銅綠山礦新型膠結(jié)充填材料工業(yè)化試驗研究

周科禮，霍曉鋒，茍永剛，熊國雄，史秀志，徐 喜，尹東升

(1.大冶有色銅綠山礦， 湖北 大冶市 435100；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

0 引 言

水泥尾砂膠結(jié)充填技術(shù)作為空區(qū)處理的有效措施，能夠緩解采場應(yīng)力集中現(xiàn)象，為礦山安全生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)[1]，然而，隨著地下礦山采礦強(qiáng)度不斷提高，井下采場回采時間相應(yīng)縮短，導(dǎo)致水泥膠結(jié)充填技術(shù)與高強(qiáng)度生產(chǎn)之間的矛盾越來越突出，主要表現(xiàn)在水泥尾砂膠結(jié)充填技術(shù)中充填體強(qiáng)度達(dá)不到生產(chǎn)技術(shù)要求、充填生產(chǎn)過程中跑漿嚴(yán)重、充填體保養(yǎng)時間長、滿足不了生產(chǎn)進(jìn)度要求等問題[2-3]，此外，選礦技術(shù)的提高導(dǎo)致尾砂粒徑變細(xì)，水泥膠結(jié)充填體的質(zhì)量更加難以得到保證[3]。因此，需探索新型的充填技術(shù)以滿足生產(chǎn)需求。水泥尾砂膠結(jié)充填技術(shù)存在的最主要問題是充填體強(qiáng)度低、凝固時間久，難以滿足生產(chǎn)需要，而膠凝材料是改善這些問題的重要因素[4-6]，因此有必要尋找性能更優(yōu)的新型膠凝材料，并對其進(jìn)行工業(yè)化試驗研究。

本文對銅綠山礦現(xiàn)有充填工藝進(jìn)行調(diào)查分析，研究了新型尾砂膠結(jié)材料的基本性質(zhì)，開展了新型尾砂膠結(jié)材料不同強(qiáng)度的試驗研究，評估了新型尾砂膠結(jié)材料技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，取得了階段性研究成果，目前，我國大多數(shù)金屬礦山開采強(qiáng)度均有逐漸增加的趨勢，該技術(shù)對于解決充填技術(shù)與現(xiàn)實需求之間的矛盾具有很大的應(yīng)用空間和價值[6]。

1 充填系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

為滿足礦山井下空區(qū)充填需要，銅綠山礦在露天堆礦場旁邊建有充填站1座，充填站建有2套充填系統(tǒng)，1套為膏體充填系統(tǒng)，1套為膠結(jié)充填系統(tǒng)。膏體充填系統(tǒng)因為成本太高等原因現(xiàn)已拆除。膠結(jié)充填系統(tǒng)配有800 m3尾砂倉和200 t水泥倉各2座，攪拌桶2座。為滿足銅綠山礦Ⅺ號礦體擴(kuò)產(chǎn)需求，在膏體充填系統(tǒng)原址，新建尾砂倉2座。尾砂由選廠經(jīng)渣漿泵輸送至尾砂倉，水泥則由公司金岳水泥廠和黃石成美建材有限公司提供，充填系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 銅綠山礦充填系統(tǒng)工藝流程

目前銅綠山水泥尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)主要存在以下幾方面問題：

(1) 井下充填體強(qiáng)度低；

(2) 充填循環(huán)作業(yè)時間較長；

(3) 充填堵管事故較多；

(4) 選廠尾砂不能滿足井下充填的需要；

(5) 充填生產(chǎn)過程中跑漿嚴(yán)重；

(6) 預(yù)留保安礦柱回采，礦石損失增大；

(7) 充填成本壓力大，導(dǎo)致水泥實際單耗低于設(shè)計單耗。

其中，最主要的問題是充填體強(qiáng)度低，滿足不了生產(chǎn)需要，充填成本壓力大，實際水泥用量少于設(shè)計要求，導(dǎo)致二步驟安全回采礦柱采場難度加大[7]。為了保證二步驟回采的安全性，只有在采場兩側(cè)各留設(shè)2 m厚的護(hù)壁礦柱，大幅增大礦石損失率，造成有限資源的浪費，礦山采礦成本升高，影響礦山經(jīng)濟(jì)效益，而造成充填體強(qiáng)度低的主要原因是膠凝材料質(zhì)量及材料的用量[6]。

因此，充填體強(qiáng)度成為影響銅綠山礦采礦生產(chǎn)的重要因素，而膠凝材料又是影響充填質(zhì)量的重要因素。

2 新型充填膠凝材料及試驗方案

2.1 新型充填膠凝材料

本次試驗采用鄂州華重充填工程材料有限公司的新型膠凝材料，其采用冶煉爐渣，摻加復(fù)合激發(fā)劑、石膏等，經(jīng)過再磨細(xì)、均勻混合而成，其中冶煉礦渣占比能夠達(dá)到80%。該材料中的復(fù)合激發(fā)劑可以將水淬礦渣化合物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)的膠凝能力，較水泥有更好的流動性、可泵性、早強(qiáng)性，且用量少、充填成本低[5,8]。

該材料外觀上呈灰白細(xì)粉末狀，其比重為2.8 g/cm3，表觀密度為1160 kg/m3，主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3，無毒、無害，環(huán)境友好[3]，如圖2所示。

圖2 新型尾砂固結(jié)劑

2.2 試驗方案

本次試驗選用鄂州華重充填膠結(jié)材料進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)充填試驗，原則為在銅綠山礦正常生產(chǎn)條件下，以相同的充填成本分別對新型充填膠固料和水泥進(jìn)行全膠結(jié)充填現(xiàn)場試驗，在采場充填體試樣到期后測定其強(qiáng)度，最后對兩者的各期試樣強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。

(1) 現(xiàn)場充填試驗配比。充填試驗料漿濃度設(shè)定為68%。水泥價格為270元/t，下料量為10 t/h，新型膠凝材料價格為450元/t[9]，以相同成本進(jìn)行推算，得新型膠結(jié)充填材料下料量為6 t/h。

(2) 現(xiàn)場準(zhǔn)備。充填前，對采場進(jìn)行堵口，現(xiàn)場用掘進(jìn)廢渣砌筑擋墻，用塑料雨布堵滲漏，防止跑漿，接入充填管道。充填試驗為全膠結(jié)充填，高度設(shè)計為2.5 m，試驗前測量采場形狀，標(biāo)識充填高度線。

(3) 儀器儀表的標(biāo)定。銅綠山礦充填系統(tǒng)配有計量儀表，用于計量顯示生產(chǎn)過程中的充填參數(shù)[10]。系統(tǒng)配有尾砂流量計、水量流量計、水泥沖量流量計各2個。本次試驗前，銅綠山礦更換了尾砂流量計。礦山對有關(guān)儀表進(jìn)行了標(biāo)定，其計量誤差均在合理范圍，且對純尾砂漿進(jìn)行了抽檢。結(jié)果表明，誤差較小。

(4) 測試方案及內(nèi)容。本次試驗測試重點是2種充填材料的漿液濃度(68%)和砂漿充填體強(qiáng)度(3， 7， 28 d)。為確保試驗結(jié)果可靠，在試驗過程中每15 min記錄充填材料的瞬時示值，每30 min測定料漿的濃度。充填結(jié)束后，在井下采場取樣檢測充填體強(qiáng)度，首先通過隨機(jī)取樣的方法在采場充填體中布置6個3.0 m×1.0 m×0.5 m的試樣，在井下將其解體、保養(yǎng)，分別在3， 7， 28 d時取回試樣至測試所，并再次分解為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的小樣品以方便壓力機(jī)測試。

(5) 試驗設(shè)備。本次試驗配備了壓力機(jī)、試模、切割機(jī)、磨石機(jī)、濃度壺、養(yǎng)護(hù)箱等設(shè)備。強(qiáng)度測試設(shè)備采用100 kN壓力機(jī)，該機(jī)由黃石市技術(shù)監(jiān)督局計量測試所檢定。試樣加工采用切割機(jī)、磨石機(jī)，現(xiàn)場取樣采用便攜式切割機(jī)等工具，料漿濃度采用濃度壺測定。

3 現(xiàn)場試驗研究

3.1 水泥全尾砂膠結(jié)充填工業(yè)試驗及結(jié)果

普通水泥膠結(jié)充填試驗料漿濃度設(shè)定為68%，全尾砂膠結(jié)水泥下料量設(shè)計為10 t/h，充填過程通過計量儀表對充填料進(jìn)行實時記錄，水泥下料的平均值為9.8 t/h，波動范圍為9.1～10.3 t/h，充填料漿濃度平均值為63.7%，其波動范圍為60.9%～65.1%。本次測試中各期(3， 7， 28 d)的樣本為50個，充填結(jié)束后在井下定期取樣，對各期樣本進(jìn)行壓力機(jī)測試得到各個樣本的抗壓強(qiáng)度，并將其繪制為折線圖，如圖3所示。

通過表1可以看出，充填工藝工作較不穩(wěn)定，充填過程中充填下料不均衡，反映在水泥下料沖量板數(shù)據(jù)波動較大，料漿的濃度值變化較大。

由圖3中的水泥全膠結(jié)充填體強(qiáng)度折線以及表1可以看出，同期充填體強(qiáng)度值差異較大，波動范圍較大，其3， 7， 28 d抗壓強(qiáng)度波動值達(dá)一倍以上。考慮到井下充填體接近實際情況，滿足生產(chǎn)實際需要，井下取樣數(shù)量多，代表性好，因此選定井下充填體的強(qiáng)度作為本次試驗比較的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 水泥全膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度

類別料漿濃度/%均值波動值抗壓強(qiáng)度/MPa3 d均值波動值7 d均值波動值28 d均值波動值水泥63.760.9～65.10.280.15～0.390.370.23～0.610.950.47～1.61

3.2 新型充填材料充填工業(yè)試驗及結(jié)果

本次試驗充填尾砂材料采用華重新型尾砂膠固料，料漿濃度設(shè)定為68%，全膠結(jié)新型尾砂膠結(jié)劑設(shè)計下料量為6 t/h，充填過程通過計量儀表對充填料進(jìn)行實時記錄，華重新型充填材料下料的平均值為8.2 t/h，其波動范圍為6.9～9.2 t/h，充填料漿濃度平均值為65.2%，其波動范圍為55.7%～70.9%。本次測試中各期(3， 7， 28 d)的樣本為50個，充填結(jié)束后在井下定期取樣，對各期樣本進(jìn)行壓力機(jī)測試得到各個樣本的抗壓強(qiáng)度，并將其繪制為折線圖，如圖4所示。

對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，如表2所示。

通過表2可以看出，料漿濃度為65.2%，小于設(shè)計濃度68%，波動值為55.7%～70.9%。

由圖4中的華重尾砂膠固料充填體強(qiáng)度折線以及表2可以看出，充填體強(qiáng)度值較高，但差異也較大。新型材料全膠結(jié)充填式樣的3， 7， 28 d抗壓強(qiáng)度都在1 MPa以上，且早期強(qiáng)度高，3 d強(qiáng)度就達(dá)1 MPa，7 d強(qiáng)度則與3 d強(qiáng)度相差較小，表明充填體在3 d時已凝固，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)2 MPa，其最高強(qiáng)度幾乎接近4 MPa。

圖4 華重尾砂膠固料充填體抗壓強(qiáng)度

類別料漿濃度/%均值波動值抗壓強(qiáng)度/MPa3 d均值波動值7 d均值波動值28 d均值波動值華重膠固料65.255.7～70.91.020.54～1.651.120.68～1.861.950.99～3.53

4 充填試驗結(jié)果分析及現(xiàn)場評價

本次工業(yè)充填試驗共分別測試了普通充填材料和華重新型尾砂膠固料。為了更詳細(xì)分析新型尾砂膠固料充填效果，本研究將水泥充填測試數(shù)據(jù)與華重新型尾砂膠固料數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行比較。井下充填最終產(chǎn)品是井下充填體，且反映充填體質(zhì)量最重要的指標(biāo)是充填體的抗壓強(qiáng)度，本次試驗研究數(shù)據(jù)均取自井下現(xiàn)場充填體試樣，且數(shù)量多，能夠客觀地反映出充填體的質(zhì)量狀況。

從圖5、表3可以看出，華重尾砂膠固料充填體強(qiáng)度明顯比水泥充填體抗壓強(qiáng)度高，同齡期充填體強(qiáng)度至少高出100%以上;前者早期抗壓強(qiáng)度(3， 7 d)是后者同齡期充填體強(qiáng)度的3～4倍，同齡期充填體強(qiáng)度至少高出200%以上。在目前試驗配比的條件下，應(yīng)用華重新型尾砂膠結(jié)充填材料充填礦柱，其充填體28 d抗壓強(qiáng)度大于1 MPa，能夠滿足銅綠山礦井下采場充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 全膠結(jié)充填體井下抗壓強(qiáng)度值

名稱料漿濃度/%抗壓強(qiáng)度/MPa3 d7 d28 d普通水泥63.70.280.370.95華重膠固料65.21.021.121.95

本次華重材料全膠結(jié)充填工業(yè)試驗設(shè)計配比料漿濃度為68%，灰砂比為1∶10，實際充填料漿濃度平均值為65.2%，充填材料下料量平均值為8.2 t/h。按照銅綠山礦充填能力50 m3/h進(jìn)行推算，得出實際充填灰砂比為1∶9.2，濃度低于設(shè)計要求，灰砂比高于設(shè)計要求。如果充填體抗壓強(qiáng)度以1 MPa為考核目標(biāo)，應(yīng)用新型膠結(jié)材料時，需將充填料漿濃度提高至66%～70%，相應(yīng)地能夠減少充填灰砂比至1∶12～1∶15，進(jìn)而減少充填膠凝材料用量，降低充填成本。

5 結(jié) 論

通過對普通水泥充填料和新型尾砂膠固料的全膠結(jié)充填工業(yè)試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在相同成本條件下，華重新型尾砂膠固料膠結(jié)充填體相比原有水泥膠結(jié)充填體在強(qiáng)度、性能等方面均有較大優(yōu)勢。在采用華重新型尾砂膠固料充填井下采場的工業(yè)試驗中，28 d充填體試樣強(qiáng)度普遍大于1 MPa，相比水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度提高至少40%，能夠滿足銅綠山礦井下采場充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 采用華重新型膠結(jié)充填材料時，充填體具有早強(qiáng)性能，凝固時間縮短，由7 d降至3 d，充填體早期強(qiáng)度明顯比現(xiàn)用水泥好。

(3) 采用華重新型膠結(jié)充填材料進(jìn)行全膠結(jié)充填時，合理料漿濃度為66%～70%，充填灰砂比為1∶12～1∶15，減少了充填膠凝材料用量，降低了充填成本。