二次攪拌工藝對全尾砂膠結充填質量的影響

周家祥 邵 霞

(武鋼集團礦業有限責任公司大冶鐵礦)

武鋼大冶鐵礦自1949年全國解放后就一直大規模開采，是一座大型的國營礦山。隨著礦山多年無底柱分段崩落法的開采，采礦深度逐漸加深、塌陷區域不斷擴大，地表風貌受到破壞;尾礦庫征地困難、維護費用居高不下，面臨著諸多的問題。充填采礦法一定程度上有利于地區環境的保護，可降低尾砂庫對安全方面的威脅并減少尾砂庫經營費用。

1 大冶鐵礦充填采礦法現狀

大冶鐵礦獅子山礦體原為露天開采，2002年轉為地下開采，礦體上方為黃石國家礦山公園，地表和圍巖需要保護，不允許塌陷。為保護礦山公園地表的露天邊坡、防止邊坡滑坡等地質災害發生，同時減少尾礦庫尾礦排放量及尾礦庫征地數量，綜合考慮設備采購、投資、能耗、操作技術、尾砂用量等各方面因素，確定獅子山礦體采用全尾砂膠結充填采礦法。

獅子山礦體分布于勘探線26～30線，礦體主要賦存于中細粒含石英閃長巖、黑云母透輝石閃長巖與大冶群第四、第五段大理巖接觸帶上，受接觸帶產狀及褶皺、斷裂復合構造控制，呈NWW向分布，走向長430 m。礦體形態、產狀變化不大，主要呈塊狀、透鏡狀、楔狀。獅子山礦體平均厚度為26 m，礦體傾角為70°～90°。礦石和巖石穩固、礦體厚大連續規整;獅子山礦石地質品位高、夾石率低，富含銅金銀等貴金屬。

為滿足采礦生產能力，并協調各方面因素，確定采用分段空場嗣后充填采礦法。將礦塊分礦房和礦柱，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長30 m，階段高度60 m，礦房、礦柱寬均為15 m，使用Simba1252鑿巖臺車，鑿巖巷道分段高度12 m，留有頂柱和底柱。分段中深孔爆破、集中出礦，階段大空場嗣后充填。

采用全尾砂自流膠結充填工藝，充填料漿制備站建設在地面，充填倍線為4.93，充填料尾砂來源于大冶鐵礦選礦車間尾礦濃縮池底流。充填系統主要由2個500 m3立式砂倉、1個水泥倉、1套攪拌桶、充填管道及相應的控制系統組成。

2 充填存在問題

任何采礦方法都必須處理好地壓問題，膠結充填法是用物料充填采空區來解決這個問題，膠結充填體必須達到一定的強度，所以首先必須確定充填體所需強度。獅子山礦體采用分段空場嗣后膠結充填，礦塊分兩步回采，先采礦房后采礦柱，回采礦柱時，礦房中充填體暴露側面積平均為1 400 m2，最大約為2 600 m2，暴露面積較大，故要求充填體的自立性和抗爆破沖擊能力強。

按充填體是一自立性人工礦柱來確定充填體所需強度，根據經驗公式法核算:

式中，H為膠結充填體礦柱的高度，m;σ為膠結充填體的設計強度，MPa;a為經驗系數，H＜50 m時a=600 mm，H＞100 m時a=100 mm，50≤H≤100時，a值介于600～100 mm選取。

取H＜50 m，a=600 mm，

參照類似礦山安全系數取1.5，即礦房充填體強度σ×1.5=2.42 MPa。

結合上述驗算，參照國內外類似礦山的經驗，礦房充填體強度應為2.42 MPa，確定礦房膠結充填體強度為2.5 MPa。

在進行工業試驗的的過程中，選10 cm×10 cm×10 cm水泥砂漿三聯試模，井下取樣制模、現場養護。同一批次的3組試件分別養護7 d、14 d、28 d后拿出，測試其單軸抗壓強度，試件的單軸抗壓強度試驗均在電子液壓式壓力試驗機上進行。通過壓力測試軟件得到充填試件的載荷位移曲線，得到了試件破壞的最大載荷和破壞時的最大位移。每組充填試件有3塊，根據載荷位移曲線得到最大負荷，然后按照公式計算出其抗壓強度，取平均值。

選取濃度在63%～70%，灰砂比為1∶8的有效試塊進行壓力試驗，統計8組數據見表1。

表1 改造前試件的單軸抗壓強度

結合運行情況分析數據，可知:

(1)充填體早期強度低，7 d的平均強度為0.5 MPa，14 d平均強度為1 MPa，影響生產效率的提升。

(2)充填體28 d最終平均強度僅為1.9 MPa，且波動較大，達不到設計要求，不能滿足充填采礦的要求。

(3)尾砂和膠骨料混合不均勻致離析嚴重;采場脫水量大，1∶8的灰砂比脫水量接近1 t/h。

(4)成品料漿流動性能不好，曾經在濃度為69%時，出現過堵管的情況;充填料到采場后不是很平整，形成的充填體有緩坡。

充填強度達不到設計要求，自立性和抗爆破沖擊的能力不夠，給礦柱的回收造成很大困難，有可能造成貧化加劇和回收率嚴重降低，甚至引發安全事故，所以必須進行改善。分析離析現象和試塊狀況，認為攪拌時間不夠、攪拌速度不高致原料混合不均勻是主要矛盾。

3 改變攪拌方式

為了改善攪拌狀況，取消原有立式高濃度攪拌機，改設雙軸葉片臥式攪拌機和高效活化攪拌機組合攪拌，即改普通一次攪拌為高速活化二次攪拌。

3.1 二次攪拌工藝的改進

取消原有立式高濃度攪拌機，采用了臥式雙軸攪拌槽加高速活化攪拌機的二次攪拌工藝，2個設備配套使用。高濃度尾砂從砂倉經內徑108 mm耐磨管進入雙軸攪拌桶，尾砂和膠骨料初步混合后直接進入高速活化攪拌機進行混勻，生成成品漿。具體流程見圖1。

圖1 二次攪拌工藝

雙軸攪拌和高效活化攪拌機是引進國外的先進技術，是為礦山高濃度細骨料充填系統研究的一套專用設備其外形見圖2。

設備主要參數見表2。

表2 設備參數

圖2 攪拌配套設備

3.2 二次攪拌的效果評價

攪拌方式改變之后，在與原來充填和取樣條件近似的情況下，選取濃度在63%～70%，灰砂比為1∶8的有效試塊，統計8組數據見表3。

表3 改造后試件的單軸抗壓強度

(1)由表3可知:7 d的平均強度為1.2 MPa，14 d的平均強度為1.8 MPa，充填體早期平均強度普遍有所提高，有利于充填生產效率的提升。

(2)28 d的強度比較均衡，平均為2.7 MPa，較整改之前提高了30%左右，達到設計要求。抗壓強度數據波動減緩，試塊數據連續性好，充填質量比較均衡，較整改之前有大幅度的改善，對于穩定充填體的質量，保持充填體的整體性，具有較高的實踐意義。

(3)離析的情況得到改善，詳見圖4。采場脫水率降低至0.6 t/h，料漿混合明顯均勻、流動性好，形似均值流體。充填到采場的充填料不需平場，表面光滑平整(見圖5)。

(4)雙軸葉片臥式攪拌機和高效活化攪拌機的配套使用，克服了傳統設備攪拌不連續、混合不均勻、能力小等缺點，保證充填料漿混合均勻，流動性好，提高充填體的強度，能降低充填膠凝材料的消耗量，減少采場脫水量，大大縮短充填作業循環周期。

圖4 整改后和整改前試件靜置5 min對比

圖5 井下現場充填體表面

4 結論

在充填原料沒有變化的情況下，二次活化高速攪拌明顯提升了充填料漿的質量。第一步雙軸攪拌機把物料基本混合均勻，在第二步的強力活化作用下，顆粒被分裂，水與固體顆粒的分離性減弱，不僅減小顆粒之間的黏著力，而且使水泥顆粒破裂，強化水泥的水化作用，提高早期強度，改善充填料的強度特性和流動性。物料在強力攪拌、活化攪拌等機械作用下，沖破了原物料各自的內聚力，料漿液化為溶膠體，保證了混合均勻，達到活化攪拌的目的。

綜上可知，二次活化攪拌對提高細粒級全尾砂膠結充填料早期和最終強度有相當的幫助，而且能有效地減少泌水，改善料漿的流動力學特性。

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