金屬礦山充填技術的相關研究

周光信

（新疆喀拉通克礦業有限責任公司，新疆 富蘊 836107）

為充分發揮金屬礦山充填技術所具有的優勢，首先需要全面掌握充填體的力學特性，并對采場進行全方面的力學性能測試，得到充填體力學性能參數，將其作為后續施工的重要依據。在降低外界各項因素的影響下，完成相應的施工作業，達到預期處理效果。

1 充填體與圍巖力學作用機理

國內外對金屬礦山充填體與周圍巖體之間的作用機理展開了豐富研究，例如以充填體支護作用為基礎，提出表面支護作用、總體支護作用以及局部支護作用理論；或者是從充填體與圍巖相互作用時間和空間尺度角度來對其力學作用機理進行了階段分析，即圍巖產生位移且與充填體接觸產生支撐作用，隨著圍巖位移程度的加深，充填體逐漸被擠密，支撐作用加強，可以阻止圍巖的持續位移，最后當圍巖離層被破壞后，充填體支撐作用持續作用，將會與圍巖組合形成全新的壓力拱。總結所有研究結果，可以對兩者力學作用機理進行簡單概括，即與圍巖相比，充填體密度低、剛度小且孔隙率大，具有轉移以及吸收應力的作用，同時可以達到隔離應力與共同支撐效果。對金屬礦山進行充填施工，主要目的就是利用其與圍巖之間的力學作用機理，在不改變應力分布的前提下，對圍巖的變形與位移進行限制[1]。同時還可以向圍巖提供支撐，避免暴露巖體的剝落，達到改善圍巖受力狀態的目的，使得巖體承載能力提高。另外，進行充填技術施工后，還能夠降低巖體能量的釋放速度，避免巖體受到外力影響損壞。

2 金屬礦山充填技術實施要點

2.1 金川鎳礦特征

金川鎳礦為世界著名多金屬共生大型硫化銅鎳礦床，在針對其進行充填技術選擇以及施工前，需要確認礦床特點以及現存問題，綜合各項條件作為分析依據。第一，高應力。第二，礦體厚。第三，巖體破碎[2]。

2.2 充填技術施工

充填材料主要包括集料、膠結劑、水以及各種添加劑，在前期需要科學設計填充料配比，且為提高作業安全性，下向進路充填采礦法要求3d、7d、28d充填體單軸抗壓強度應該達到1.5MPa、2.5MPa以及5.0MPa，確保正式施工時可以將填充料順利輸送到設計位置。

（1）充填集料。總結以往經驗可以確定，戈壁砂、3mm棒磨砂等均可以作為充填集料應用，并且兩者可以相互替代使用，對成本要求較低。在實際施工時還可以適量添加尾砂來對料漿的和易性與保水性進行調整，提高管道輸送效率。為避免添加量較多而降低集料強度，需要嚴格控制好尾砂添加量，控制在骨料總料的40%以內，并采取泵送的方式輸送。

（2）膠結劑。一般可選擇32.5級增強復合水泥作為充填凝膠材料，控制初凝時間在45min以上，終凝時間在10h以內。其中，3d與28d對應抗折強度應不小于2.5MPa與5.5MPa，抗壓強度則應不小于10.0MPa與32.5MPa。基于經濟性考慮，條件允許情況下可適量應用粉煤灰，來代替部分水泥，在不影響充填效果的前提下，降低成本投入。

（3）水。所選用水應符合相關標準規定，要求pH值與不溶物含量在允許值內，一般為工業用水或者是井下排至地面的礦坑水。

（4）添加劑。常用的為減水劑和早強劑，其中減水劑的作用是減少充填漿料的用水量，在不改變流動性與坍落度的情況下，使得充填料濃度更高，達到改善充填強度的效果。而早強劑的應用則可以縮短充填體凝結時間，使得早期強度提高，其而不會對后期強度產生影響。

2.3 管道輸送

為達到充填漿料的最佳管道輸送效果，需要保證各輸送參數的準確性，因此需要提前進行理論分析、實驗室實驗、環管試驗以及L型管道自流輸送試驗。建立流變力學模型，通過應用NXS-Ⅱ型旋轉黏度計、十字槳葉式測量頭以及德國RV-Ⅱ黏度計，對全尾砂膏體流變參數進行準確測定。并利用管式黏度計與兩點式工作度儀對粗骨料全尾砂膏體流變參數進行測定。然后建立砂漿泵水力輸送環管試驗系統，確定高濃度砂漿管輸特性。

在實際施工中，可對充填漿料輸送管道安裝流量計、濃度計、無紙記錄儀以及遠傳壓力表等裝備，完成不同配比高濃度以及膏體充填料漿的環管試驗，提高充填漿料管道輸送效果。

2.4 輸送管網

經過試驗后最終確定充填施工以3mm棒磨砂作為主體集料，利用高濃度料漿管道自流動完成輸送膠結充填。為避免在輸送過程中出現堵管問題，要嚴格控制好輸送速度，一般不得小于2m/s臨界速度。

并且，基于棒磨砂所具有的尖銳棱角、強磨蝕性特點，傳統充填施工中，需要對磨損嚴重的管道進行反復修復或者重新打孔，因此一般鉆孔網復雜度較高。為進一步提高金屬礦山充填施工綜合施工效果，必須要針對此類問題進行調整優化。

（1）充填鉆孔與井下管。生產初期井筒多采用φ152mm普通鋼管，在后期采礦作業中逐漸體現出材質差、管壁薄、同心度以及垂直度差問題。為延長其服務壽命，減少磨損漏漿問題的發生，最終確定以鉬鉻雙金屬耐磨管與剛玉耐磨管代替，可將填充量提升到1×106m3。

（2）充填鉆孔與水平管徑。充填鉆孔套管與水平管道均采用耐磨管，控制料漿流速大于臨界流速，并通過卡箍連接方式處理水平管道，選擇耐磨柔性接頭施工，同時為避免充填鉆孔底部彎頭被磨穿，將其埋入到高標號混凝土內，即便是被磨穿，也可以通過混凝土內的遠行通道繼續輸送漿料，不會影響充填效果。

3 結語

金屬礦進行充填技術施工，對提高采礦安全性與作業效率具有重要意義，面對較多的充填材料以及技術工藝，需要結合礦區實際條件來對比選擇，并針對存在的問題進行控制，保證每道工序實施的高效性，達到最佳充填效果。

[1]劉曉慧.三項大規模金屬礦山充填技術通過成果評價[N].中國礦業報,2016-06-02(001).

[2]張靜文.鐵礦礦山充填采礦用膠結充填料研究[D].北京科技大學,2015.