泡沫砂漿新材料充填技術工藝研究及應用

田志剛，向 軍

(凡口鉛鋅礦， 廣東韶關市 512325)

采用傳統的膠結充填采礦法的地下開采礦山，普遍存在著充填成本過高、充填接頂效果差、充填料漿濃度低、脫水困難、易灰砂分離、強度上升慢且分布不均勻等問題。尋求一種低成本、具有良好充填流體特性的新材料，成為創新和發展傳統充填技術的關鍵。2009年3月，凡口鉛鋅礦與廣州大學合作，對高性能泡沫砂漿這種新材料應用于礦山充填進行了研究和試驗。試驗分3個階段，分別為室內試驗、工業試驗、工業擴大化生產試驗。2010年2月，該試驗取得了圓滿成功。通過試驗，研究了高性能泡沫砂漿的各種充填特性，建立了一套泡沫砂漿的充填工藝系統。

1 高性能泡沫砂漿充填技術簡介

高性能泡沫砂漿充填技術是一種用膠凝材料(主要指水泥)、骨料(主要指分級尾砂、全尾砂、棒磨砂、河沙等)、水、預先制備的高性能細密泡沫群，按照一定的比例均勻混合，并經物理化學反應最終凝固硬化成一種輕質膠凝充填體的工業實用技術。

高性能泡沫砂漿充填技術具有以下特點:

(1)高性能泡沫砂漿輕質、流動性好、流動穩定、管道摩擦小;

(2)高性能泡沫砂漿結實率高(達到95%以上)，有利于提高充填效率，同時解決了充填采場脫水難的問題;

(3)高性能泡沫砂漿水灰比低，有利于提高充填體的強度，同時避免了普通砂漿分層離析的現象，提高了充填體整體質量;

(4)高性能泡沫砂漿結實率高，接頂充分，提高采礦的安全性，同時可預防大面積的地質災害;

(5)高性能泡沫砂漿具有膏體充填的濃度，但不需要泵送系統輸送，不但簡化了充填工藝，還達到節能的效果;

(6)通過混合高性能細密氣泡群，形成輕質混凝土，有利于減少水泥、骨料的使用量，具有較好的經濟、社會效益。

2 泡沫砂漿充填體特性研究

通過室內試驗研究了泡沫砂漿充填體特性，研究內容包括泡沫砂漿的抗壓強度、流動性、質量濃度、灰砂比、骨料的選取及結實率。

2.1 抗壓強度試驗

礦山對于膠結充填體的抗壓強度各有不同的要求。凡口鉛鋅礦對礦房充填體的抗壓強度要求為R7≥1.5 MPa、R28≥3.0 MPa，泡沫砂漿的質量濃度、灰砂比、骨料主要圍繞這一要求通過室內配比試驗進行選取。凡口鉛鋅礦的礦房充填骨料主要有分級尾砂(粒徑+19 μm含量80%以上)、03尾砂(全尾砂分級后的細粒尾砂，粒徑80%以上－19 μm)、混合砂(分級尾砂與03尾砂按2∶1質量比混合)、棒磨砂(粒徑－3 mm)。對分級尾砂、03尾砂、混合砂、棒磨砂分別進行了添加泡沫和不添加泡沫的配比試驗。

試驗結果表明，03尾砂和混合砂因細粒級骨料含量多，砂漿質量濃度無法提高，灰砂比≤1∶3的泡沫砂漿抗壓強度基本上滿足不了凡口鉛鋅礦的礦房充填體強度要求，若采用高灰砂比，該充填技術的經濟性下降。分級尾砂泡沫砂漿在灰砂比≥1∶4，質量濃度≥74%，泡沫含量≤20%的情況下，基本上可以滿足凡口鉛鋅礦礦房充填體強度要求，部分試驗結果見表1。棒磨砂砂漿因其質量濃度可以很高，其抗壓強度值可輕易滿足凡口礦的礦房充填體強度要求，試驗結果見表2。

2.2 流動性試驗

表1 分級尾砂泡沫砂漿強度試驗結果

表2 棒磨砂泡沫砂漿強度試驗結果

通過流值的測試來評價泡沫砂漿的管道輸送性能。這項實驗獲得1341項數據，測試了不同灰砂比、不同濃度、不同氣泡率及不同砂類的流動性變化規律。且灰砂比為1∶4，不同濃度、不同氣泡率條件下分級尾砂充填料漿的流值測定結果見表3。

表3 灰砂比為1∶4的分級尾砂流值/單位:mm

試驗數據表明，濃度越高，流值越低;氣泡率越高，流值越低;用砂的粒級越細，流值越低。當分級尾砂漿濃度小于78%，充填倍線小于6倍，高性能泡沫砂漿能滿足充填自流輸送的要求。

2.3 結實率試驗

結實率試驗的主要目的是考察泡沫砂漿在應用于充填接頂時的效果以及進行水泥消耗的經濟評價。

表4 室內結實率試驗成果

表4的試驗結果表明，在灰砂比和質量濃度相同的情況下，20%氣泡率泡沫砂漿的結實率較普通砂漿結實率高10% ～20%，當質量濃度大于75%時，泡沫砂漿結實率普遍在95%以上。

2.4 礦房膠結充填的參數

通過室內實驗，在骨料選取上，03尾砂和混合砂砂漿因抗壓強度值不合要求，不宜選用。棒磨砂因骨料生產成本高，在凡口鉛鋅礦僅用于膠面、首層、假巷等高標號充填，且大量使用棒磨砂不利于綜合回收利用尾砂，因此不選取棒磨砂作為礦房充填骨料，選用分級尾砂做泡沫砂漿應用于礦房充填的骨料。

確定了分級尾砂作為砂漿骨料后，按照泡沫體積含有率為20% ～30%，質量濃度≥74%，灰砂比為(1∶3.5)～(1∶4)的技術參數進行工業充填試驗。

3 泡沫砂漿充填設備及工藝

3.1 發泡混合裝置

發泡混合裝置為新開發的專用設備，該設備采用進口伺服電機，實現了發泡系統氣、液路電動針閥開度及氣、液路流量的自動控制與調節，從而實現了氣泡質量和流量的自動化控制，可根據充填料漿的流量實時調整泡沫流量，確保高性能泡沫砂漿氣泡含有率的準確;同時該設備配備混合裝置，能將泡沫與砂漿充分混合均勻。發泡混合裝置的功能及其組成見圖1。

圖1 發泡混合裝置的功能及組成

3.2 砂漿制備系統

砂漿制備系統選在凡口鉛鋅礦的攪拌樓轉產充填系統。該系統自動化程度高，具有如下特點:

(1)分級尾砂供料通過帶PID自動調節的電子稱重皮帶秤進行自動控制與調節;

(2)水泥供料通過水泥螺旋給料機進行自動控制與調節;

(3)砂漿用水通過水流量計進行精確控制。

通過對砂、水泥、水的精確供料，實現了尾砂砂漿灰砂比、濃度及流量的穩定控制。

高性能泡沫砂漿充填工藝流程如圖2所示。

4 工業充填試驗

泡沫砂漿在凡口鉛鋅礦的現場工業充填試驗按照時間分為2個階段。第1階段為2009年6月～2009年9月，計劃充填量為3000 m3，實際充填量為3100 m3。本試驗階段因充填系統的供料未實現自動化，砂漿濃度僅能達到72% ～73%;合作研發的發泡設備工況較差，泡沫的穩定性較差，且發泡混合裝置未能實現氣泡流量的實時自動控制，造成泡沫砂漿的質量較差且不穩定，在充填過程中泡沫砂漿的輸送不穩定，流量不穩定，采場現場漂浮較多泡沫，即泡沫變大或消泡現象嚴重。此階段采用的灰砂比為(1∶4.5)～(1∶5)，采場充填體7 d抗壓強度平均約為0.7 MPa，28 d抗壓強度平均約為1.1 MPa，不能滿足凡口礦礦房采場充填強度質量標準。

圖2 高性能泡沫砂漿充填工藝流程

第一階段充填試驗結束后，經過認真分析、總結，該技術工藝的應用主要存在以下問題:

(1)要生產出更加細密穩定高質量的氣泡，防止混合及輸送過程中消泡，因此必須改良發泡劑的配方，增加其中的穩泡成分;

(2)由于水對高性能泡沫砂漿的質量影響很大，必須先制備高濃度的水泥砂漿，才能制備出高質量的高性能泡沫砂漿，因此必須對制備站計量系統及自動控制系統進行改造;

(3)對發泡混合設備的電控系統進行改造，根據砂漿流量的變化對細密泡沫的流量進行實時自動控制，確保泡沫含有率的準確。

經過設備、工藝的改造及發泡劑配方改良，第2階段工業試驗于2009年11月開始，2010年2月結束，計劃充填量為5000 m3，實際充填量為6700 m3。本試驗階段實現了分級尾砂、水泥、水、泡沫的供給量的實時精確控制，砂漿濃度能穩定在75%以上，灰砂比為(1∶3.5)～(1∶4)，采場充填體7 d抗壓強度平均約為1.4 MPa，28 d抗壓強度平均約為2.5 MPa，基本能滿足凡口礦的礦房充填體強度要求。充填效果良好，充填輸送流量穩定，充填管口出料聲音小，管口擺動很小，采場泡沫砂漿濕密度和地表泡沫砂漿濕密度基本一致，基本上沒有消泡現象，泡沫砂漿的體積濃度達到了膏體充填料漿的濃度狀況，沒有氣泡分離上浮現象。

按充填類型分別進行了礦房膠結充填和底柱接頂充填，在進行接頂充填時，效果良好，接頂率達到95%以上，高性能泡沫砂漿結實后收縮極小。

工業充填試驗第二階段主要采場泡沫砂漿充填的有關技術數據見表5。

表5 采場泡沫砂漿充填的技術數據

5 高性能泡沫砂漿充填適用條件研究

通過泡沫砂漿室內配比試驗和采場工業充填試驗，可以得知，要達到比較理想的充填效果，滿足礦山井下采礦的充填體強度和接頂率要求，使用泡沫砂漿進行充填時，在技術標準上需滿足以下幾個條件。

(1)泡沫砂漿質量濃度盡可能達到74%以上。高濃度泡沫砂漿與低濃度泡沫砂漿相比，充填體強度會顯著提高;泡沫在高濃度砂漿中混合得更均勻，更不易逸出，不會產生刨沫上浮和消泡現象;高濃度充填，充填過程更穩定，充填管口不會較幅度擺動。

(2)當泡沫砂漿質量濃度≥74%，灰砂比≥1∶4時，泡沫含有率需控制在20% ～30%之間。

(3)泡沫砂漿盡量做到滿管充填。在非滿管充填時，會有大量空氣進入充填管，在充填管內泡沫砂漿產生二次發泡，增大砂漿泡沫含有率，降低充填體強度。

(4)采場充填前的試管水和充填結束后的洗管水不能直接排在采場內存積，必須在充填管上連接三通，將水排到脫水井里，否則將有可能造成泡沫上浮和消泡現象，影響泡沫砂漿充填效果。

(5)在冬季低溫條件下充填時，由于發泡劑是一種混合物、會結晶離析，影響發泡質量，需將發泡設備放入一恒溫房內，溫度控制在20℃以上。

6 泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝、技術經濟比較

泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝比較見表6。

表6 泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝比較

從目前技術上講，在膠結充填中，泡沫砂漿比較適合礦房充填，故經濟比較以礦房充填參數進行比較。

假定機械、能耗和人工成本相等，以主要材料的采購成本作為主要比較指標，而主要材料的采購價按以下標準計算:水泥單價0.41元/kg;發泡劑單價40元/kg;分級尾砂單價15元/t。在強度基本相等的前提下，兩種充填體的經濟比較見表7。

由表7可知，采用泡沫砂漿充填，單位成本可節約大約17.71元。

表7 泡沫砂漿與普通砂漿充填的經濟性比較

7 結論

(1)在凡口鉛鋅礦，泡沫砂漿充填目前只應用在礦房充填和接頂充填。在礦房充填中，泡沫砂漿用于VCR大爆破空場的充填優點更為明顯。眾所周知，大爆破空場因為充填排水條件惡劣，充填料長時間浸泡在水中，極大地影響了充填體的強度。而泡沫砂漿充填過程中沒有明水排出，只有少量砂漿滲出水，有利于水泥的水化作用，充填體的強度能得到較快增長。在礦房底柱接頂充填中，因泡沫砂漿的接頂率高，在回采間柱底柱時，頂板充填體就不會連成一片，減少了頂板充填體大面積冒落的可能性，極大地提高了間柱底柱回采時的安全性。

(2)對充填體強度要求較低的間柱采場，泡沫砂漿也可大量應用。這樣可以減小充填過程中水患影響，也可大大減少充填骨料的使用量。特別是在礦山生產后期，隨著掘進廢石的急劇減少，礦山充填骨料會大量短缺，泡沫砂漿充填減少充填骨料的優點將更加明顯。凡口鉛鋅礦下一步將對另外一個充填系統進行設備改造，以便建立一個用于間柱開采的泡沫砂漿充填系統。

(3)高性能泡沫砂漿充填系統相當于一個簡化的膏體泵送充填系統，因其高質量、低能耗、低成本、高安全性，將會在礦山充填中得到推廣應用。

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