某采場非膠結充填實驗研究

寶力格，張建忠

（1.內蒙古黃崗礦業有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065）

黃崗礦區呈北東向展布，含礦帶長19km，寬0.2km～2.5km，劃分成七個區（Ⅰ～Ⅶ）。其中Ⅰ礦區鐵礦走向長度2km，平均寬約150m。設計年產量180萬t/a,采用中深孔分段鑿巖階段出礦嗣后充填法進行開采。一步驟回采礦塊（礦房）和二步驟回采礦塊（礦柱）間隔布置，先回采一步驟回采礦塊（礦房），礦房回采結束后即進行膠結充填、養護，然后再回采二步驟回采礦塊（礦柱），二步驟回采礦塊（礦柱）回采后的采空區采用分級尾砂非膠結充填[1]。

1 回采工藝

中深孔鑿巖在分段鑿巖巷道中進行。采用YGZ90型導軌式鑿巖機配CTC14型鑿巖臺車，鉆鑿上向扇形孔中深孔，炮孔直徑Ф55mm，鑿巖炮孔排距（最小抵抗線）1.2m～1.5m，孔底距2m左右。鉆機效率30m/臺班。中深孔爆破炮孔每米崩礦量為8 t/m左右。

炸藥采用乳化卷狀炸藥，起爆器配非電導爆管雷管起爆系統爆破。以切割天井為自由面形成切割槽，再以切割槽為自由面側向崩礦[2]。回采落礦各分段崩礦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。回采爆破炸藥單耗為0.40 kg/t左右。

采場出礦采用ACY-2、ACY-3或WG-2型柴油鏟運機。每臺鏟運機負擔兩個礦塊的出礦工作，從出礦進路裝礦運輸至采區溜礦井缷礦。控制采場放礦塊度為下于800mm，不合格大塊在裝礦進路中進行二次爆破處理。

采區溜礦井下部采用XZGZ1843振動給礦機放礦，將礦石裝入4m3側卸式礦車。

2 采場充填

目前礦山一步驟采場采用高配比全尾砂膠結充填，不同高度采用不同配比灰砂比的充填料漿，其具體分布為：下部5m采用灰砂比1：4的充填料漿，中下部14m采用灰砂比1：8的充填料漿，中部5m采用灰砂比1：6的充填料漿，中上部24m采用灰砂比1：8的充填料漿，上部2m采用灰砂比1：4的充填料漿；二步驟采場采用低配比全尾砂膠結充填，其具體分布為：下部6m采用灰砂比1：4的充填料漿，中部及上部44m采用灰砂比1：15～1：18的充填料漿。

采場礦石出完后，采用管內徑為100mm的硬質波紋脫水管從采場頂部貫穿整個采場，然后從采場下盤的底部巷道內拉出。脫水管安裝結束后，對采場的各個透口進行密閉工作，密閉墻采用鋼筋混凝土結構。

密閉墻施工完后開始采場充填工作，充填管經上部中段運輸巷進入采場下盤，開始采場充填，過密閉墻時，嚴格控制面料上升高度，每次充填高度控制在0.8m～1.0m，過充填擋墻后，每次充填高度控制在2m～5m，直至采場充滿。

3 存在問題分析

（1）礦山現有充填系統實際運行過程中只使用了一套系統，即只用了2個砂倉，一個水泥倉，一套攪拌系統和充填鉆孔。實際運行過程中，一個砂倉進砂時，粗砂沉降進入倉底，而倉頂溢流的的細顆粒進入隔壁另外一個砂倉進行存儲。砂倉進砂沉降滿倉后，即可進行連續充填（即同一砂倉上部進砂的同時，砂倉下部不間斷連續進行充填）。而只有當儲存細顆粒的砂倉存儲滿之后，才將細顆粒砂倉放入井下進行充填。目前的充填方式，不是真正意義上的全尾砂充填，而是經過自然分級之后的分級尾砂充填。進砂的砂倉沉降后的尾砂顆粒很粗，沉降快；而緩沖倉中的尾砂顆粒相對較細，沉降慢。

（2）現場取樣觀察發現，尾砂沉降后，砂倉放出來的尾砂經與水泥混合攪拌后的料漿迅速沉降，證明尾砂顆粒粗，粗砂充填時水泥與尾砂容易離析；而細顆粒溢流到緩沖倉中，細砂充填需要的水泥消耗量大。

4 充填試驗

（1）全尾砂粒度測定。為模擬二步驟分級尾砂充填情況，選取連續正常工作時在礦山尾礦庫排尾口對選鐵后的最終尾砂，為避免細和極細的泥尾流失，現場就近找平地鋪防滲彩條布對全尾砂進行蒸發晾曬，干燥后均勻堆積。全尾砂基本物理參數測定（比重、容重、休止角）、粒級組成測定（中值粒徑、不均勻系數）、全尾砂及全尾砂+水泥膠結沉降試驗測定。全尾砂物理參數測定主要有比重、松散容重、壓實容重、休止角，以及由比重和松散、密實容重得出的孔隙率。

表1 全尾砂物理性能指標測定結果

全尾砂的粒度組成對礦山充填的影響十分明顯，既與脫水工藝有關，更重要的與膠結充填體的膠結性能和膠結劑消耗量有關。主要參數有粒徑、顆粒均勻度系數。試驗采用Mastersizer3000型激光衍射粒度分析儀測定尾砂的粒級分布,測定的數據見表2。尾砂中-5μm、-10μm、-20μm的極細顆粒含量分別為4.05%、8.64%、15.87%，-200目(-75μm)為40.16%，尾砂粒級較粗。尾砂是由大小不同的顆粒所組成，可用不均勻系數a表征該物料粒級組成的均勻程度，計算公式如下：

d10、d60、d90分別是累計含量為10%、60%、90%顆粒能夠通過的篩孔直徑，其值可從粒級組成曲線上查得，a值越大表示粒級組成越不均勻，一般a1=3，或a2=5時，充填尾砂的密實程度比較好。對于較粗的顆粒（如河砂）通常用a1來表征顆粒的均勻程度，而對于較細的顆粒（如尾砂），則通常用a2來表征顆粒的均勻程度。黃崗礦業公司全尾砂a2=9.91，可以認為顆粒級配不均，其所形成的充填體密實程度和透水性都較好。

表2 全尾砂粒級組成

（2）全尾砂沉降性試驗

滲透系數k是綜合反映充填體滲透能力的一個指標，全尾砂滲透性能的好壞，表征水從充填材料固體顆粒間孔隙中流過的能力，它決定著充填體的脫水速度、固結時間和強度值。影響充填體滲透系數大小的因素很多，主要取決于充填體材料顆粒的形狀、大小、不均勻系數和水的粘滯性等，試驗主要采用TST–55型滲透儀在變水頭條件下測定全尾砂的滲透系數的方法。通過實驗，求取平均值得到此次全尾砂試樣的滲透系數為13.343cm/h，表明水從充填料固體顆粒間孔隙中流過的能力較強。

圖1 全尾砂粒級分布曲線

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質具有較大影響，它決定著充填料漿的沉降特性。充填料漿一般在最初階段常常處于飽和狀態，在脫水的過程中，由于毛細壓力和固體顆粒自重的作用，充填料漿體積減小，自然壓密，此過程就是充填料漿的自然沉降過程。礦山全尾砂充填一般采用礦山選礦廠經濃密后重量濃度45%的底流，為實現全尾砂高濃度膠結充填，需要對全尾砂進行濃縮沉降。全尾砂沉降依次包括三種狀態特征：全尾砂分級，粗重顆粒快速下沉，較細顆粒緩慢下移，更細的顆粒則懸浮于上部；粗粒沉降，粗顆粒沉降壓縮到相互緊密接觸的狀態；細粒沉降，懸于上部的細顆粒沉降壓縮到顆粒緊密壓縮的狀態，達到最大沉降濃度。其沉降速度取決于尾砂的密度和細度，密度越小，粒度越細，最大沉降濃度越低。因此最大沉降濃度將直接影響充填工藝和充填能力。

試驗進行了全尾砂9組及全尾砂+水泥12組充填料漿沉降特性試驗，試驗采用1000ml的量筒來進行，全尾砂沉降試驗分別以質量濃度為20%、30%、40%、50%、60%、65%、70%、75%、80%的料漿配料；全尾砂+水泥沉降試驗分別以質量濃度為60%、65%、70%、75%的料漿配料，水泥比尾砂（灰砂比）分別為1:4、1:8、1:10。每組試驗重復三次，對比試驗結果，求取平均值。

5 結語

（1）通過對黃崗礦業公司Ⅰ礦區充填材料的試驗研究，我們得出了尾砂的平均粒徑為182μm，尾砂粒級屬較粗級，尾砂的滲透性及沉降性都較好，二步驟充填可以采用全尾砂非膠結充填。

（2）二步驟采場充填體所需要的強度，比第一步驟采場充填體的強度低，灰砂比可以比較小，可采用低強度的膠結充填體或非膠結充填體，將二步驟采場空區充滿即可。而采場實際充填時，還需要考慮尾砂性質、采場工程和采礦工藝的要求，不同條件下采場不同高度采用不同配比強度充填體。

根據充填材料試驗及礦山充填系統運行現狀，當礦山采用選廠進料后沉降后的粗尾砂充填時，其Ⅰ礦區二步驟采場可以采用全尾砂進行非膠結充填。