泡沫砂漿充填體的應(yīng)用價(jià)值研究

張耀平蘇曉萍譚 偉楊雙有郭維軍

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；3.金川集團(tuán)有限公司三礦區(qū)）

泡沫砂漿充填體的應(yīng)用價(jià)值研究

張耀平1，2蘇曉萍2譚 偉2楊雙有2郭維軍3

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；3.金川集團(tuán)有限公司三礦區(qū)）

充填采礦法在地下金屬礦床開采中有著舉足輕重的地位。為了將國外的先進(jìn)技術(shù)——泡沫混凝土技術(shù)成功引入充填采礦工藝中，并且在國內(nèi)推廣使用，首先選取地質(zhì)條件比較獨(dú)特的某公司三礦區(qū)F17以東采場進(jìn)行試驗(yàn)。通過對三礦區(qū)采一工區(qū)9條進(jìn)路分別在3、7、28 d進(jìn)行泡沫砂漿充填體強(qiáng)度的檢測，可以看出泡沫砂漿充填體的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到公司充填體強(qiáng)度的指標(biāo)。同時(shí)泡沫砂漿充填體相對普通的砂漿充填體而言具有輕質(zhì)性、易流動(dòng)性、均衡性、抗離析性、接頂率高等優(yōu)點(diǎn)，且所耗費(fèi)成本低廉，從而可以看出在公司三礦區(qū)F17以東采場中采用泡沫砂漿充填技術(shù)是經(jīng)濟(jì)可行的。

充填采礦法 泡沫砂漿充填 力學(xué)強(qiáng)度 經(jīng)濟(jì)可行

隨著金屬礦床地下開采深度的不斷增加，地壓顯現(xiàn)也愈加鮮明，例如巖體塑性變形、裂縫、巖層移動(dòng)、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場跨落等［1］。充填采礦法是地下金屬礦床開采中控制地壓較有效地方法之一?？梢岳贸涮铙w的強(qiáng)度來有效地控制采場地壓的顯現(xiàn)，支撐圍巖限制其發(fā)生大的變形破壞［2］。在開采深部貴重金屬時(shí)，為了降低礦石的損失率和貧化率，提高回采率，可利用充填體代替原來的礦柱。另外還適用于開采有自燃性的礦體和地表有建筑物構(gòu)筑物不允許陷落的礦體［3］。諸多國內(nèi)外進(jìn)行深部開采的金屬礦山已達(dá)成共識：充填采礦法是一種具有較高經(jīng)濟(jì)效益的采礦法，同時(shí)在建立“綠色礦山”方面也具有潛在的優(yōu)勢，因此人們越來越重視對充填采礦法充填工藝的改進(jìn)，泡沫砂漿充填體技術(shù)就是其中一種。

泡沫砂漿充填體是將混凝土、集料（包括細(xì)戈壁集料、細(xì)河砂、棒磨砂、粉煤灰、尾砂等）、水、發(fā)泡劑形成的泡沫以一定的比例和適量的外加劑進(jìn)行混合均勻攪拌，經(jīng)過一段時(shí)間的物理化學(xué)作用，待脫水干燥硬化后形成的含有一定比率空隙的，具有一定強(qiáng)度的充填新材料［4］。它是由泡沫輕質(zhì)土的原理演化而來的。泡沫輕質(zhì)土始于20世紀(jì)50年代的國外，在國內(nèi)由土木工程率先使用來進(jìn)行施工建設(shè)。人們根據(jù)它在土木工程中應(yīng)用的廣泛性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性，逐漸開始考慮是否能將其引用于深部貴重礦石的開采工藝。為了將泡沫砂漿充填體技術(shù)成功運(yùn)用于國內(nèi)礦山，依托某公司三礦區(qū)F17以東采場特殊的地理和經(jīng)濟(jì)條件，首次展開試驗(yàn)，進(jìn)行泡沫砂漿充填體的使用價(jià)值研究。

1 三礦區(qū)F17以東礦體賦存條件

某公司地處河西走廊東段，位于東經(jīng)101°29′～102°34′，北緯38°～39°，屬于喜馬拉雅地震帶。水系不發(fā)育，主要河流為金川峽，屬內(nèi)陸季節(jié)性河流，祁連山冰雪融化匯聚而成。主要降水分布于冬夏兩季，夏天少有大暴雨，冬天少見厚的積雪，常年蒸發(fā)量大于降水量。公司的礦區(qū)平均海拔均在1 700～1 830 m之間。三礦區(qū)F17以東礦體都是賦存于深部，在1 050 m水平以上的礦體中鎳和銅的品味都比較高，儲量都比較大。地質(zhì)報(bào)告顯示：該礦體受斷層F8的影響，東陡西緩，東深達(dá)600 m，西深200 m，呈楔狀向下滅尖，巖面存在明顯的不整合、原生軟弱結(jié)構(gòu)夾層、層間錯(cuò)動(dòng)帶及接觸破碎帶［5］。因此進(jìn)行開采時(shí)亟待解決的問題之一就是在地壓隨開采深度的增加逐漸增大時(shí)，如何有效地控制地壓顯現(xiàn)，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2 泡沫砂漿充填體現(xiàn)場效果檢測

公司三礦區(qū)F17以東礦體一貫采用膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行下向回采［5］。該公司對充填體所要求的強(qiáng)度為3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為1.5、2.5、5.0 MPa［6］。由于礦山充填工藝經(jīng)過多年改進(jìn)已經(jīng)成形，為了取得更好的充填效果，以及節(jié)約成本，只能從充填材料上進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過多方面對比，并且借鑒其他礦山經(jīng)驗(yàn)，在此選擇泡沫砂漿作為充填材料。所選擇材料為水泥、自然砂、水、發(fā)泡劑等。

在礦區(qū)內(nèi)對不同的灰砂配比、氣泡含量進(jìn)行流值、濕密度、強(qiáng)度值檢測比較得出：在三礦區(qū)較適宜的充填參數(shù)為灰砂比1∶4，料漿濃度為85%、氣泡率為25%。對三礦區(qū)采一工區(qū)9條不同進(jìn)路進(jìn)行充填體強(qiáng)度監(jiān)測，得到如圖1的強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線。

（1）在3、7、28 d時(shí)的9條進(jìn)路檢測出來的泡沫砂漿充填體強(qiáng)度是各不同的，在其平均值1.85、2.84、6.01 MPa上下波動(dòng)，但最小值都大于技術(shù)強(qiáng)度指標(biāo)1.5、2.5、5.0 MPa，滿足了充填體強(qiáng)度要求。

（2）除10＃進(jìn)路外的其余8條進(jìn)路，同一齡期各進(jìn)路充填體的強(qiáng)度值差異不大。3、7、28 d各進(jìn)路的強(qiáng)度值的極差分別為0.6、0.4、1.5 MPa，代表同一齡期各進(jìn)路的強(qiáng)度值最大的變化范圍。

圖1 泡沫砂漿充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線

（3）相同的配比參數(shù)下，同一齡期不同進(jìn)路充填體強(qiáng)度各有差異，是因?yàn)樵谂淞线^程中不能嚴(yán)格達(dá)到配比要求，略有差異，而且不能保證充填料漿濃度自始至終都是穩(wěn)定的。另外，在整個(gè)充填過程中不能保證氣泡的含量都是絕對均勻的。

（4）氣泡作為泡沫砂漿充填體的一部分以一定比率存在，同等體積下質(zhì)量更輕，強(qiáng)度較之常規(guī)充填體的強(qiáng)度卻更低，但其強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了充填強(qiáng)度指標(biāo)。

衡量充填體效果好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)就是接頂率，充填體的接頂率高，則充填的效果越好，越有利于限制頂板的大規(guī)模下沉。對泡沫砂漿充填體的接頂率進(jìn)行監(jiān)測，所得接頂率已高達(dá)100%，也已滿足公司所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)由于大量致密泡沫的存在，在管道里輸送時(shí)不會(huì)阻塞管道，流動(dòng)性比較好。對充填后側(cè)幫頂板打開的圖片可以看出，泡沫砂漿充填體存在致密均勻的空隙，且未發(fā)生離析現(xiàn)象。綜合起來泡沫砂漿充填體具有良好的輕質(zhì)性、流動(dòng)性、均衡性、抗離析性等特點(diǎn)［7］，如圖2～圖4所示。

圖2 充填過程

3 泡沫砂漿充填體的經(jīng)濟(jì)效益

在公司三礦區(qū)中計(jì)算泡沫砂漿充填用量時(shí)以灰砂比為1∶4，料漿濃度為85%、氣泡率為25%等作為重要參數(shù)。在計(jì)算泡沫砂漿充填體和常規(guī)砂漿充填體費(fèi)用時(shí)所參考自然砂與水的價(jià)格分別為14元／t、1.5元／m3［8］。對2種充填費(fèi)用統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 不同砂漿充填時(shí)的材料用量和費(fèi)用（充填量3 208 m3）

圖3 側(cè)幫打開

圖4 頂板揭露

從表1可以看出：充填方量為3 208 m3時(shí)，在水泥價(jià)格為280元／t時(shí)，泡沫砂漿充填比常規(guī)砂漿充填節(jié)省50 636元；在水泥價(jià)格為220元／t時(shí)，泡沫砂漿充填比常規(guī)砂漿充填節(jié)省32 096元，單位充填方量可節(jié)約成本分別為15.78元、10.01元。節(jié)省成本的大小取決于水泥價(jià)格，當(dāng)水泥價(jià)格越高時(shí)越能體現(xiàn)出它的經(jīng)濟(jì)性。這對于一個(gè)1 000萬t／a以上的礦山來說，所節(jié)省的成本是相當(dāng)可觀的。相比常規(guī)砂漿充填來說，泡沫砂漿充填所節(jié)省的成本費(fèi)用較高，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

（1）公司三礦區(qū)F17以東的礦體中貴重礦石的品位和含量都比較高，但賦存的地質(zhì)條件卻很不理想，一經(jīng)開采將會(huì)產(chǎn)生較大的次生應(yīng)力場。

（2）由于泡沫砂漿充填體中25%的氣泡含量，在同等體積的情況下，泡沫砂漿充填體的質(zhì)量要小于常規(guī)充填體，因此容重也更小。

（3）泡沫砂漿充填技術(shù)在三礦區(qū)F17以東深部開采過程中得到試用，充填完畢待脫水干燥后泡沫砂漿充填體的強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的增長呈增大的趨勢，且滿足公司對充填體強(qiáng)度的規(guī)定，可以替代常規(guī)的砂漿充填體來控制地壓顯現(xiàn)所帶來的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

（4）泡沫砂漿在充填過程中表現(xiàn)出了優(yōu)于常規(guī)砂漿充填的輕質(zhì)性、流動(dòng)性、均衡性、抗離析性、經(jīng)濟(jì)性、接頂率高等特點(diǎn)。

（5）通過泡沫砂漿充填的費(fèi)用與常規(guī)砂漿充填的費(fèi)用進(jìn)行比較，可以看出泡沫充填技術(shù)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

綜合泡沫砂漿的各種優(yōu)點(diǎn)，將其替代常規(guī)砂漿進(jìn)行充填的做法是經(jīng)濟(jì)可行的。

［1］宮德玉，彭衛(wèi)杰.地壓顯現(xiàn)規(guī)律及解決深井地壓問題的方案［J］.化工礦物加工，2009（11）：33-34.

［2］解世俊.金屬礦床地下開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

［3］冶金部長沙礦山研究院.充填采礦法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1978.

［4］陳忠平，翟淑花，董璐，等.泡沫砂漿充填體力學(xué)特性及其應(yīng)用研究［J］.金屬礦山，2010（8）：7-10.

［5］劉同有.金川膠結(jié)充填采礦法新工藝新技術(shù)［J］.中國礦業(yè)，1998（6）：1-7.

［6］李 冬.泡沫砂漿在金川礦區(qū)的應(yīng)用［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

［7］陳忠平，孫仲均，錢爭暉.泡沫輕質(zhì)土充填技術(shù)及應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2011（5）：74-76.

［8］郭維軍.三礦區(qū)高性能泡沫砂漿膠結(jié)充填試驗(yàn)階段總結(jié)報(bào)告［R］.金川：金川集團(tuán)有限公司三礦區(qū)，2011.

The Application Value of Foam M ortar Filling Body

Zhang Yaoping1，2Su Xiaoping2Tan Wei2Yang Shuangyou2GuoWeijun3
（1.School of Application＆Science，Jiangxi University of Science and Technology；2.Faculty of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology；3.The Third Mining Area，Jinchuan Group Co.，Ltd.）

Cut-and-filling stopingmethod plays the great part in undergroundmetalmining.In order to successfully introduce the foreign advanced technology-foam concrete technology in cut-and-filling stopingmethod and widely use it in domestic，the east stope of F17 in the third mining stope is chosen as the testing place because of its unique geological conditions.Through detecting foam mortar strength of filling body in nine different route of the No.1 stope of the third mining stope，it is shown that the strength of the foam slurry filling has already reached the strength index of filling body.At the same time，in comparison with ordinarymortar filling body，the foam mortar filling body has such advantages as lightweight，easy mobility，equilibrium，anti-segregating，high supporting pit roof rate，and low cost.Thus it can be concluded that the foam slurry filling technology is economic and feasible in the east area of F17 in the third mining stope.

Cut-and-filling stopingmethod，F(xiàn)oam mortar filling，Mechanical strength，Economically feasible

2013-06-21）

張耀平（1974—），男，副教授，博士，341000江西省贛州市客家大道156號。