某采场非胶结充填实验研究

2018-08-13宝力格张建忠

世界有色金属 2018年10期

宝力格，张建忠

（1.内蒙古黄岗矿业有限责任公司，内蒙古赤峰 025350；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710065）

黄岗矿区呈北东向展布，含矿带长19km，宽0.2km～2.5km，划分成七个区（Ⅰ～Ⅶ）。其中Ⅰ矿区铁矿走向长度2km，平均宽约150m。设计年产量180万t/a,采用中深孔分段凿岩阶段出矿嗣后充填法进行开采。一步骤回采矿块（矿房）和二步骤回采矿块（矿柱）间隔布置，先回采一步骤回采矿块（矿房），矿房回采结束后即进行胶结充填、养护，然后再回采二步骤回采矿块（矿柱），二步骤回采矿块（矿柱）回采后的采空区采用分级尾砂非胶结充填[1]。

1 回采工艺

中深孔凿岩在分段凿岩巷道中进行。采用YGZ90型导轨式凿岩机配CTC14型凿岩台车，钻凿上向扇形孔中深孔，炮孔直径Ф55mm，凿岩炮孔排距（最小抵抗线）1.2m～1.5m，孔底距2m左右。钻机效率30m/台班。中深孔爆破炮孔每米崩矿量为8 t/m左右。

炸药采用乳化卷状炸药，起爆器配非电导爆管雷管起爆系统爆破。以切割天井为自由面形成切割槽，再以切割槽为自由面侧向崩矿[2]。回采落矿各分段崩矿自由面在垂直方向上基本保持一致或上分段超前下分段2～3排炮孔。回采爆破炸药单耗为0.40 kg/t左右。

采场出矿采用ACY-2、ACY-3或WG-2型柴油铲运机。每台铲运机负担两个矿块的出矿工作，从出矿进路装矿运输至采区溜矿井缷矿。控制采场放矿块度为下于800mm，不合格大块在装矿进路中进行二次爆破处理。

采区溜矿井下部采用XZGZ1843振动给矿机放矿，将矿石装入4m3侧卸式矿车。

2 采场充填

目前矿山一步骤采场采用高配比全尾砂胶结充填，不同高度采用不同配比灰砂比的充填料浆，其具体分布为：下部5m采用灰砂比1：4的充填料浆，中下部14m采用灰砂比1：8的充填料浆，中部5m采用灰砂比1：6的充填料浆，中上部24m采用灰砂比1：8的充填料浆，上部2m采用灰砂比1：4的充填料浆；二步骤采场采用低配比全尾砂胶结充填，其具体分布为：下部6m采用灰砂比1：4的充填料浆，中部及上部44m采用灰砂比1：15～1：18的充填料浆。

采场矿石出完后，采用管内径为100mm的硬质波纹脱水管从采场顶部贯穿整个采场，然后从采场下盘的底部巷道内拉出。脱水管安装结束后，对采场的各个透口进行密闭工作，密闭墙采用钢筋混凝土结构。

密闭墙施工完后开始采场充填工作，充填管经上部中段运输巷进入采场下盘，开始采场充填，过密闭墙时，严格控制面料上升高度，每次充填高度控制在0.8m～1.0m，过充填挡墙后，每次充填高度控制在2m～5m，直至采场充满。

3 存在问题分析

（1）矿山现有充填系统实际运行过程中只使用了一套系统，即只用了2个砂仓，一个水泥仓，一套搅拌系统和充填钻孔。实际运行过程中，一个砂仓进砂时，粗砂沉降进入仓底，而仓顶溢流的的细颗粒进入隔壁另外一个砂仓进行存储。砂仓进砂沉降满仓后，即可进行连续充填（即同一砂仓上部进砂的同时，砂仓下部不间断连续进行充填）。而只有当储存细颗粒的砂仓存储满之后，才将细颗粒砂仓放入井下进行充填。目前的充填方式，不是真正意义上的全尾砂充填，而是经过自然分级之后的分级尾砂充填。进砂的砂仓沉降后的尾砂颗粒很粗，沉降快；而缓冲仓中的尾砂颗粒相对较细，沉降慢。

（2）现场取样观察发现，尾砂沉降后，砂仓放出来的尾砂经与水泥混合搅拌后的料浆迅速沉降，证明尾砂颗粒粗，粗砂充填时水泥与尾砂容易离析；而细颗粒溢流到缓冲仓中，细砂充填需要的水泥消耗量大。

4 充填试验

（1）全尾砂粒度测定。为模拟二步骤分级尾砂充填情况，选取连续正常工作时在矿山尾矿库排尾口对选铁后的最终尾砂，为避免细和极细的泥尾流失，现场就近找平地铺防渗彩条布对全尾砂进行蒸发晾晒，干燥后均匀堆积。全尾砂基本物理参数测定（比重、容重、休止角）、粒级组成测定（中值粒径、不均匀系数）、全尾砂及全尾砂+水泥胶结沉降试验测定。全尾砂物理参数测定主要有比重、松散容重、压实容重、休止角，以及由比重和松散、密实容重得出的孔隙率。

表1 全尾砂物理性能指标测定结果

全尾砂的粒度组成对矿山充填的影响十分明显，既与脱水工艺有关，更重要的与胶结充填体的胶结性能和胶结剂消耗量有关。主要参数有粒径、颗粒均匀度系数。试验采用Mastersizer3000型激光衍射粒度分析仪测定尾砂的粒级分布,测定的数据见表2。尾砂中-5μm、-10μm、-20μm的极细颗粒含量分别为4.05%、8.64%、15.87%，-200目(-75μm)为40.16%，尾砂粒级较粗。尾砂是由大小不同的颗粒所组成，可用不均匀系数a表征该物料粒级组成的均匀程度，计算公式如下：

d10、d60、d90分别是累计含量为10%、60%、90%颗粒能够通过的筛孔直径，其值可从粒级组成曲线上查得，a值越大表示粒级组成越不均匀，一般a1=3，或a2=5时，充填尾砂的密实程度比较好。对于较粗的颗粒（如河砂）通常用a1来表征颗粒的均匀程度，而对于较细的颗粒（如尾砂），则通常用a2来表征颗粒的均匀程度。黄岗矿业公司全尾砂a2=9.91，可以认为颗粒级配不均，其所形成的充填体密实程度和透水性都较好。

表2 全尾砂粒级组成

（2）全尾砂沉降性试验

渗透系数k是综合反映充填体渗透能力的一个指标，全尾砂渗透性能的好坏，表征水从充填材料固体颗粒间孔隙中流过的能力，它决定着充填体的脱水速度、固结时间和强度值。影响充填体渗透系数大小的因素很多，主要取决于充填体材料颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，试验主要采用TST–55型渗透仪在变水头条件下测定全尾砂的渗透系数的方法。通过实验，求取平均值得到此次全尾砂试样的渗透系数为13.343cm/h，表明水从充填料固体颗粒间孔隙中流过的能力较强。

图1 全尾砂粒级分布曲线

尾砂的沉降性能对充填体的物理性质具有较大影响，它决定着充填料浆的沉降特性。充填料浆一般在最初阶段常常处于饱和状态，在脱水的过程中，由于毛细压力和固体颗粒自重的作用，充填料浆体积减小，自然压密，此过程就是充填料浆的自然沉降过程。矿山全尾砂充填一般采用矿山选矿厂经浓密后重量浓度45%的底流，为实现全尾砂高浓度胶结充填，需要对全尾砂进行浓缩沉降。全尾砂沉降依次包括三种状态特征：全尾砂分级，粗重颗粒快速下沉，较细颗粒缓慢下移，更细的颗粒则悬浮于上部；粗粒沉降，粗颗粒沉降压缩到相互紧密接触的状态；细粒沉降，悬于上部的细颗粒沉降压缩到颗粒紧密压缩的状态，达到最大沉降浓度。其沉降速度取决于尾砂的密度和细度，密度越小，粒度越细，最大沉降浓度越低。因此最大沉降浓度将直接影响充填工艺和充填能力。

试验进行了全尾砂9组及全尾砂+水泥12组充填料浆沉降特性试验，试验采用1000ml的量筒来进行，全尾砂沉降试验分别以质量浓度为20%、30%、40%、50%、60%、65%、70%、75%、80%的料浆配料；全尾砂+水泥沉降试验分别以质量浓度为60%、65%、70%、75%的料浆配料，水泥比尾砂（灰砂比）分别为1:4、1:8、1:10。每组试验重复三次，对比试验结果，求取平均值。