低溫陶瓷膠凝材料在大紅山深部充填采礦中的應用

胡 遠，周富成

(昆鋼大紅山鐵礦， 云南玉溪市 653405)

低溫陶瓷膠凝材料在大紅山深部充填采礦中的應用

胡 遠，周富成

(昆鋼大紅山鐵礦， 云南玉溪市 653405)

大紅山鐵礦深部Ⅰ號銅礦帶設計采用點柱式上向分層充填采礦法開采，充填材料為廢石或分級尾砂。為降低分級尾砂膠結充填的成本及充填料漿脫水困難的問題，用低溫陶瓷膠凝材料進行了尾砂膠結充填試驗，并與水泥膠結尾砂充填作了對比。試驗表明，在相同強度條件下，與水泥膠結充填相比，陶瓷膠凝材料尾砂充填可降低充填成本，并且可改善充填料漿的脫水效果。

上向分層充填采礦；分級尾砂膠結充填；低溫陶瓷膠凝材料；充填成本；脫水效果

1 大紅山鐵礦I號銅礦帶回采充填概況

大紅山鐵礦I號銅礦帶150萬t/a工程基建探礦后，礦體形態變得較為復雜，為適應礦體的變化，提高資源利用率，保證I號銅礦帶開采引起的巖石移動不影響上部露天開采的安全，經分析比較后，確定采用點柱式上向分層充填采礦法開采，階段高度100m，分段高度20m，分層高度4m，礦塊長度50m，礦塊寬度為礦體水平厚度(多層礦體時為多層礦體加夾石厚度)，礦塊高度按一個分段高度劃分，相鄰礦塊間留4m寬間柱，礦塊內按18m間距留6m ×6m點柱；采場溜井按300m間距設置，進回風上山按600m間距設置。

各分層回采結束后要及時充填，充填時先用廢石充填(有條件時)，再用分級尾砂充填，最后采用水泥尾砂漿進行充填，廢石＋尾砂充填的厚度和水泥尾砂漿充填厚度暫分別按3.4m和0.6m考慮，每一分層充填厚度4m(同分層高度)。對比類似礦山，充填料漿主要參數暫定如下:充填用尾砂分級時考慮將－19 μm粒徑尾砂含量控制在10%以下，充填用尾砂漿重量濃度為65%～70%，水泥尾砂漿重量濃度為68%～74%，膠結充填層灰砂比為1∶4。生產中充填料漿有關參數根據實際情況作適當調整。

對下中段還沒有回采，而上中段要先回采的情況，考慮在先回采中段最下一個分層全部用1∶4灰砂比的水泥尾砂漿充填，并在其底板用Φ16mm鋼筋鋪設200mm×200mm的鋼筋網，以利于下中段最上分段的回采。

2 大紅山鐵礦深部Ⅰ號銅礦帶回采充填現狀

大紅山鐵礦深部Ⅰ號銅礦帶首采400m和500m中段，大部分盤區一分層膠結充填已經結束，部分采空已進入二分層廢石＋全尾砂＋表層膠結充填。由于大紅山鐵礦選礦廠尾砂顆粒較細，致使尾砂用于充填后滲透性不強、脫水性較差，灰砂比為1∶4的膠結充填中形成的充填體抗壓強度較低，無法滿足采場采運要求。為此，現階段將初步設計中設定的0.6m膠結面層加厚至0.8～1.0m，PSA42.5水泥灰砂比控制在(1∶3)～(1∶3.5)左右。因而，導致水泥消耗量增大，膠結充填成本大幅度增加。

3 低溫陶瓷膠凝材料應用試驗

大紅山鐵礦在2011年下半年開展的“微細粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴大性工業試驗”中，驗證了低溫陶瓷膠凝材料在固化微細粒鐵尾礦方面有較好的效果，能夠滿足井下充填工藝要求，通過測算，低溫陶瓷膠凝材料應用于生產實際中，可有效改善充填效果并節約充填成本。但是，由于與“微細粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴大性工業試驗”相比，尾礦情況與充填環境都發生了變化。因而有必要針對目前的尾砂及井下充填進行進一步試驗，并確定合理的配合比及低摻量。

本次試驗選取4048，4050，4066，4060四個盤區作為本次工業試驗的試驗采場，4048，4050，4066三個盤區用作低溫陶瓷膠凝材料的試驗，4048采場進行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶6摻量膠結充填；4050采場進行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶8摻量膠結充填；4066采場進行1∶20低摻量膠結充填＋1∶6高摻量膠結充填。另外，4060采場用作PSA42.5水泥的試驗，進行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶4摻量膠結充填。

完成采場充填后，分別對不同時間段的充填料進行取樣，并對試塊進行抗壓強度測試，測試數據見表1。對脫水充填的含水率測試數據見表2。

表1 抗壓強度測試數據

4 效果分析

4.1 強 度

充填采場對膠結面層的充填體強度的要求為:3 d強度≥0.5 MPa，人可在充填體上行走、架設管道、鑿巖等不下陷；7 d強度≥1.5～2.0 MPa，裝載設備、裝礦車輛等重型設備可自由行走，不出現下陷及明顯路坑，不影響采場出礦。

就本次試驗中，灰砂比為1∶4的42.5水泥5d強度為0.76 MPa，10 d強度為1.77 MPa，28 d強度為1.70 MPa；灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料3 d強度為0.64 MPa，7 d強度為1.49 MPa，10 d強度為1.79 MPa，14 d強度為2.24 MPa。灰砂比為1∶4 的42.5水泥與灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料膠結充填的效果基本相同，低溫陶瓷膠凝材料的后期強度比水泥的要高。

4.2 脫水效果

以42.5水泥1∶4的充填效果作為對比，低溫陶瓷膠凝材料1∶6的摻量的固結效果與其不相上下。因此，結合42.5水泥之前在生產過程中的應用情況，若灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料在生產過程中使用，也能滿足充填工藝要求。

關于采場的脫水效果試驗，之前的充填未開展相關的對比試驗。4048采場便是第一個采用全尾砂進行充填的二分層充填采場，但由于純尾礦漿的脫水速度慢，該采場經過78 d的脫水后，在其上部仍不能自由走動，說明純尾礦漿的脫水速度極慢，也充分的說明了純尾砂鋪底的充填方案脫水難度大、周期長，不能滿足采場出礦的要求。另外，采用“廢石＋全尾砂充填＋膠結充填”的充填方案其上部的全尾砂充填的脫水時間仍然較長，若工期緊張也仍然無法滿足生產需求；并且，由于用于充填的廢石是生產掘進過程中的廢石，其產量難以滿足各個采場的充填要求，尾砂充填量仍然很大，若脫水難度大、周期長，則勢必會影響采礦生產。

采用低溫陶瓷膠凝材料進行低摻量的尾砂膠結充填，其脫水速度快、周期短，可在12 h內把水濾干，并能達到一定的強度，滿足下一道工序施工。

表2 含水率測試數據

4.3 經濟分析

本次試驗的目的是在滿足工業應用的前提下，盡可能的降低充填成本，為Ⅰ號銅礦帶的開發利用創造更好的效益。

4.3.1 面層充填的經濟分析

達到相同效果的前提下，處理1 t尾砂的單價比較:

42.5水泥:450元/t÷4＝112.5元/t；

低溫陶瓷膠凝材料:500元/t÷6＝83.3元/t。

按照目前深部Ⅰ號銅礦帶的產量進行計算，其年充填量為66萬m3，尾砂量126萬t。若進行除一分層以外且不含廢石充填，則:

面層充填量約為126萬t/a×(0.8m÷4m)＝25.2萬t/a；

采用42.5水泥進行灰砂比為1∶4的面層膠結充填，其水泥成本為:

450元/t×(25.2萬t/a÷4)＝2835萬元/a；

采用低溫陶瓷膠凝材料進行1∶6的面層膠結充填，其固化劑成本為:

500元/t×(25.2萬t/a÷6)＝2100萬元/a。

在取得相同充填效果的前提下，使用低溫陶瓷膠凝材料產生的費用將比采用42.5水泥產生的費用低。

4.3.2 底層充填的經濟分析

目前，二分層的底層充填采用的純尾砂充填或者是廢石＋全尾砂充填方案，均難以滿足采礦要求，充填采場的脫水效果勢必要進一步加強。在“微細粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴大性工業試驗”中，驗證了灰砂比為1∶30低溫陶瓷膠凝材料在處理尾砂濃度為40%左右的尾礦漿時，其脫水效果仍十分理想，今后用于充填采場的底層時，若能將尾礦漿濃縮至50%左右的濃度，添加灰砂比為1∶30的低溫陶瓷膠凝材料將可滿足采場的脫水要求。此部分采用的固化劑成本為:500元/t×(126萬t/a－25.2 萬t/a)÷30＝1680萬元/a；噸處理成本為:500元/t÷ 30＝16.7元/t。

4.3.3 充填尾礦固結成本分析

采用“底層低摻量全尾砂膠結充填＋面層高摻量分級尾砂膠結充填”的方案，可基本滿足深部Ⅰ號銅礦帶的充填及采礦要求，并可有效解決脫水效果差、尾砂利用率不高、尾礦庫堆壩壓力大等問題。

充填尾礦的綜合固結成本:2100萬元/a＋1680萬元/a＝3780萬元/a；

噸尾礦綜合固結成本:3780萬元/a÷126萬t/a ＝30元/t；

換算成方量的單位成本:3780萬元/a÷66萬m3/a＝57.3元/m3。

5 結 語

(1)本次工業試驗的目的是:驗證灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料是否能取得灰砂比為1∶4的42.5水泥的充填效果。試驗結果表明，兩者的充填體抗壓強度基本相同。

(2)將低溫陶瓷膠凝材料用作充填料，在與42.5水泥同等效果的前提下，其產生的費用將比42. 5水泥的低，能取得較好的經濟效益。

(3)針對低溫陶瓷膠凝材料良好的脫水效果，需要進一步驗證其在尾砂粒度分布、尾礦漿濃度等因素發生變化后的實際使用情況，若能夠進行低膠凝劑摻量的低濃度全尾砂膠結充填，則將對充填制備站造漿、尾礦庫堆壩等帶來巨大影響。

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2014-02-17)

胡 遠(1986－)，男，注冊安全工程師，采礦助理工程師，主要從事礦山采礦技術生產管理，Email:303322491 ＠qq.com。