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2 0 0 9 N o 4 铜 业 工 程 文章编号 1 0 0 9 3 8 4 2 2 0 0 9 0 4一 OOl 1 0 4 影响中深部充填质量的因素探讨及对策 高直， 张海军 金川集团有限公司， 甘肃 金昌7 3 7 1 0 0 摘要 金川二矿 区是我国最大的充填法开采的大型铜镍矿， 年产矿石突破4 0 0万 t ， 其开采深度超过千米， 随 着开采深度的加深， 矿 区地压日益明显， 充填质量的好坏直接影响到矿山的安全生产。本文介绍了金川二矿 区深 部开采的矿区应力状况， 探讨 了充填材料、 充填材料制备及栗场充填工艺对充填质量的影响， 并研究 了保证充填质 量的策略， 对矿山中深部开采具有一定的借鉴。 关键词 深部开采； 充填质量； 充填材料 ； 充填系统； 采场充填 中图分类号 T D 8 0 3 文献标识码 A 0 前言 承担着国家最大镍矿资源生产基地金川集 团有限公司 7 0 ％ 以上 的 自产矿石 原料生产 的二矿 区， 年出矿量达4 0 0万 t ， 是我国目前最大的铜镍矿， 为国家经济的发展提供了重要的物质基础， 为有效 控制地应力和围岩变形、 确保井下安全生产， 采用下 向胶结充填采矿法。目前， 二矿区 l 矿体开采已经 进入到8 5 0中段_ 1 】 ， 进入到中深部开采阶段， 随着开 采深度的逐渐加深 ， 地应力呈线性增加， 对充填质量 提出了更高的要求本文结合金川二矿区生产实 际， 探讨了影响中深部充填质量的因素， 并提出了研 究策略。这对国家大型坑采金属矿山深部资源的安 全回采具有十分重要的意义。 1 中深部开采区域应力环境 1 ． 1 矿 山充填采矿方法 金川二矿 区 1 矿体开采 已经进入到 8 5 0中段 ， 部分工程超过千米， 最大开拓深度达 l 1 6 5 ． 5 m 1 8 行副井工程 ， 属世界公认的深部开采工程， 现还在 逐年向下延深lL 1 J 。其采用机械化盘 区下 向分层水 平进路胶结充填采矿方法开采。盘区垂直矿体走向 布置， 宽 1 0 0 m， 长为矿体厚度， 盘区间不留问柱， 连 续回采。中段高 1 0 0 m， 分段高 2 0 m， 分层高 4 m， 沿 矿体走向或垂直矿体走向布置进路， 盘区上、 下分层 进路交错布置， 进路断面规格为宽 X高 5 m 4 m 。 盘区回采顺序为先下盘、 后上盘， 进路回采方式为隔 一 采一或隔二采一。 采用凿岩台车进行凿岩， 非电雷管起爆， 乳化炸 药爆破。崩落矿石经初碎达到规定规格后， 采用 6 m。 铲运机倒人盘区溜井 ， 再 由矿运卡车运至中心 溜井溜至破碎站， 矿石经破碎后经过皮带运输由箕 斗提升至地表。 为有效地控制地应力和围岩变形， 确保井下采 矿作业安全， 金川二矿区采用高浓度 自流输送工艺 或泵送膏体充填工艺进行采场充填。高浓度自流输 送充填骨料为 一 3 m m棒磨砂， 泵送膏体充填骨料为 一 3 m m棒磨砂和选矿尾砂 ， 辅助添加干粉煤灰。胶 结材料为 4 2 5 散装普通硅酸盐水泥。 1 ． 2 中深部开采区域高应力作业环境 研究结果表明， 二矿区最大主应力接近于水平 ， 地应力 以水平构造应力 为主 】 ， 并且是压应力 ， 矿 区平均水平构造应力和垂直应力的变化关系见公式 1 v TH H30 ． 042 5 H I 式 中 为垂直主应力 ， MP a ； 为水平构造应 力 ， MP a ； 为容重 ， t ／m ； H为距地表深度 ， m。 由公式 1 可以得出， 在应力数值上， 表层应力 值小， 最大水平应力值约为 3 M P a 左右， 随深度增加 收稿 日期 2 0 0 9一l l I 6 作者简介 高直 1 9 5 2 一 ， 男， 陕西省西安市临潼人， 高级工程师， 从事矿山高效开采技术研究与岩石力学工作。 1 2 铜 业 工 程 2 o o 9 N o 4 而增大， 地应力逐渐增加， 在2 0 0 m～ 3 0 0 m深度最大 主应力值一般为 2 0 3 0 M P a ， 最高达到了5 0 M P a 。 可见， 进人中深部开采后， 金J q _T矿区地应力呈 线性增加 J ， 水平应力随深度增加而增大， 水平最 大主应力与最小主应力差值随深度增加而增大， 这 对充填体的稳定性很不利， 加大了对用于矿区应力 控制充填体质量的要求。因此， 对影响二矿区中深 部充填质量的因素进行分析、 探讨很有必要。 是矿山 可持续发展及镍矿资源进一步开发利用的客观要 求， 具有十分重要和深远的意义1 2 影响中深部充填质量的因素 影响充填质量 的因素众多 ， 且这些因素总体特 征是动态的、 变化的， 就中深部高应力开采而言， 主 要提高了对充填体强度的质量要求． 综合实践表明 充填材料性质、 充填材料制备及采场充填工艺对深 部充填质量的影响最大。 2 ． 1 充填材料性质 充填材料的物理力学特征是直接影响充填体强 度和采场稳定性的重要 因素， 其对两相流的结构、 水 力力学性能、 输送以及充填力学性质有很大影响 。 它主要取决于充填材料、 胶结材料的成分、 结构及其 组成方式。金J l - - “ 矿区使用的充填材料是棒磨砂、 尾 砂 ， 胶结材料采用 4 2 5 普通硅酸盐水泥 J 。 2 ． 1 ． 1 棒磨砂物理特性 以一 3 m m细砂作为充填输送的标准， 是在经过 室内试验、 管道输送试验和加工工艺考察后确定的， 然而， 随着矿山生产能力的不断提升， 采场充填能力 不断加大 ， 砂石厂的生产能力受到了极大的限制， 在 高负荷的生产条件下 ， 棒磨砂出现供不应求 ， 致使棒 磨砂粒径较原设计标准有了一定 的波动 ， 进而造成 了充填质量的波动和不稳定。 结合金川二矿区生产实际， 棒磨砂粒径对充填 质量的影响， 主要是对砂浆流动性能的影响， 体现在 分层度、 离析率和沉降率等方面。研究表明 磨砂粒 径越粗， 则砂浆沉降快、 分层度大、 离析严重， 将增加 阻力系数， 降低砂浆的流动性。如果流动性较差， 在 进路充填时 ， 将造成 自然流动坡度增大， 长进路的打 底高度会更加不均匀； 如果分层离析严重， 直接导致 充填体的整体性降低， 整体强度变差。 可见， 棒磨砂粒径级配直接影响到充填体的整 体性、 整体强度， 然而充填体强度是中深部高应力开 采首先必须解决的问题。 2 ． 1 ． 2 尾砂物理特性 选矿厂的全尾砂经过旋流分级后采用油隔离泵 输送到二矿区的立式尾砂仓 ， 尾砂粒度较 细， 其 中 一 3 0 1 ．o n 极细颗粒含量达到了 2 0 ％， 比一般矿山所用 充填尾砂细 ， 远远小于国内众多矿山所采用的分级尾 砂。尾砂的比 重、 容重、 粒级组成和孔隙率， 对料浆输 送、 充填质量和充填能力都有直接的影响。尾砂的容 重和孑 L 隙率是随着其收缩程度不同而变化的， 孔隙率 越大 ， 压缩系数也越大， 而强度则越小。充人采空区 形成充填体后， 随着时问的延长， 充填体逐渐沉缩， 孔 隙率相应减小， 而容重增大， 其强度增加。良好级配 的充填料， 应该是孔隙率最小， 密实性最大， 并能保证 有良好的承载特性和必要的渗透率， 从而使充填料细 颗粒成分损失最小。普遍认为， 粒级组成的最佳级配 应该符合塔博方程式 ， 见公式 2 d 6 o 4～5 2 式 中 为 6 0 ％ 颗粒通过的筛孔直径 ， m m； d 。 。 为 1 0 ％ 颗粒通过的筛孔直径 ， ／r ／, ／r ／, 。 通过对金i l l --矿 区充填生产使用尾砂取样粒度 分析计算． 其_,．a 60 4 ． 2 ， 说明其金川尾砂粒级符合标 1 1 0 准， 对充填体质量的影响不大， 可以满足中深部开采 的要求。 2 ． 2 充填 系统管理 ． 充填搅拌站充填料浆制备的管理对充填质量起 着致关重要的作用． 并直接影响采场充填体质量， 因 此必须重视对充填系统的管理 。 实践经验表明， 充填质量与充填浓度成正比， 充 填浓度越高则充填体的强度随之增高； 相同充填浓度 时 ， 随着水泥量的增大其充填体的强度就越大。充填 系统设计 自流充填浓度为 7 7 ％ ～ 7 8 ％， 膏体充填料浆 浓度为 7 9 ％ 一8 0 ％_ 3 J ， 充填灰砂 比根据采场的要求 分别为l 4 、 l 6 。因此， 必须加大料浆制备的管理， 严 格按设计配比制备充填料浆， 保证水泥等骨料的添加 量， 方可确保充填质量， 实现矿石的安全采出。 充填料浆制备工艺流程中的泵、 阀、 流量计、 浓 度计和胶结计量等各种设备装置， 都是采用电子或 机械控制。充填系统的正常运行， 也是保证充填体 质量的重要 因素之一。调查结果显示 ， 金川二矿 区 的故障停车频率较高甚至调度室记录出现不能真实 反映充填过程的现象， 造成充填体的分层、 离析， 甚 2 0 0 9 N o 4 高直， 张海军 影响中深部充填质量的因素探讨及对策 1 3 至出现“ 千层饼” 的情况， 所以必须定期对系统设备 进行维护， 保证充填系统的正常运转， 以降低故障开 停车特别是非正常开停车的次数。 2 ． 3 充填准备工作 充填准备工作是非常重要的一个工作环节， 直 接影响到充填质量。调查结果显示， 充填准备工作 个别采矿工区存在质量问题， 主要表现在进路清理、 吊筋铺设这两个方面。 如果进路底角的清理不彻底、 不干净， 两充填体 中间将出现明显的夹矿 ， 必然给下分层进路 的回采 顶板留下夹缝， 这将给下一分层的矿体回采带来极 大的安全隐患， 必然加大回采时安全隐患处理人力、 物力的投人． 进而影响劳动生产效率的提高， 最关键 的是有可能造成作业人员伤亡； 如果进路底板有垫 矿且矿量较大而出现清理不干净 ， 则问题更大 ， 有可 能在下一分层 回采时 出现顶板 冒落， 如果人员未及 时撤离作业现场， 后果将不堪设想； 如果进路头部等 边缘地段钢筋铺设和吊挂局部不到位， 或者待充填 进路吊筋间距过大不合格， 这都将影响充填质量， 必 然加大下一分层的矿体回采的难度。 2 ． 4 采场充填料排放方式 采场充填料浆排放方式对充填质量影响很大， 金川二矿区采场平均尺寸为 5 m x 4 m 5 0 m 宽 高 长 ， 采场面积较大 ， 充填料浆进入采场后有可能 发生离析， 随着离析量增加， 紧靠排放处有大量的粗 颗粒充填料堆积 ， 而离开排放处的距离越远 ， 细颗粒 的充填料和水等大量堆积， 充填质量难以保证 ， 为了 缩小采场充填料浆移动的距离， 应当根据采场的长 短确定充填管头合理位置、 断管的合理时机及位置。 2 ． 5采场脱水 2 ． 5 ． 1 采场脱水对充填质量的影响 由于棒磨砂粒径较粗、 表面积较小， 所需饱和水 相对较少， 充填料浆进人采场后， 泌水率 自然加大。 据试验测定 ， 正常充填情况下 l O O m 料浆脱水量达 到8 ～l l m ， 如果采场中的水不能及时排出， 将延长 充填体的凝固时间， 势必造成采场充填料浆的严重 离析， 从而导致充填体的强度降低， 直接影响充填体 质量。因此， 采场充填及时脱水十分重要， 采场必须 要有完善的脱水系统和可靠的脱水方法。 2 ． 5 ． 2 清洗水对充填质量的影响 从地面充填搅拌站到充填作业采场垂直高平均 7 0 0 m， 充填管道约4 0 0 0 m， 新开 8 5 0中段 9 7 8分段 的 充填管线则更长。充填采矿法有个局限性， 充填系 统要求在每次输送充填料浆前和采场充填结束后放 清水清洗管道， 以防止料浆在管内固结。金J r l -- 矿 区实际生产情况， 一般管道清洗放水时间约为 1 5 2 0 m in ， 先后两次累计放水时间约为 3 0～ 4 0 m i n ， 一 次充填前后总放水量 3 O一 5 0 m 。如果清洗水进入 采场， 不但会使充填料浆产生稀释、 离析， 而且会使 充填过程中的水泥漂在水面上， 将严重影响胶结充 填体的强度， 且使脱水时间延长， 影响生产能力。金 川二矿区采场较高为 5 m， 采场不可能一次完成充 填， 必须要进行多次充填 。因此 ， 清洗水排放控制也 是影响充填质最的重要因素。 3 对策研究 3 ． 1 采用膏体充填技术。 确保深部充填体强度 尾砂膏体充填工艺技术- 3 是 2 0 世纪 8 O年代 后期发展起来的一项新技术 ， 是近十多年来充填 领 域十分关心的充填工艺技术， 也是每次国际充填采 矿会议讨论最多的充填工艺技术。尾砂膏体充填工 艺技术相对于细砂浆体 自流充填工艺技术有明显的 优越性和先进性， 具有良好的稳定性和可塑性， 其不 沉淀、 不离析、 不脱水 。 由于膏体充填料浆不脱水， 故沉缩率非常小， 有 利于采场充填接顶， 并可避免水泥流失， 减少水泥用 量， 充填体强度更能得到保障。膏体在管路中的流 动呈柱塞状， 属于非牛顿流体， 其核心呈恒速流动， 在沿管道横断面的垂直轴线上没有 明显 的浓度梯 度， 料浆输送可靠， 对管道的磨损很小。这些特点弥 补了自流输送充填中的不足和存在的问题。 针对 目前二矿区中深部采场脱水量大 ， 造成矿 井排水排污系统紧张的局面 ， 建议开展深部采场膏 体充填试验研究 ， 在深部采场试验成功后 ， 要求深部 采场充填过程采用尾砂膏体充填技术， 以确保充填 质量 ， 为深部开采地压控制创造条件。 3 ． 2 采场脱水技术研究 针对采场脱水对充填质量的影响， 建议采取高 压风水造浆 】 、 高压风水清洗 的办法。这样一方 面可以实现管路的连续清洗； 另一方面利用高压风 代替部分水 ， 以节约用水量 ， 减少管路清洗水进入采 场， 降低对充填质量的影响， 确保中深部开采对充填 体强度的要求。 另外， 建议采用完善的脱水设施， 提高脱水能 力- 1引。采场充填后， 在最短的时间内尽量将水全部 1 4 铜 业 工 程 2 o o 9 N 0 4 脱出、 排出， 减少充填料浆泌水在采场内的滞留时 间， 避免造成水泥砂浆分布不均匀等现象的发生， 以 保证充填体的整体强度_o 3 ． 3 充填料浆排放方式研究 不断研究改进充填料浆在采场中的排放方式。 优化充填管头位置， 在一定程度上可以克服充填料 浆在采场中流动性差且离析的问题， 减小充填料浆 流动距离， 以确保充填质量特别是打底充填的质量。 3 ． 4 创新充填管理模式 针对充填准备、 充填料浆制备、 设备装置运行、 开停车对充填质量造成的影响， 为把事后问题的追 踪调查变为事前预防， 给采矿作业创造一个宽松的 工作条件， 应加大对充填的管理力度， 建议采取如下 措施 1 加大采场检查、 验收的管理， 消除充填体中 间夹矿、 进路底板不干净以及局部吊筋、 底筋不合格 的现象； J J n 强充填过程控制的管理， 对充填过程进行 跟踪调查， 杜绝调度室记录不能真实反映充填过程 停车情况的发生。 2 完善生产管理， 避免充填前后冲洗充填管 道用水进入充填采场， 避免相邻采场生产过程中产 生的生产废水进入充填采场， 形成有积水不能充填 的共识。 3 加强对充填料浆制备系统的管理， 严格按 配比要求制备合格的充填料浆， 特别是水泥用量不 得缺斤少两， 且按设计要求保证稳定的充填料浆浓 度， 减小充填料浆质量波动。 4 加强对外购充填材料的检测与管理， 要求 供应商提高棒磨砂加工质量， 使棒磨砂粒径达到设 计标准， 确保充填质量的稳定。 5 建立完善设备点检制度， 以“ 预知维修” 为 理念， 制定切实可行的设备维护保养制度， 确保系统 的正常运行， 降低故障停车对充填质量造成的影响。 4 结束语 随着开采深度的不断加深， 矿区地应力呈线性 增加 ， 地压 日益明显， 充填质量的好坏直接影响到矿 山的安全生产。要实现二矿区深部矿体的安全、 高 效、 低成本的回采， 必须坚持走科技兴矿之路， 吸收 和消化国内外先进的采矿充填技术和经验， 解决二 矿区中深部充填质量的问题， 有效地控制矿区地应 力和围岩变形， 以确保金川二矿区深部的安全、 高 效、 合理回采。 参考文献 【 1 ] 杨长祥， 辜大志， 张海军， 等． 镍矿资源深部开采面临的技术阅题 及对策[ J ] ． 采矿技术， 2 0 0 8 ， 8 4 3 43 6 ， 5 8 ． [ 2 ] 王正辉， 高谦． 胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究[ J ] ． 金属 矿山， 2 0 0 3 ，3 2 8 i o 1 82 0 ． [ 3 ] 刘同有， 等． 充填采矿技术与应用[ M] ．北京 冶金工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 4 ] 陈仲杰， 杨金维． 金川矿区深部高应力碎胀蠕变岩体支护对策 [ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 5 ， 3 4 3 1 l 82 2 ． [ 5 ] 吴爱祥， 王永前， 等． 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o f mi nin g d e p t h，u n d e r g r o u n d p r e s s u r e a p pea r s t o b e mu c h mo re o b v i o u s ，wh i c h r e q u i r e s v e r y g o o d q u a l i t y b a c k fi l l p r a c ti c e t o b a l anc e t h e mi n e s a f e ty c o s t ．T h i s p a pe r i n t r o d u c e s t h e J i n c h u a n No ． 2 mi n e d e e p mi n i n g 8 呦 s s t r e s s d i s t r i b u t i o n s i t u a f o n ．I t f o c u s e s o n t h e i n fl u e n c e of q u ali t y o f t h e fi l l i n g ma t e r i a 1 ．p rep a r a ti o n o f fi ll i n g ma t e ri a l s ，fi t S w e l l a s p r o c e s s o f b a c k fi l1．A s t r a t e g y Was res e a r c h e d t o ma i n t a i n the b a c kfi ll qu a l i ty，w h i c h p r o v i d e s a g o o d ref e r - e n c c f o r d e e p mi n i n g p r a c t i c e ． Ke y wo r d s D e e p mi n i n g； B a c k fi ll qu ali t y； B a c kfi l l l ma t e r i a l ； B a c kfi l l S y s t e m； S t o p e Ba c kfi ll