泡沫砂浆充填体的应用价值研究

张耀平苏晓萍谭 伟杨双有郭维军

（1.江西理工大学应用科学学院；2.江西理工大学资源与环境工程学院；3.金川集团有限公司三矿区）

泡沫砂浆充填体的应用价值研究

张耀平1，2苏晓萍2谭 伟2杨双有2郭维军3

（1.江西理工大学应用科学学院；2.江西理工大学资源与环境工程学院；3.金川集团有限公司三矿区）

充填采矿法在地下金属矿床开采中有着举足轻重的地位。为了将国外的先进技术——泡沫混凝土技术成功引入充填采矿工艺中，并且在国内推广使用，首先选取地质条件比较独特的某公司三矿区F17以东采场进行试验。通过对三矿区采一工区9条进路分别在3、7、28 d进行泡沫砂浆充填体强度的检测，可以看出泡沫砂浆充填体的强度已经达到公司充填体强度的指标。同时泡沫砂浆充填体相对普通的砂浆充填体而言具有轻质性、易流动性、均衡性、抗离析性、接顶率高等优点，且所耗费成本低廉，从而可以看出在公司三矿区F17以东采场中采用泡沫砂浆充填技术是经济可行的。

充填采矿法 泡沫砂浆充填 力学强度 经济可行

随着金属矿床地下开采深度的不断增加，地压显现也愈加鲜明，例如岩体塑性变形、裂缝、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等［1］。充填采矿法是地下金属矿床开采中控制地压较有效地方法之一。可以利用充填体的强度来有效地控制采场地压的显现，支撑围岩限制其发生大的变形破坏［2］。在开采深部贵重金属时，为了降低矿石的损失率和贫化率，提高回采率，可利用充填体代替原来的矿柱。另外还适用于开采有自燃性的矿体和地表有建筑物构筑物不允许陷落的矿体［3］。诸多国内外进行深部开采的金属矿山已达成共识：充填采矿法是一种具有较高经济效益的采矿法，同时在建立“绿色矿山”方面也具有潜在的优势，因此人们越来越重视对充填采矿法充填工艺的改进，泡沫砂浆充填体技术就是其中一种。

泡沫砂浆充填体是将混凝土、集料（包括细戈壁集料、细河砂、棒磨砂、粉煤灰、尾砂等）、水、发泡剂形成的泡沫以一定的比例和适量的外加剂进行混合均匀搅拌，经过一段时间的物理化学作用，待脱水干燥硬化后形成的含有一定比率空隙的，具有一定强度的充填新材料［4］。它是由泡沫轻质土的原理演化而来的。泡沫轻质土始于20世纪50年代的国外，在国内由土木工程率先使用来进行施工建设。人们根据它在土木工程中应用的广泛性，可靠性和经济性，逐渐开始考虑是否能将其引用于深部贵重矿石的开采工艺。为了将泡沫砂浆充填体技术成功运用于国内矿山，依托某公司三矿区F17以东采场特殊的地理和经济条件，首次展开试验，进行泡沫砂浆充填体的使用价值研究。

1 三矿区F17以东矿体赋存条件

某公司地处河西走廊东段，位于东经101°29′～102°34′，北纬38°～39°，属于喜马拉雅地震带。水系不发育，主要河流为金川峡，属内陆季节性河流，祁连山冰雪融化汇聚而成。主要降水分布于冬夏两季，夏天少有大暴雨，冬天少见厚的积雪，常年蒸发量大于降水量。公司的矿区平均海拔均在1 700～1 830 m之间。三矿区F17以东矿体都是赋存于深部，在1 050 m水平以上的矿体中镍和铜的品味都比较高，储量都比较大。地质报告显示：该矿体受断层F8的影响，东陡西缓，东深达600 m，西深200 m，呈楔状向下灭尖，岩面存在明显的不整合、原生软弱结构夹层、层间错动带及接触破碎带［5］。因此进行开采时亟待解决的问题之一就是在地压随开采深度的增加逐渐增大时，如何有效地控制地压显现，预防地质灾害的发生。

2 泡沫砂浆充填体现场效果检测

公司三矿区F17以东矿体一贯采用胶结充填采矿法进行下向回采［5］。该公司对充填体所要求的强度为3、7、28 d的抗压强度分别为1.5、2.5、5.0 MPa［6］。由于矿山充填工艺经过多年改进已经成形，为了取得更好的充填效果，以及节约成本，只能从充填材料上进行改进。经过多方面对比，并且借鉴其他矿山经验，在此选择泡沫砂浆作为充填材料。所选择材料为水泥、自然砂、水、发泡剂等。

在矿区内对不同的灰砂配比、气泡含量进行流值、湿密度、强度值检测比较得出：在三矿区较适宜的充填参数为灰砂比1∶4，料浆浓度为85%、气泡率为25%。对三矿区采一工区9条不同进路进行充填体强度监测，得到如图1的强度数据统计曲线。

（1）在3、7、28 d时的9条进路检测出来的泡沫砂浆充填体强度是各不同的，在其平均值1.85、2.84、6.01 MPa上下波动，但最小值都大于技术强度指标1.5、2.5、5.0 MPa，满足了充填体强度要求。

（2）除10＃进路外的其余8条进路，同一龄期各进路充填体的强度值差异不大。3、7、28 d各进路的强度值的极差分别为0.6、0.4、1.5 MPa，代表同一龄期各进路的强度值最大的变化范围。

图1 泡沫砂浆充填体强度数据统计曲线

（3）相同的配比参数下，同一龄期不同进路充填体强度各有差异，是因为在配料过程中不能严格达到配比要求，略有差异，而且不能保证充填料浆浓度自始至终都是稳定的。另外，在整个充填过程中不能保证气泡的含量都是绝对均匀的。

（4）气泡作为泡沫砂浆充填体的一部分以一定比率存在，同等体积下质量更轻，强度较之常规充填体的强度却更低，但其强度已经达到了充填强度指标。

衡量充填体效果好坏的另一个重要指标就是接顶率，充填体的接顶率高，则充填的效果越好，越有利于限制顶板的大规模下沉。对泡沫砂浆充填体的接顶率进行监测，所得接顶率已高达100%，也已满足公司所要求的标准。

同时由于大量致密泡沫的存在，在管道里输送时不会阻塞管道，流动性比较好。对充填后侧帮顶板打开的图片可以看出，泡沫砂浆充填体存在致密均匀的空隙，且未发生离析现象。综合起来泡沫砂浆充填体具有良好的轻质性、流动性、均衡性、抗离析性等特点［7］，如图2～图4所示。

图2 充填过程

3 泡沫砂浆充填体的经济效益

在公司三矿区中计算泡沫砂浆充填用量时以灰砂比为1∶4，料浆浓度为85%、气泡率为25%等作为重要参数。在计算泡沫砂浆充填体和常规砂浆充填体费用时所参考自然砂与水的价格分别为14元／t、1.5元／m3［8］。对2种充填费用统计见表1。

表1 不同砂浆充填时的材料用量和费用（充填量3 208 m3）

图3 侧帮打开

图4 顶板揭露

从表1可以看出：充填方量为3 208 m3时，在水泥价格为280元／t时，泡沫砂浆充填比常规砂浆充填节省50 636元；在水泥价格为220元／t时，泡沫砂浆充填比常规砂浆充填节省32 096元，单位充填方量可节约成本分别为15.78元、10.01元。节省成本的大小取决于水泥价格，当水泥价格越高时越能体现出它的经济性。这对于一个1 000万t／a以上的矿山来说，所节省的成本是相当可观的。相比常规砂浆充填来说，泡沫砂浆充填所节省的成本费用较高，具有较高的经济效益。

4 结 论

（1）公司三矿区F17以东的矿体中贵重矿石的品位和含量都比较高，但赋存的地质条件却很不理想，一经开采将会产生较大的次生应力场。

（2）由于泡沫砂浆充填体中25%的气泡含量，在同等体积的情况下，泡沫砂浆充填体的质量要小于常规充填体，因此容重也更小。

（3）泡沫砂浆充填技术在三矿区F17以东深部开采过程中得到试用，充填完毕待脱水干燥后泡沫砂浆充填体的强度会随着时间的增长呈增大的趋势，且满足公司对充填体强度的规定，可以替代常规的砂浆充填体来控制地压显现所带来的地质灾害的发生。

（4）泡沫砂浆在充填过程中表现出了优于常规砂浆充填的轻质性、流动性、均衡性、抗离析性、经济性、接顶率高等特点。

（5）通过泡沫砂浆充填的费用与常规砂浆充填的费用进行比较，可以看出泡沫充填技术具有很高的经济效益。

综合泡沫砂浆的各种优点，将其替代常规砂浆进行充填的做法是经济可行的。

［1］宫德玉，彭卫杰.地压显现规律及解决深井地压问题的方案［J］.化工矿物加工，2009（11）：33-34.

［2］解世俊.金属矿床地下开采［M］.北京：冶金工业出版社，1986.

［3］冶金部长沙矿山研究院.充填采矿法［M］.北京：冶金工业出版社，1978.

［4］陈忠平，翟淑花，董璐，等.泡沫砂浆充填体力学特性及其应用研究［J］.金属矿山，2010（8）：7-10.

［5］刘同有.金川胶结充填采矿法新工艺新技术［J］.中国矿业，1998（6）：1-7.

［6］李 冬.泡沫砂浆在金川矿区的应用［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2010.

［7］陈忠平，孙仲均，钱争晖.泡沫轻质土充填技术及应用［J］.施工技术，2011（5）：74-76.

［8］郭维军.三矿区高性能泡沫砂浆胶结充填试验阶段总结报告［R］.金川：金川集团有限公司三矿区，2011.

The Application Value of Foam M ortar Filling Body

Zhang Yaoping1，2Su Xiaoping2Tan Wei2Yang Shuangyou2GuoWeijun3
（1.School of Application＆Science，Jiangxi University of Science and Technology；2.Faculty of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology；3.The Third Mining Area，Jinchuan Group Co.，Ltd.）

Cut-and-filling stopingmethod plays the great part in undergroundmetalmining.In order to successfully introduce the foreign advanced technology-foam concrete technology in cut-and-filling stopingmethod and widely use it in domestic，the east stope of F17 in the third mining stope is chosen as the testing place because of its unique geological conditions.Through detecting foam mortar strength of filling body in nine different route of the No.1 stope of the third mining stope，it is shown that the strength of the foam slurry filling has already reached the strength index of filling body.At the same time，in comparison with ordinarymortar filling body，the foam mortar filling body has such advantages as lightweight，easy mobility，equilibrium，anti-segregating，high supporting pit roof rate，and low cost.Thus it can be concluded that the foam slurry filling technology is economic and feasible in the east area of F17 in the third mining stope.

Cut-and-filling stopingmethod，Foam mortar filling，Mechanical strength，Economically feasible

2013-06-21）

张耀平（1974—），男，副教授，博士，341000江西省赣州市客家大道156号。