 铜山铜矿自 20 世纪 60 年代初期就开始应用分 级尾砂和碎石混凝土处理采空区, 充填工艺沿用至 今。但该工艺存在一系列问题 一是充填能力低。 混凝土充填量每天仅 70 m3, 离矿山生产要求 116 m3相差甚远, 有许多采空区得不到及时处理。二是 由于矿体产状发生变化, 原有的充填工艺很难保证 充填质量。三是充填成本高, 充填工艺落后, 劳动条 件差。目前混凝土充填直接成本高达 96. 51 元/ m3。为了解决上述问题, 近期结合分段空场采矿法 开展了/ 尾砂胶结充填技术研究0工作, 取得了良好 的效果。 1 充填材料试验 通过充填材料配比试验, 确定充填材料最佳配 比, 为进一步研究采场充填工艺提供科学依据。试 验研究的主要内容有 充填材料物理化学性能试验, 尾砂胶结充填材料强度试验, 最佳充填材料配比时 水泥替换补充试验。 充填材料物理化学性能试验中, 对矿山分级尾 砂和拟作补充骨料的江砂的体重、 比重、 粒级组成及 渗透系数等物理性能进行了测定, 其物理性能符合 充填的要求。对矿山分级尾砂和拟作补充骨料的江 砂的化学成份分析中, 发现含有较多的氧化钙、 氧化 镁、 氧化铝, 但其对充填后的胶结、 凝聚和承压有利。 另外矿山分级尾砂中硫化物的含量较高, 它对充填 体质量影响很大。而且, 矿山分级尾砂中硫化物的 含量高低与季节有关, 夏季较低, 一般为 5 左右; 冬季较高, 最高可达 12. 6 。 尾砂胶结充填材料强度试验方案为 采用 4 因 素 5水平二次回归正交设计试验方案。4 因素分别 是重量浓度、 料灰比、 江砂尾砂比、 尾砂含硫量。充 填粗骨料选取分级尾砂和取自新洲的江砂, 胶结剂 选 425普通硅酸盐水泥, 充填用水为自来水。按正 交组合设计, 安排 25 组试验。强度试验的试块按 7. 07 cm 7. 07 cm 7. 07 cm 标准金属试模浇灌, 每 组 4个龄期, 每个龄期3 个试块,共浇注 300个试块。 试验数据经回归计算处理, 得出各龄期抗压强 度的回归方程式。分析各龄期的回归方程和对抗压 强度的影响因素可以看出, 7d 龄期的强度与砂浆重 量浓度及料灰比成线性关系, 且砂浆浓度与料灰比 之间有交互效应; 14d 龄期的强度与砂浆重量浓度 和料灰比有关, 但江砂掺入量和尾砂含硫量对强度 的影响不显著; 28d 龄期的强度只与料灰比和砂浆 浓度有显著影响, 其它因素的影响不显著; 90d 龄期 的强度则与试验的各个因素有关, 影响最大的是料 灰比, 其次是尾砂含硫量。因此, 从各龄期的强度回 归方程看, 把握砂浆重量浓度与料灰比是控制充填 体质量的关键。另外, 从回归方程可看出, 随含硫量 减少, 试块抗压强度增大。因此, 建议尾砂含硫量小 于 5. 14, 必要时采取脱硫措施以确保充填体的 强度。 通过充填材料配比试验, 参考国内外胶结充填 矿山的经验和充填体强度的实际资料, 结合铜山矿 的具体条件和采矿工艺要求, 建议选择料灰比 6 B1 和 8 B1 两种配比, 充填料浆浓度 70 72 , 其抗 压强度预测值见表 1。 根据前述充填材料试验结果, 采用铜山铜矿水 泥厂生产的 425水泥作为胶结剂进行了充填材料 补充试验, 以探索其作为胶结剂的可能性。试验共 分 3 组, 第一组、 第二组分别是安定性能不稳的水泥 和安定性稳定的水泥在既定浓度下料灰比变化试 验, 第三组为安定性能稳定的水泥在既定料灰比下 的浓度变化试验。结果表明, 在料浆浓度 70 时, 料灰比为 6 和 8 时, 其 28d 强度分别只有 0. 87 MPa 和 0. 55 MPa, 当料灰比为 7 时, 28 d 抗压强度只有 0. 92 MPa, 均达不到充填体设计强度。因此, 铜山 铜矿水泥厂生产的水泥不宜作为充填胶结剂。 表 1 抗压强度预测值 重量 浓度 尾砂 水泥 尾砂 含硫量 抗压强度预测值 MPa R7R14R28R90 706 15. 140. 7491. 1832. 1722. 883 708 15. 140. 5970. 8521. 6051. 801 716 15. 140. 8521. 2962. 103. 451 718 15. 140. 6760. 9131. 5332. 258 726 15. 140. 81. 2392. 1543. 167 728 15. 140. 6360. 8691. 5872. 024 2 尾砂胶结充填体强度设计 为提高充填能力和降低充填成本, 要求采用尾 砂胶结充填来替代以前的砼充填。为此, 根据充填 材料试验研究报告, 结合理论分析和国内外经验类 比, 对尾胶充填体强度进行设计。具体设计以 15 中柱充填工艺试验采场为实例进行, 其设计要求、 原 则和设计结果可用于指导其它采场的充填工作。 15中柱采场宽 11 m; 采场长度为 15 35 m; 阶段高度 44 m, 分段高度 11 m; 底柱高度 8 m, 顶柱 高度 5 6 m, 采空区 8300 m3。 充填体强度设计要求 确保二步骤矿房回采作 业安全; 充填体自立高度 35 m; 尽量降低灰砂配比, 减少水泥消耗, 降低充填成本; 矿房回采时, 只允许 充填体暴露侧面有少量震动片落, 充填体片落量不 会严重影响矿石回收率和贫化率。充填体强度设计 的依据 1 充填材料试验研究结果; 2 矿房回采过程两侧充填体受力分析。 根据长沙矿山研究院进行的凡口铅锌矿 VCR 采矿法矿柱充填稳定性分析资料, 矿房回采后, 两侧 充填体不同高度的应力呈曲线分布。可分为应力集 中区、 拉应区、 塑性区, 尤其是拉应力区, 应作为矿柱 胶结充填灰砂配比设计的依据。 依据材料力学中的临界应力原理和弹性力学中 的广义平面应力问题计算, 以及岩石力学中矿柱和 矿壁荷载效应原理, 经计算可得充填壁柱不同位置 的应力分布关系, 据此作为强度设计依据。 3 经验类比。通过调查国内外 32 个矿山的 相关资料, 各矿山使用胶结充填的胶结充填体强度 一般在 0. 5 4. 0 MPa, 其中绝大多数在 1. 0 2. 5 MPa 之间。 4 经验公式法。根据经验公式 H 2 A R3c, 对于铜山铜矿, 要求充填体自立高度 H 35 m, 所 以, Rc 1. 269 MPa。 通常取 R28KRC, 取 K 1. 3; 所以, R28 1. 649 MPa。 由充填材料试验报告可知 当砂浆浓度为 70, 料灰比与强度的关系为 R28 1. 198- 0. 6954X2 0. 3575X 2 2 当 R28 1. 649 MPa 时, 根据上述方程有 X2 - 0. 513, 即料灰比为 7. 82, 此时, R90 1. 88 MPa 综合以上充填体强度设计依据, 确定 15中柱 采场充填体不同部位强度和相应的充填灰砂比为 采空区底部为高应力区, 而且充填体承担着上部充 填体的全部重量, 因此其强度要求相对较高。设计 该部分灰砂比为 1 B6 左右, 重量浓度为 70, 其 28 d 抗压强度在 2. 17 MPa 左右。充填体高度为 5 m, 充填体积为 2457 m3。采空区顶部同样为高应力 区, 充填体承担保护上分段开拓工程的重任, 其强度 要求也较高, 故设计其充填灰砂比为 1B6, 重量浓度 70, 充填体高度为 5 m, 充填体积为 748 m3。在充 填体中间部位, 为拉应力区域, 故该部分充填灰砂配 比也为 1 B6, 重量浓度为 70, 充填高度 5 m, 充填 体积为 1690 m3。采空区其余部分充填灰砂比设计 为 1 B8, 重量浓度为 70 , 其 28 d 抗压强度为 1. 61 MPa, 充填体积为 4323 m 3。15 中柱试验采场充填 灰砂配比平均为 1 B7. 81。 3 尾砂胶结充填工艺试验 尾砂胶结充填工艺试验是在完成了充填材料试 验研究和尾胶充填体强度设计的基础上进行的。尾 胶充填站主要装备有 立式砂仓一座, 容积 500 m3, 直径 7 m, 高 14 m; 散装水泥仓一座, 容积 150 t, 其 直径 5 m, 高10 m; 300 m3水池一个; 7 t 散装水泥罐 车二辆; 各种检测仪表如浓度计、 冲量流量计等。 充填骨料为选矿厂脱泥后的分级尾砂, 用 5159 mm 的尾砂输送管送至尾砂仓; 胶结材料选用公司 生产的 425普通硅酸盐散装水泥, 用水泥罐车运至 水泥仓。设计充填料浆重量浓度 70 左右, 系统充 填能力 80 m3/ h 砂浆。制备好的充填料浆经 5130 2 采矿技术 2004 年 9 月 mm 的充填钻孔下放至充填中段, 经管道自流输送 至各采场进行充填。 尾胶充填工业试验采场为 15矿体- 214 m 中 段15中柱采场。15中柱采场位于- 214 m 中段 2沿脉巷道以北, 采场宽度 11 m, 中段高度 44 m, 矿石主要成份为含铜黄铁矿和含铜磁铁矿, 矿体形 态复杂; 采用分段空场法回采完毕后, 留下底柱高度 8 m, 顶柱 6 m, 形成空区 9218 m3。- 196 m 中段北 部联络道已堵塞, 底盘为 30矿体 8柱采场, 为保 证 8柱采场回采的顺利进行, 必须维护好 10探 井, 为此充填时必须严密封闭。 根据充填体强度设计, 确定 15中柱采场充填 不同部位充填材料配比及充填体强度 R28 预测值 见表 2。 表 2 充填材料配比及充填体强度预测值 充填体位置充填高度 充填体积 灰砂比 重量浓度 预测强度 - 181m - 176m5m748m31 B6702. 17 MPa - 191 - 181 m10 m2214 m31 B8701. 61 MPa - 196 - 191 m5 m 1690 m3 1 B6702. 17 MPa - 201 - 196 m5 m 2109 m3 1 B8701. 61 MPa - 212 - 201 m11 m 2457 m3 1 B6702. 17 MPa 嗣后一次充填采场尾胶充填的脱水工艺是保证 尾胶充填体强度的关键工艺, 既要求脱水效率高又 要控制充填料的离析、 防止水泥胶结料的流失。在 全面考察国内外矿山采场充填脱水工艺的基础上, 设计采用采场往上悬吊脱水设施的脱水方案, 脱水 设施为外包脱水滤布的螺旋弧形塑料波纹管。 该脱水方案中, 脱水效果至关重要。为此, 进行 了试验室模拟脱水试验, 以确定最佳脱水效果时, 包 裹塑料波纹管的滤布种类以及滤布的包裹层数。试 验条件为 灰砂比 1 B7, 重量浓度分别为 68 、 70 、 72 ; 共试验了 4 种尼龙滤布, 即 100 目、 150 目、 200 目、 260 目。试验所用水泥为公司生产的 425水泥, 尾砂为尾砂充填站的分级尾砂, 含水率 为 18. 3。试验结果为 采用单层 150 目的尼龙滤 布, 外裹一层纹路密实的麻袋布, 就能达到良好的脱 水效果。 充填准备工作主要是充填挡墙的构筑和脱水设 施的架设以及充填管的布置。铜山铜矿采场的出口 较多, 且大部分都在采场底部。根据其受力情况的 不同, 分别采用了混凝土挡墙、 木支柱钢筋网柔性挡 墙等几种挡墙形式, 达到了良好的挡砂滤水效果。 脱水管的架设位置主要根据采空区的形状而定, 具 体架设时, 要求采场中各点充填料的泄水距离合理 而且相等。充填管的布置原则是 1 为确保充填接顶, 下料点位于采空区的最 高点; 2 缩短料浆流动距离, 减少离析, 下料点布置 在采场中央; 3 下料点远离脱水管, 防止脱水管滤布网目 堵塞, 影响泄水效果。 充填准备工作完成后, 即可开始送浆充填。 15中柱采场充填工作历时 2 个多月, 充填空区 9218 m3, 充填期间尾砂充填站进行了一些调试工 作, 确保了充填工作的顺利进行, 系统充填能力达到 80 m3/ h 砂浆。充填过程中, 严格按照充填体强度 设计要求的浓度和灰砂比分段进行充填, 确保了充 填体的质量。 15中柱采场的西邻采场 W2采场随后开始采 准切割。由于采切工程布置所限, 没能揭露充填体, 充填体各部位取样强度试验工作无法进行, 因而取 消了充填体质量的事后试验检测。 在出矿全过程中进行了跟踪观察 出矿初期, 矿 石中不含尾砂; 中期时观察到尾砂, 其含量较少; 出 矿末期, 尾砂含量开始增加, 但尾砂与粉矿混合在一 起, 难于确定其具体含量比例。在W2采场大爆破后 回采出矿完毕, 15中柱采场充填体全高暴露。据 现场观察判断, 全高暴露后的充填体末发生大的垮 落, 其少量的片落末对矿石的回收率和贫化率产生 大的影响。 至此, 尾砂充填工业试验取得圆满成功。随后, 尾砂充填工艺技术开始在全矿推广应用。一年内推 广应用了 3 个, 总充填量达 2 万 m3以上。 4 结 论 尾砂胶结充填工艺试验研究的完成, 解决了铜 山铜矿原有充填工艺充填能力低、 充填成本高、 充填 工艺落后、 劳动条件差等一系列问题。对解决矿山 充填欠帐、 防火灭火难题及维护采空区的稳定, 确保 二步骤采场顺利回采具有重要意义, 其经济效益和 社会效益均十分显著。 收稿日期 2004- 02- 12 3 第 4 卷第 3 期 刘明生, 等 铜山铜矿尾砂胶结充填技术试验研究