锡矿山南矿深部胶结充填试验研究.pdf

I S S N 1 6 7 l一2 9 0 o C N 4 31 3 4 7 ／ T D 采矿技术第9卷第3期 Mi n i n g T e c h n o l o g y，Vo 1 ． 9， No ． 3 2 0 0 9年 5月 Ma y 20 0 9 锡 矿 山 南 矿 深 部 胶 结 充填 试 验 研 究 邹志红 ， 张根深 ， 刘松伟 ， 姜 群 1 ． 锡矿山闪星锑业有限责任公司， 湖南 冷水江市4 1 7 5 0 2 ； 2 ． 长沙矿山研究院， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 摘要 确定了南矿深部胶结充填 系统流程 以及充填材料的组成、 配比、 砂浆输送浓度、 砂 浆输送速度 、 管径大小， 对设计的充填体强度进行 了试验验证， 提 出了控制充填质量、 保证 充填体强度的对策措施 ， 结果表 明， 南矿深部胶 结充填 系统比原 系统提 高了充填输送浓 度 ， 减少了堵管现象 关键词 深部开采； 充填 系统； 砂浆输送 ； 充填体强度 锡矿山南矿三中段以上 1 9 4 9年前见矿采矿 ， 乱 采滥挖了若干年代 ， 遗 留了大量的采空区。1 9 5 0年 代 中期 ， 进行 了整体的开拓方案布局 ， 采用正规的空 场房柱法开采，并用矸石充填了西部和飞水岩河床 下面的老采空区。直至 2 0世纪 6 0年代 中期， 由于 采空区的面积和体积累积到了相当大的规模 ， 1 9 6 5 ～ 1 9 7 1 年产生了3次大面积地压活动 ， 使国家财产 蒙受了重大损失。从此 以后 ， 主要使用充填采矿法 开采 ， 先后成功地试验研究了混凝土胶结充填法 、 杆 柱砂浆充填法 、 粗颗粒水砂充填采矿法和尾砂胶结 充填法等采矿方法， 并对原有老采空区进行 了矸石 充填、 尾砂充填处理 。近 4 0余年 ， 井下生产持续 、 正 常， 地表移动平缓 ， 充填采矿法取得 了控制地压活动 的良好效果。 1 深部胶结充填系统建设方案 1 ． 1 原有胶结充填系统存在的问题 地表二窿口附近有一砂浆搅拌站 ， 老尾矿库的 山坡上 、 食品站旁边公路下有一水泥制浆系统 ， 水泥 浆和选厂全尾砂经旋流器分级后的尾砂分别用管路 输送到搅拌站搅拌 ， 水泥砂浆经管路 自流或加压输 送至 l 1 、 1 3和 l 5中段采场充填。目前主要的采矿 地点已进入 了 1 5中段 以下 ， 原有砂浆输送管道较 长 ， 地表长 1 2 0 0 m， 井下长达 2 4 0 0多米， 充填倍线 过大， 造成砂浆输送 困难 ， 从 而 导致 充填体浓度降 低 ， 一方面增大井下充填的排水量． 另一方面充填体 质量难以满足实际要求。 1 ． 2 深部胶结充填系统建设方案 经过多种方案 比较 ， 确定重新选址建设水泥砂 浆制备系统 见图 1 电子秤 浓度计 全尾砂 泵 【 送 鞋 J回水池 溢流泥沙池I i 一 { 至 鎏 H 泥J 砂 供砂料仓I l流量计 l 1 l 水隔 离泵 震动放料机 1 自 鋈 t i j[ 6 5 0r t T一 { 泵 送 ]}r t 双轴搅拌机 l L _ 一 『 一 双轮搅拌桶 f L 二 管 路 尾矿库 图 1 胶结充填系统工艺流程 新建系统在南选厂旁边 、 原马尔斯泵房附近建 立 2个容积分别为 2 4 0 m 长 l 2 ． 5 I n x 宽 4 ． 8 m x 高 4 m 的卧式砂仓及 1个容积为 3 0 I n 的转料砂 仓和 1 个 l 3 6 t 水泥仓 内径 ． 5 9 I l l ， 高 1 5 ． 9 m 。 南选厂重量浓度 2 0 ％ 左右的浮选砂通 过 L S G B一 2 ． 5 水隔离泵输送到分级站， 再采用 3 0 0 m m旋流 器 0 ． 1～ 0 ． 2 MP a的压 力 分级后 流入卧式砂仓 溢流部分通过马尔斯泵扬送至选厂溢流池 ， 再 由 管道 自流输送至龙王池尾砂库 进行 自然脱水 ， 然 后用 5 0 t 抓斗机抓至尾砂转供料仓 ， 尾砂通过 C WZ 一 Ⅱ型单板振动放料机强制卸料到 B 6 5 0胶带输送 机 配电子秤 转运至双轴搅拌机内； 水泥仓下放 的 水泥经螺旋输送机输送至双轴搅拌机， 加水搅拌后 1 6 采矿技术 再送至双轮搅拌桶进行二次搅拌。在制浆系统附近 的 3 0 8 ． 5 m标高处打一充填钻孔 钻孔 内套 q b l 0 0 m m的无缝钢管 直通井下 1 3中段 ， 水泥砂浆通过 此钻孔管下放 ， 再通过专用充填道转输至 1 5中段以 下各充填采场。该方案有如下优点 1 缩短了地表水 泥浆和尾砂输送管路 的距 离 ， 提高了充填系统的可靠性 ； 2 地下输送距离短 、 弯道少 ， 提高 了输送浓 度 、 减少了堵管现象 ； 3 可回收利用废水进行选矿； 4 主要系统集中于南选厂旁边， 既节省能耗 ， 又便于管理。 2 深部充填 系统 2 ． 1 充填材料 1 水泥与尾砂的物理特性。水泥采用公 司水 泥厂生产 的 4 2 5 硅酸盐矿渣水泥。尾砂 由南选 厂 产出 ， 再通过尾砂分级后取得。水泥和尾砂的物理 特性见表 1 、 表 2 。 表 1 z k 泥与尾 砂的物理特性 类别 暂度 t ／ m3 t 容重 ／ m3 质 度 渗透 mm ／ 率 h 全尾砂 分级尾砂 粒 径 ‘ m m 而 1 2 水泥与尾砂的化学特性。水泥与尾砂 的化 学特性见表 3 ， 只有 s 0 对充填体 的强度有影响， 但 含量低 ， 影响不大。 表 3 水泥与尾 砂的化学特性 2 ． 2砂浆输送 为了保证砂浆顺利输送 、 不出现堵管现象 ， 必须 使尾砂颗粒完全处于悬浮状态 ， 这种状态与颗粒 的 粒度 、 密度 、 含量和输送压力有关。流动速度随着颗 粒的粒度 、 密度和含量的增大而增加 ， 同时也随着管 径的增大而增加 ， 因此为了保证稳定的尾砂输送量 ， 必须确定临界流速和输送管道的大小。 1 充填倍线。利用高差的自然压头进行尾砂 输送。充填 管 路 总 长 度 为 1 8 2 0 m， 垂 直 高差 为 3 0 6 ． 5 m。在不考虑局部损失 、 无压区和负压区影响 的情况下 ， 充填倍线为 5 ． 9 。 国内外试验研究表明， 当料浆重量浓度为 6 0 ％ ～ 7 0 ％， 充填倍线为 5～ 6时， 重力 自流输送是可靠的。 越往下部中段 ， 充填倍线更低 ， 更有利于砂浆输送。 2 临界速度。临界速度是保证管道砂浆输送 稳定的重要参数 ， 可近似计算得砂浆 的临界速度为 1 ． 4 7 m／ s 。 为了保证砂浆的顺利输送 ， 平均工作速度应为 临界流速的 1 ． 5倍左右 ， 因此砂浆的输送速度以1 ． 5 ～ 2 ． 4 m ／ s 为宜 ， 一般取 2 m ／ s 。 3 尾砂输送临界管径 。尾砂输送管径根据公 式计算确定标准管径为 1 0 0 m m。如果生产规模加 大 ， 可通过改变管径来加大输送量 。 4 充填管路壁厚。充填管路一般采用无缝钢 管 ， 用铸铁法兰连接 ， 而钻孑 L 内的管路只能焊接 ， 钻 孔内管路不仅要承受 自身重量 ， 还必须保证有一定 的服务年限。计算取管壁厚度为 6 m m。在钻孔管 底端拐弯处磨损最 为严重。因此 ， 钻孔 以下 的管路 管壁厚度可以比钻孔 中的略薄一些， 但是在拐弯处 必须加厚 。 2 ． 3 充填体强度试验 2 ． 3 ． 1 实验测试 的充填体强度 用 7 0 ． 7 mm 7 0 ． 7 m m 7 0 ． 7 mm模具浇灌尾 砂胶结试块 ， 经过适当的时间后脱模转入地下硐室 养护 2 8 d ， 然后再到 Y E一2 0 0 0型液压压力试验机 上进行单轴抗压强度测试。测试结果见表 4 。 从表 4可以看 出， 灰砂比较大 ， 试块抗压强度较 高。当灰砂 比为 1 5时 ， 试块 的单轴抗 压强度较 大， 最大抗压强 度为 2 ． 1 5 MP a 。当灰砂 比为 1 6 时 ， 试块的最大抗压强度为 1 ． 6 3 MP a 。当灰砂 比从 1 6减少至 1 7时 ， 试块的抗压强度下降较多 ， 灰 砂比小于 1 7时 ， 抗压强度下降不是很明显。在同 一 灰砂 比中， 水泥砂浆浓度愈低 ， 则试块的抗压强度 相应降低。考虑到水泥贮存条件和时间等因素， 取 邹志红， 等 锡矿山南矿深部胶结充填试验研究 1 7 修正系数为 0 ． 1 ～ 0 ． 1 3 ， 当灰砂 比为 1 5时， 胶结试 块 的抗压强度约为 2 ． 3 6～2 ． 4 3 MP a ； 当灰砂 比为 1 6时， 胶结试块的抗压强度约为 1 ． 7 3～1 ． 7 6 MP a 但是 ， 这样测得的抗压强度很难反映现场胶结充填 体的真实强度 ， 因为整个采场的充填体尺寸 比试块 大很多， 而且采场的充填体处于一种三向应力状态 ， 并过 r数年后才会开采旁边的矿柱。 表 4 锡矿山南矿尾砂胶结试块抗压强度测试结果 2 ． 3 ． 2 现场取样测试的充填体强度 选取灰砂比为 1 6， 重最浓度为 6 5 ％ 的配比砂 浆， 存升下充填条件较好 的采场进行 现场取样测 试～取样地点有近年充填并被矿柱回采揭露的胶结 壁， 有充填多年的打开密闭墙 的胶结壁 1 5中段 5 0 采 取样一般 已揭露 的充填壁面上 ， 在其轴 向 长度方向 按前 、 中、 后 3部分和横 向 高度方向 按最 f 端 、 巾问和最下端位置 _ F 交采取； 在 1 5中段 和 4【 l} 】 段的 4个采场共获取 2 4块试块 采样时， 先 划为 4 0 0 n l n l x 4 0 0 t l l n l 的方块 ， 在四周打深 为 4 0 0 n l l l 1 的密 集小孔 取 ， 然 后将试 块加 T 成边长 为 7 0 ． 7 n l n l 的立方体 试样， 再在 Y E一2 0 0 0型液压压 力试验机上进行单轴抗 强度测试 现场取样测试的尾砂胶结充填体强度见表 5 ， 从表 5町以看出， 现场取样的充填体强度一般为2 ． 3 ～ 4 ． 1 M P a ， 还有一组达到 8 ． 0 MP a 此采场周围节 理裂隙发育， 渗水较怏 ， 比制作试块 的单轴抗 强 度高 究其原 ． 可能是砂浆住采场的渗水快． } { _ 充 填体在初始凝结达到稳定过程中， 受圈同爆破作用 以及处于一种亢全不暴露 、 封闭的 ‘ 维心力条件下 ． 凝纳 更为密实， 抗 、 抗拉 、 抗剪强度有 著提高 表 5 尾砂胶结充填体现场取样抗压强度 nI 、 “ m“ I 平均 I J L U S ． 强度充填体经历时间 砂浆种类 取样地点 MP ” 2 ． 3 ． 3 充填体强度确定 通过以上 2种测试， 采用经验类 比法确定南矿 深部充填的设计强度 ， 即南矿设计的充填体抗压强 度为 2～ 5 M P a 。所确定的强度是基于如下经验事 实 矿柱回采揭露的胶结壁高度达 8～1 0 m、 斜长达 4 0～ 6 0 I n时， 胶结壁没有出现垮塌 ， 自立良好 2 ． 4 充填 体 质量控制 现场取样测试表明， 当水灰 比为 1 6 、 砂浆的重 量浓度为 6 5 ％时， 充填体强度 叮达 2 ． 3～ 4 ． 1 M P a 矿柱回采时， 胶结壁不出现垮塌 ， 满足生产要求。但 是 ， 由于受多方面因素的影响， 水泥质量 、 砂浆制备、 管道输送和采场充填管理等环节都可能出现问题 ， 因此 ， 对充填材料 、 充填工艺和充填管理等全过程实 行质量控制 ， 是确保充填体质量及其强度达到规定 要求的关键。 1 保证全 尾砂进旋 流器 的压 力 0 ． 1～0 ． 2 MP a和旋流器的角锥比 2 3～3 4 ， 如果一次分级 未达到表 4要求 ， 必须进行二次分级操作人员必 须按流量大小及时调节旋流器的溢流部分 ， 保证分 级效果， 从而保证充填料的粒级组成 2 选用达到标 号和安定期的高品质水泥。 3 使用弱碱性水或中性水， 禁用酸性水 4 采用计算机 自动控制， 保证准确的配合比、 合理的搅拌时间 、 稳定连续的操作和输送浓度在 砂浆搅拌工序上， 采用双轴搅拌和双轮搅拌新技术， 充分保i 』 E 砂浆混合均匀 5 允填管路敷设要尽最减少管路长度并经常 巡 视 和维 护 6 密闭墙 砌筑 和溢水管安设要符合规定要 求 允填过程中要及时将沉淀出的清水排 干， 为下 一 次充填作准备一严格控制每次充填的充填 ， 减 少分层离析。最后接顶时， 接顶允分， 同时减少充 填水对井下的污染。 7 加强乍产管理 ， 定期检测仪器仪表， 强化操 采矿技术 2 0 0 9 ， 9 3 作人员责任心 ， 对充填材料质量 、 砂浆浓度 、 砂浆配 3 根据有关经验公式 ， 确定了合适的输送速 比等开展经常性的检测 ， 对充填体的强度不定期进 度和管径 ， 有待于在今后实践 中检验和修正。 行测定。观察揭露的充填 体是否有离析 、 开裂 、 片 4 本次关于胶结体强度的测试由于受多种条 帮、 混合不匀等情况， 分析原因， 采取措施， 提高下次 件限制， 试件的规格种类少， 也未进行现场大型三轴 充填质量。 强度压缩试验， 有待于进一步开展这方面的试验研 8 加强充填采场通风， 控制二步骤回采时间， 究工作。 使充填体有足够的养护时间， 保证回采时所必须的 参考文 献 强度。 [ 1 ]孙恒虎 当代胶结充填技术[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 9 矿柱 回采时 ， 要注意采场边界与充填体接 [ 2 ] ．充填采矿技术 与应用 [ M] ． 北京 冶金工 业出版 社 ， 触面处的排炮方式， 防止爆破崩矿破坏充填体 。 2 0 0 1 ． ．． [ 3 ] 邢万芳， 等． 岩金矿山充填系统设计初探[ J ] ． 黄金 ， 2 0 0 5 ， 2 6 3 结论 1 2 1 5 ～ 1 8 ． [ 4] 党明智 ， 等． 高溶 浓 度尾 砂 胶结 充 填 在金 川 二 矿 区 的应 用 1 新建充填系统 比原系统地面 、 井下分别缩 [ J ] ． 矿业 研究与 开发， 2 0 0 4 ， 2 4 ， s 8 ～ 1 4 ． 短输送距离 1 1 0 0 ， 7 0 0 m以上 ， 降低 了充填倍线 ， 提 [ 5 ]周爱民 ． 中国 充填技术概述[ J ] _ 矿业研究与开发， 2 0 0 4 ， 2 4 高了砂浆输送浓度， 减少了堵管现象 。 一 2 砂浆制备系统采用计算机控制等新技术， 作者简 介 邹志红 1 9 6 9 一 ， 男， 湖南双峰人， 工程师， 主要 保证 了准确的配合比和砂浆混合均匀性。 从事充填技术与管理工作。 上接第 9页 与生产实践 ， 针对不同的采矿方法 ， 采取相应的措施 降低采矿损失率和贫化率 ， 取得很好 的效果 。根据 较为保守的计算， 南缘分段碎石胶结充填法减少矿 石损失 6 ％ ； 无底柱分段崩落法减少矿石损失 8 ％ ， 减少贫化 1 0 ％； 北缘壁柱式上 向尾砂充填法减少矿 石损失 1 2 ％ ， 减少贫化 3 ％。 按照矿山年生产能力 6 6万 t ／ a 其 中南缘两种 采矿方法均为 1 6 ． 5万 t ／ a ， 北缘 为 3 3万 t ／ a ， 综合 出矿品位 0 ． 7 ％ ， 选矿回收率 9 0 ％ ， 矿山铜价 2万元 ／ t 计算 ， 年可多 回收矿山铜约 4 0 0 t ， 少 出废石约 2 ． 6 万 t ， 扣除一些措施工程投入 ， 年经济效益在 3 0 0万 元 以上 。 参考文献 [ 1 ] 廖成孟， 马建军， 蔡路军， 等． 无底柱分段崩落法回采爆破参 数计算机辅助设计 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 7 ， 4 ． [ 2 ] 杨才亮 ， 马建军． 无底柱分段崩落 法放矿截止 品位的研究趋 势[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 0 4 ， 4 ． [ 3 ] 肖福坤 ， 孙豁然 ， 赵德孝， 等． 沿脉进路无底分 段崩落法 的进 路 参数研究 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 3， 5 ． [ 4 ] 鲍侠杰． 丰山铜矿北 缘采场稳 定性研究 [ J ] ． 矿业研 究 与开 发 ， 2 0 0 4． 6 ． [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5] [ 1 6] 杨仕教 ， 古德生 ， 丁德馨 ， 等． 丰山铜矿北缘 采区矿岩稳定性 分级 的灰色聚类方法研究 [ J ] ． 矿业研 究与开发 ， 2 0 0 4 ， 1 ． 李凤林． 无底柱分段 崩落法 损失贫化 的探讨 [ J ] ． 矿业研 究 与开发 ， 1 9 9 9， 2 ． 谢 开维 ， 张葆春． 块石胶结充填 的应 用现状及发展 [ 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