二次攪拌工藝對(duì)全尾砂膠結(jié)充填質(zhì)量的影響

周家祥 邵 霞

(武鋼集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司大冶鐵礦)

武鋼大冶鐵礦自1949年全國(guó)解放后就一直大規(guī)模開(kāi)采，是一座大型的國(guó)營(yíng)礦山。隨著礦山多年無(wú)底柱分段崩落法的開(kāi)采，采礦深度逐漸加深、塌陷區(qū)域不斷擴(kuò)大，地表風(fēng)貌受到破壞;尾礦庫(kù)征地困難、維護(hù)費(fèi)用居高不下，面臨著諸多的問(wèn)題。充填采礦法一定程度上有利于地區(qū)環(huán)境的保護(hù)，可降低尾砂庫(kù)對(duì)安全方面的威脅并減少尾砂庫(kù)經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。

1 大冶鐵礦充填采礦法現(xiàn)狀

大冶鐵礦獅子山礦體原為露天開(kāi)采，2002年轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采，礦體上方為黃石國(guó)家礦山公園，地表和圍巖需要保護(hù)，不允許塌陷。為保護(hù)礦山公園地表的露天邊坡、防止邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，同時(shí)減少尾礦庫(kù)尾礦排放量及尾礦庫(kù)征地?cái)?shù)量，綜合考慮設(shè)備采購(gòu)、投資、能耗、操作技術(shù)、尾砂用量等各方面因素，確定獅子山礦體采用全尾砂膠結(jié)充填采礦法。

獅子山礦體分布于勘探線26～30線，礦體主要賦存于中細(xì)粒含石英閃長(zhǎng)巖、黑云母透輝石閃長(zhǎng)巖與大冶群第四、第五段大理巖接觸帶上，受接觸帶產(chǎn)狀及褶皺、斷裂復(fù)合構(gòu)造控制，呈NWW向分布，走向長(zhǎng)430 m。礦體形態(tài)、產(chǎn)狀變化不大，主要呈塊狀、透鏡狀、楔狀。獅子山礦體平均厚度為26 m，礦體傾角為70°～90°。礦石和巖石穩(wěn)固、礦體厚大連續(xù)規(guī)整;獅子山礦石地質(zhì)品位高、夾石率低，富含銅金銀等貴金屬。

為滿足采礦生產(chǎn)能力，并協(xié)調(diào)各方面因素，確定采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。將礦塊分礦房和礦柱，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長(zhǎng)30 m，階段高度60 m，礦房、礦柱寬均為15 m，使用Simba1252鑿巖臺(tái)車(chē)，鑿巖巷道分段高度12 m，留有頂柱和底柱。分段中深孔爆破、集中出礦，階段大空?qǐng)鏊煤蟪涮睢?/p>

采用全尾砂自流膠結(jié)充填工藝，充填料漿制備站建設(shè)在地面，充填倍線為4.93，充填料尾砂來(lái)源于大冶鐵礦選礦車(chē)間尾礦濃縮池底流。充填系統(tǒng)主要由2個(gè)500 m3立式砂倉(cāng)、1個(gè)水泥倉(cāng)、1套攪拌桶、充填管道及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。

2 充填存在問(wèn)題

任何采礦方法都必須處理好地壓?jiǎn)栴}，膠結(jié)充填法是用物料充填采空區(qū)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，膠結(jié)充填體必須達(dá)到一定的強(qiáng)度，所以首先必須確定充填體所需強(qiáng)度。獅子山礦體采用分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填，礦塊分兩步回采，先采礦房后采礦柱，回采礦柱時(shí)，礦房中充填體暴露側(cè)面積平均為1 400 m2，最大約為2 600 m2，暴露面積較大，故要求充填體的自立性和抗爆破沖擊能力強(qiáng)。

按充填體是一自立性人工礦柱來(lái)確定充填體所需強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法核算:

式中，H為膠結(jié)充填體礦柱的高度，m;σ為膠結(jié)充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa;a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，H＜50 m時(shí)a=600 mm，H＞100 m時(shí)a=100 mm，50≤H≤100時(shí)，a值介于600～100 mm選取。

取H＜50 m，a=600 mm，

參照類(lèi)似礦山安全系數(shù)取1.5，即礦房充填體強(qiáng)度σ×1.5=2.42 MPa。

結(jié)合上述驗(yàn)算，參照國(guó)內(nèi)外類(lèi)似礦山的經(jīng)驗(yàn)，礦房充填體強(qiáng)度應(yīng)為2.42 MPa，確定礦房膠結(jié)充填體強(qiáng)度為2.5 MPa。

在進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的的過(guò)程中，選10 cm×10 cm×10 cm水泥砂漿三聯(lián)試模，井下取樣制模、現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)。同一批次的3組試件分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d后拿出，測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，試件的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均在電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。通過(guò)壓力測(cè)試軟件得到充填試件的載荷位移曲線，得到了試件破壞的最大載荷和破壞時(shí)的最大位移。每組充填試件有3塊，根據(jù)載荷位移曲線得到最大負(fù)荷，然后按照公式計(jì)算出其抗壓強(qiáng)度，取平均值。

選取濃度在63%～70%，灰砂比為1∶8的有效試塊進(jìn)行壓力試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)8組數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 改造前試件的單軸抗壓強(qiáng)度

結(jié)合運(yùn)行情況分析數(shù)據(jù)，可知:

(1)充填體早期強(qiáng)度低，7 d的平均強(qiáng)度為0.5 MPa，14 d平均強(qiáng)度為1 MPa，影響生產(chǎn)效率的提升。

(2)充填體28 d最終平均強(qiáng)度僅為1.9 MPa，且波動(dòng)較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能滿足充填采礦的要求。

(3)尾砂和膠骨料混合不均勻致離析嚴(yán)重;采場(chǎng)脫水量大，1∶8的灰砂比脫水量接近1 t/h。

(4)成品料漿流動(dòng)性能不好，曾經(jīng)在濃度為69%時(shí)，出現(xiàn)過(guò)堵管的情況;充填料到采場(chǎng)后不是很平整，形成的充填體有緩坡。

充填強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，自立性和抗爆破沖擊的能力不夠，給礦柱的回收造成很大困難，有可能造成貧化加劇和回收率嚴(yán)重降低，甚至引發(fā)安全事故，所以必須進(jìn)行改善。分析離析現(xiàn)象和試塊狀況，認(rèn)為攪拌時(shí)間不夠、攪拌速度不高致原料混合不均勻是主要矛盾。

3 改變攪拌方式

為了改善攪拌狀況，取消原有立式高濃度攪拌機(jī)，改設(shè)雙軸葉片臥式攪拌機(jī)和高效活化攪拌機(jī)組合攪拌，即改普通一次攪拌為高速活化二次攪拌。

3.1 二次攪拌工藝的改進(jìn)

取消原有立式高濃度攪拌機(jī)，采用了臥式雙軸攪拌槽加高速活化攪拌機(jī)的二次攪拌工藝，2個(gè)設(shè)備配套使用。高濃度尾砂從砂倉(cāng)經(jīng)內(nèi)徑108 mm耐磨管進(jìn)入雙軸攪拌桶，尾砂和膠骨料初步混合后直接進(jìn)入高速活化攪拌機(jī)進(jìn)行混勻，生成成品漿。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 二次攪拌工藝

雙軸攪拌和高效活化攪拌機(jī)是引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，是為礦山高濃度細(xì)骨料充填系統(tǒng)研究的一套專用設(shè)備其外形見(jiàn)圖2。

設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備參數(shù)

圖2 攪拌配套設(shè)備

3.2 二次攪拌的效果評(píng)價(jià)

攪拌方式改變之后，在與原來(lái)充填和取樣條件近似的情況下，選取濃度在63%～70%，灰砂比為1∶8的有效試塊，統(tǒng)計(jì)8組數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 改造后試件的單軸抗壓強(qiáng)度

(1)由表3可知:7 d的平均強(qiáng)度為1.2 MPa，14 d的平均強(qiáng)度為1.8 MPa，充填體早期平均強(qiáng)度普遍有所提高，有利于充填生產(chǎn)效率的提升。

(2)28 d的強(qiáng)度比較均衡，平均為2.7 MPa，較整改之前提高了30%左右，達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？箟簭?qiáng)度數(shù)據(jù)波動(dòng)減緩，試塊數(shù)據(jù)連續(xù)性好，充填質(zhì)量比較均衡，較整改之前有大幅度的改善，對(duì)于穩(wěn)定充填體的質(zhì)量，保持充填體的整體性，具有較高的實(shí)踐意義。

(3)離析的情況得到改善，詳見(jiàn)圖4。采場(chǎng)脫水率降低至0.6 t/h，料漿混合明顯均勻、流動(dòng)性好，形似均值流體。充填到采場(chǎng)的充填料不需平場(chǎng)，表面光滑平整(見(jiàn)圖5)。

(4)雙軸葉片臥式攪拌機(jī)和高效活化攪拌機(jī)的配套使用，克服了傳統(tǒng)設(shè)備攪拌不連續(xù)、混合不均勻、能力小等缺點(diǎn)，保證充填料漿混合均勻，流動(dòng)性好，提高充填體的強(qiáng)度，能降低充填膠凝材料的消耗量，減少采場(chǎng)脫水量，大大縮短充填作業(yè)循環(huán)周期。

圖4 整改后和整改前試件靜置5 min對(duì)比

圖5 井下現(xiàn)場(chǎng)充填體表面

4 結(jié)論

在充填原料沒(méi)有變化的情況下，二次活化高速攪拌明顯提升了充填料漿的質(zhì)量。第一步雙軸攪拌機(jī)把物料基本混合均勻，在第二步的強(qiáng)力活化作用下，顆粒被分裂，水與固體顆粒的分離性減弱，不僅減小顆粒之間的黏著力，而且使水泥顆粒破裂，強(qiáng)化水泥的水化作用，提高早期強(qiáng)度，改善充填料的強(qiáng)度特性和流動(dòng)性。物料在強(qiáng)力攪拌、活化攪拌等機(jī)械作用下，沖破了原物料各自的內(nèi)聚力，料漿液化為溶膠體，保證了混合均勻，達(dá)到活化攪拌的目的。

綜上可知，二次活化攪拌對(duì)提高細(xì)粒級(jí)全尾砂膠結(jié)充填料早期和最終強(qiáng)度有相當(dāng)?shù)膸椭夷苡行У販p少泌水，改善料漿的流動(dòng)力學(xué)特性。

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