全尾砂膠結(jié)充填多組分膠凝材料精準(zhǔn)添加技術(shù)研究與應(yīng)用

仵鋒鋒 王 選 姚中亮 劉 為 范海清 陳映儒

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012；4.福建馬坑礦業(yè)股份有限公司，福建 龍巖 364021）

馬坑鐵礦為地下開采的大型鐵礦山，原設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法開采，為了控制地壓、保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境、提高采礦回收率、降低貧化率、減少尾礦排放等而轉(zhuǎn)為充填采礦法［1-8］，采用階段空場嗣后充填采礦法開采。采用充填采礦法特別是階段空場嗣后充填采礦法，充填體強(qiáng)度對于采礦方法的成敗具有決定性的作用，充填體強(qiáng)度不足所造成的充填體片幫、冒落、采場坍塌、地表塌陷，不但影響井下正常生產(chǎn)和采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，甚至可能造成重大安全事故［9-11］。該礦山充填系統(tǒng)建成投入使用之后，在充填過程中通過取樣制作試塊測試強(qiáng)度，在1∶4的灰砂比時(shí)，試塊的28 d強(qiáng)度也只有1.78 MPa，與采礦方法對充填體的強(qiáng)度要求相差較遠(yuǎn)，如何提高充填體強(qiáng)度是礦山面臨的急需解決的重大問題。為此，委托長沙礦山研究院有限責(zé)任公司開展了相關(guān)研究，以期充填采礦法在礦山能夠順利實(shí)施。

1 充填系統(tǒng)存在的問題與對策研究

1.1 充填系統(tǒng)簡介

礦山采用全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填工藝，充填系統(tǒng)主要由全尾砂泵送系統(tǒng)、尾砂濃密存儲(chǔ)系統(tǒng)，水泥存儲(chǔ)給料系統(tǒng)、料漿制備輸送系統(tǒng)組成。選廠尾砂通過普通濃密機(jī)濃密后泵送至選廠的尾砂輸送泵房，通過隔膜泵加壓后經(jīng)管道輸送至充填站?20 m的高效深錐濃密機(jī)中進(jìn)行濃密存儲(chǔ)，63%～66%的濃密機(jī)底流經(jīng)管道放砂進(jìn)入攪拌機(jī)，同時(shí)水泥倉中的水泥經(jīng)過給料計(jì)量后也進(jìn)入攪拌機(jī)與尾砂混合后進(jìn)行攪拌，攪拌制備均勻的充填料漿經(jīng)過鉆孔和井下管網(wǎng)進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行充填。充填站有3套獨(dú)立的料漿制備系統(tǒng)，每套料漿制備系統(tǒng)包含1座水泥倉、1套水泥給料計(jì)量設(shè)備、1套攪拌系統(tǒng)。單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)料漿制備輸送能力150～180 m3/h，濃度70%～72%，灰砂比1∶3～1∶20可調(diào)。

1.2 充填存在的問題

充填站于2019年6月建成并投入使用，充填系統(tǒng)工藝流程順暢，工業(yè)試驗(yàn)期間單套制備系統(tǒng)最大連續(xù)充填時(shí)間達(dá)到了125 h，制備輸送能力和灰砂比也達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。但是仍存在以下問題：

（1）尾砂流動(dòng)性變差，充填料漿濃度降低，影響充填體強(qiáng)度。原設(shè)計(jì)充填料漿濃度為70%～72%，但是在實(shí)際充填過程中，濃度達(dá)到66%時(shí)，料漿的流態(tài)就達(dá)到了結(jié)構(gòu)流狀態(tài)，進(jìn)一步提高濃度，充填管道堵管事故頻發(fā)，實(shí)際充填濃度一般控制在66%。眾所周知，料漿濃度是影響充填體強(qiáng)度的重要因素，濃度降低勢必影響充填體的強(qiáng)度［12-16］。

（2）尾砂與水泥的膠凝性差，充填體強(qiáng)度低，無法滿足采礦方法的要求。在充填過程中，通過在鉆孔下料口取樣制作試塊測試強(qiáng)度，灰砂比1∶4時(shí)的最高強(qiáng)度只有1.78 MPa。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)室配料制作試塊測試強(qiáng)度，強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)采礦方法的要求，充填體28 d強(qiáng)度不小于2.8 MPa，對照表1中的數(shù)據(jù)，實(shí)際充填料漿所形成的充填體強(qiáng)度無法滿足采礦方法的要求。

1.3 原因分析與對策研究

根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，為了找到尾砂流動(dòng)性變差的原因，對尾砂進(jìn)行了粒度分析，分析結(jié)果如表2所示。

從表2可見，尾砂的粒度較2013年充填站設(shè)計(jì)之初測試結(jié)果變細(xì)了。尾砂變細(xì)，一方面直接導(dǎo)致充填集料承載性能惡化，進(jìn)而影響充填體的強(qiáng)度［17-19］；另一方面，尾砂變細(xì)，其粘性增加，流動(dòng)性變差，造成充填料漿可自流輸送的濃度降低［20-22］，料漿濃度在66%時(shí)就已達(dá)到了2013年試驗(yàn)時(shí)72%的濃度所達(dá)到的結(jié)構(gòu)流狀態(tài)。

在充填料漿濃度和灰砂比都達(dá)到極限的條件下，要提高充填體的強(qiáng)度，目前最好的辦法就是進(jìn)行高效膠結(jié)劑的研發(fā)。雖然礦山已經(jīng)立項(xiàng)進(jìn)行高效膠結(jié)劑的研發(fā)和高效膠結(jié)劑廠的建設(shè)，但是相關(guān)研究成果要到2020年6月份才會(huì)提交，高效膠結(jié)劑廠要到2021年年底甚至更晚才會(huì)建成投入使用，在此期間，如何制備滿足充填強(qiáng)度要求的充填料漿成為礦山充填急需解決的重大難題。

為了解決上述問題，對礦山充填可用的膠凝材料原料進(jìn)行了充分的調(diào)研，借鑒以往開展的類似工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果，在礦山充填站開展了過渡期高效膠結(jié)劑配方小規(guī)模試驗(yàn)研究，以該試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)充填強(qiáng)度的提高。

2 過渡期高效膠結(jié)劑配方優(yōu)選試驗(yàn)

鑒于礦山已經(jīng)開始了高效膠結(jié)劑的研發(fā)，并以此建設(shè)40萬t/a的高效膠結(jié)劑廠專門用于礦山充填，只是時(shí)間較長，因此本研究只是為解決高效膠結(jié)劑廠建成投入使用之前的充填質(zhì)量問題，屬于過渡配方和措施性改造，因此過渡期高效膠結(jié)劑研發(fā)和措施性改造的原則是用最小的投資在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充填體質(zhì)量的提高，使其滿足采礦方法的要求?？紤]到上述因素，通過對高效膠結(jié)劑原料的調(diào)查，并結(jié)合前期探索性試驗(yàn)研究的結(jié)果，提出了過渡期高效膠結(jié)劑配方材料組成為礦渣微粉+激發(fā)劑A，其中礦渣微粉直接從附近的礦渣微粉生產(chǎn)企業(yè)采購，激發(fā)劑A也是可直接采購的成熟產(chǎn)品，兩種物料均不需要二次加工。通過充填站小規(guī)模試驗(yàn)研究，確定了過渡期高效膠結(jié)劑的最佳配合比例為礦渣微粉∶激發(fā)劑A=80∶20，其與PO42.5水泥做膠結(jié)劑的強(qiáng)度對比如圖1所示。

從圖1可以看出，過渡期高效膠結(jié)劑的效果明顯好于PO42.5水泥，其在灰砂比為1∶8時(shí)的強(qiáng)度即可滿足采礦方法的要求，而且配料來源可靠，不需要二次加工，配制工藝簡單。

3 多組分膠結(jié)劑精準(zhǔn)添加技術(shù)研究

3.1 方案選擇

過渡期高效膠結(jié)劑由兩種物料混合組成，如何實(shí)現(xiàn)其按照比例混合，即實(shí)現(xiàn)多組分膠結(jié)劑配料的精準(zhǔn)添加，是決定充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵。為此，需要對現(xiàn)有充填站進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)兩種物料按比例均勻混合和順利添加。因?yàn)橹皇沁^渡期的措施性工程，優(yōu)化原則為：盡可能地避免對現(xiàn)有充填站的改造，工藝可靠、流程簡單、投資省、建設(shè)周期短。根據(jù)要求，可行的優(yōu)化方案以下有3個(gè)。

方案一：利用現(xiàn)有水泥倉儲(chǔ)存輸送激發(fā)劑A，新增2套礦渣微粉制漿輸送系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括1座300 t儲(chǔ)存能力的成品粉體倉、1套微粉給料計(jì)量系統(tǒng)、1臺(tái)攪拌機(jī)、1臺(tái)泥漿泵，按照配合比的要求，向3套充填料漿制備系統(tǒng)制備輸送礦渣微粉漿。

方案二：利用現(xiàn)有水泥倉存儲(chǔ)輸送礦渣微粉，新增100 t成品粉體倉存儲(chǔ)輸送激發(fā)劑A，兩種物料按照配合比經(jīng)過各自的給料計(jì)量系統(tǒng)向攪拌機(jī)輸送物料干粉。

方案三：利用現(xiàn)有水泥倉存儲(chǔ)輸送礦渣微粉，新增2套激發(fā)劑制漿輸送系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括1座100 t儲(chǔ)存能力的成品粉體倉、1套微粉給料計(jì)量系統(tǒng)、1臺(tái)攪拌機(jī)、1臺(tái)泥漿泵，按照配合比的要求，向3套充填料漿制備系統(tǒng)制備輸送激發(fā)劑漿。

3個(gè)方案綜合比較：

（1）現(xiàn)有充填站設(shè)計(jì)之初，出于節(jié)約征地、開挖費(fèi)用等考慮，工藝配置較為緊湊、場地規(guī)劃也比較緊張，近雙軸攪拌機(jī)新增粉體倉沒有合適的場地，所以粉體倉距離攪拌機(jī)距離比較遠(yuǎn)，粉體倉與攪拌機(jī)之間在水平和豎向上均難以實(shí)現(xiàn)直線聯(lián)系，即水平和豎向上均要多道拐彎。采用方案二，充填站現(xiàn)有的每套制備系統(tǒng)均需要配置一套激發(fā)劑A添加系統(tǒng)，含1座100 t的成品粉體倉、多臺(tái)螺旋輸送機(jī)（每套系統(tǒng)可能至少3臺(tái)以上），整個(gè)充填站需要多達(dá)3座微粉倉、9臺(tái)螺旋輸送機(jī)。如此配置場地更為緊張、費(fèi)用高、配置復(fù)雜、流程多、可靠性低、對現(xiàn)有充填站的改動(dòng)和影響也較大，因此不推薦采用方案二。

（2）采用方案三，則礦渣微粉可采用現(xiàn)有水泥存儲(chǔ)給料系統(tǒng)添加至攪拌機(jī)，而激發(fā)劑A需要制漿輸送。激發(fā)劑A具有凝結(jié)性能，制漿后，過流設(shè)備及管道均存在料漿結(jié)塊的問題，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，也增加了充填站人員的工作量，而礦渣微粉在未與激發(fā)劑A混合的情況下，制漿后不具備凝結(jié)性能，即使制備的礦渣微粉漿存放半個(gè)月以上甚至更長，仍然保持漿狀，因此不推薦方案三。

（3）采用方案一，礦渣微粉制漿管道輸送，受場地影響比較小，可以遠(yuǎn)距離布置，管道輸送漿體也不受地形的限制，給料穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確、制備質(zhì)量高，不對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行任何改動(dòng)，改造過程不會(huì)影響到充填站的正常生產(chǎn)，對將來充填系統(tǒng)的運(yùn)行影響也比較小。

因此，推薦采用方案一，即礦渣微粉制漿輸送添加工藝。

3.2 方案配置及工藝流程

采用礦渣微粉制漿輸送工藝，即激發(fā)劑A仍采用現(xiàn)有水泥干粉添加系統(tǒng)添加至攪拌機(jī)，礦渣微粉添加方案為：在充填站設(shè)置2套礦渣微粉造漿添加系統(tǒng)，每套礦渣微粉造漿添加系統(tǒng)包括1座300 t儲(chǔ)量的成品微粉倉及其給料計(jì)量系統(tǒng)、1臺(tái)?2.0 m×2.1 m的高濃度攪拌槽、1臺(tái)泥漿泵。充填時(shí)，采用散裝罐車運(yùn)輸?shù)V渣微粉至充填站并通過高壓風(fēng)吹入新設(shè)的300 t儲(chǔ)量成品微粉倉中，然后通過給料計(jì)量設(shè)備給料計(jì)量后輸送至高濃度攪拌槽中，與定量的制漿水一起在攪拌槽中進(jìn)行攪拌，攪拌均勻的微粉漿通過攪拌槽的放漿管進(jìn)入泥漿泵，經(jīng)泵加壓后通過管道輸送至現(xiàn)有充填系統(tǒng)的雙軸攪拌機(jī)，與其他充填材料一起進(jìn)行攪拌，制備合格的充填料漿輸送至井下進(jìn)行充填。工藝流程如圖2所示。

4 應(yīng)用效果

該礦渣微粉制漿添加系統(tǒng)于2020年4月份建成投入使用，如圖3所示，微粉制漿輸送如圖4。

試充填期間在鉆孔下料斗取樣制作試塊進(jìn)行強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如表3所示。

從表3可見，該系統(tǒng)投入使用充填體強(qiáng)度在灰砂比為1∶8.5時(shí)即可達(dá)到2.86 MPa，不但能夠滿足采礦方法的要求，還能大幅降灰砂比，節(jié)約膠結(jié)劑成本，該措施工程的應(yīng)用效果非常明顯，達(dá)到了研究的目的。

5 結(jié) 論

本研究基于目前礦山充填體強(qiáng)度所存在的問題，開展了充填材料小試試驗(yàn)和充填站優(yōu)化研究，以期達(dá)到提高充填體強(qiáng)度和降低充填成本的目的。

（1）通過充填站小試試驗(yàn)，得到了合理過渡期高效膠結(jié)劑配方，采用過渡期高效膠結(jié)劑試塊強(qiáng)度要比水泥為膠結(jié)劑時(shí)試塊強(qiáng)度高得多，不但能夠完全滿足采礦方對充填體強(qiáng)度的要求，而且用于礦山一步驟采場充填，平均灰砂比只有1∶7.5，僅2020年充填89萬m3空區(qū)，就可節(jié)約膠凝材料費(fèi)用3 448萬元，本項(xiàng)目對于降低充填成本、保證礦山安全開采具有重要意義。

（2）以充填站小試試驗(yàn)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了礦渣微粉預(yù)制漿添加工藝，不但可以順利地將礦渣微粉添加至現(xiàn)有充填系統(tǒng)，且不對已有充填系統(tǒng)進(jìn)行任何變動(dòng)，因此，改造不會(huì)對已有充填系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

（3）礦渣微粉制漿添加工藝所采用設(shè)施和設(shè)備均可直接采購在現(xiàn)場進(jìn)行安裝，不需要現(xiàn)場制作，現(xiàn)場新建結(jié)構(gòu)工程只有少量的設(shè)備、設(shè)施基礎(chǔ)和簡易廠房，投資約376.5萬元，建設(shè)工期50 d，其工藝配置簡單、流程短、工程量少、投資省、工期短，投入使用之后，效果也非常明顯。