某采場非膠結(jié)充填實驗研究

寶力格，張建忠

（1.內(nèi)蒙古黃崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

黃崗礦區(qū)呈北東向展布，含礦帶長19km，寬0.2km～2.5km，劃分成七個區(qū)（Ⅰ～Ⅶ）。其中Ⅰ礦區(qū)鐵礦走向長度2km，平均寬約150m。設(shè)計年產(chǎn)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(jié)束后即進行膠結(jié)充填、養(yǎng)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(qū)采用分級尾砂非膠結(jié)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(dǎo)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(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)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?zhèn)认虮赖V[2]?；夭陕涞V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?；夭杀普ㄋ巻魏臑?.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(dān)兩個礦塊的出礦工作，從出礦進路裝礦運輸至采區(qū)溜礦井缷礦?？刂撇蓤龇诺V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(qū)溜礦井下部采用XZGZ1843振動給礦機放礦，將礦石裝入4m3側(cè)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(jié)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(jié)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(nèi)徑為100mm的硬質(zhì)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(nèi)拉出。脫水管安裝結(jié)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(jié)構(gòu)。

密閉墻施工完后開始采場充填工作，充填管經(jīng)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(xiàn)有充填系統(tǒng)實際運行過程中只使用了一套系統(tǒng)，即只用了2個砂倉，一個水泥倉，一套攪拌系統(tǒng)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(xù)充填（即同一砂倉上部進砂的同時，砂倉下部不間斷連續(xù)進行充填）。而只有當(dāng)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(jīng)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(xiàn)場取樣觀察發(fā)現(xiàn)，尾砂沉降后，砂倉放出來的尾砂經(jīng)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(xù)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(xiàn)場就近找平地鋪防滲彩條布對全尾砂進行蒸發(fā)晾曬，干燥后均勻堆積。全尾砂基本物理參數(shù)測定（比重、容重、休止角）、粒級組成測定（中值粒徑、不均勻系數(shù)）、全尾砂及全尾砂+水泥膠結(jié)沉降試驗測定。全尾砂物理參數(shù)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(jié)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(guān)，更重要的與膠結(jié)充填體的膠結(jié)性能和膠結(jié)劑消耗量有關(guān)。主要參數(shù)有粒徑、顆粒均勻度系數(shù)。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(shù)據(jù)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(shù)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(yè)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(shù)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(jié)時間和強度值。影響充填體滲透系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)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(tài)，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(jīng)濃密后重量濃度45%的底流，為實現(xiàn)全尾砂高濃度膠結(jié)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(tài)特征：全尾砂分級，粗重顆?？焖傧鲁?，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(tài)；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(tài)，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(zhì)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(zhì)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(fù)三次，對比試驗結(jié)果，求取平均值。

5 結(jié)語

（1）通過對黃崗礦業(yè)公司Ⅰ礦區(qū)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(jié)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(jié)充填體或非膠結(jié)充填體，將二步驟采場空區(qū)充滿即可。而采場實際充填時，還需要考慮尾砂性質(zhì)、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(jù)充填材料試驗及礦山充填系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，當(dāng)?shù)V山采用選廠進料后沉降后的粗尾砂充填時，其Ⅰ礦區(qū)二步驟采場可以采用全尾砂進行非膠結(jié)充填。