充填膨脹劑在充填采礦技術(shù)中的應(yīng)用

王長軍，宋 興，袁雪梅 ，朱陽亞

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

1 概 述

充填采礦法由于其可以有效緩解或防止圍巖移動(dòng)和地表塌陷，最大程度的實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的回收利用，有效解決尾砂排放的問題，因此在世界各地得到了日益廣泛的運(yùn)用。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料，國內(nèi)有色金屬礦山使用充填采礦法的比例已達(dá)到30%以上，在黃金礦山達(dá)到了51%以上。隨著我國金屬礦山開采深度不斷增大和建設(shè)綠色礦山的需要，充填采礦法的應(yīng)用比例還將提高。受益于礦山機(jī)械及料漿輸送理論和技術(shù)的發(fā)展，充填采礦法已由過去的生產(chǎn)能力低、井下作業(yè)環(huán)境差、生產(chǎn)成本高轉(zhuǎn)變一種高效的采礦方法。隨著充填采礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，礦山對(duì)充填體的要求也越來越高，充填體作為地壓控制與下一循環(huán)回采的作業(yè)面或頂板，在充填過程中，人們越來越重視充填體的可調(diào)凝、早強(qiáng)、高強(qiáng)、大流動(dòng)度、膨脹、低脆性等性能，還要求制備的成本低，成型容易，養(yǎng)護(hù)簡單。特別是隨著充填采礦的發(fā)展，水泥用量越來越大，水泥生產(chǎn)不僅需消耗大量能源和排出大量廢棄物，在礦山充填中，水泥成本占充填成本的60%～80%。加拿大、澳大利亞、南非等國在充填料漿中加入適量膨脹劑后，能減少水泥用量10%以上[1]。英國缺少充填集料的煤礦，在充填料漿中加入適量膨脹劑，可使?jié)舛葹?0%～40%的料漿形成相同體積的固體。我國目前對(duì)充填用膨脹劑的研究還僅僅停留在試驗(yàn)階段，研究開發(fā)和推廣應(yīng)用充填膨脹劑，對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)礦山充填技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義。

2 膨脹劑的種類

人們對(duì)膨脹劑的了解，是由于其在混凝土中的廣泛運(yùn)用[2]。在混凝土中添加適量膨脹劑，不僅可以起抗裂防滲作用，而且可補(bǔ)償混凝土硬化過程中的收縮。目前常用的膨脹劑主要有：硫酸鋁鈣類、氧化鈣類、鐵粉系膨脹劑、氧化鎂型膨脹劑、硫鋁酸鈣-氧化鈣類復(fù)合膨脹劑。

(1) 硫酸鋁鈣類。硫酸鋁類膨脹劑是工程中最常用的膨脹劑，主要有CSA膨脹劑和明礬石膨脹劑，其反應(yīng)通式為：

6CaO+3Al2O3+3SO3+96H2O

→3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

(2) 石灰系膨脹劑。以CaO為膨脹源，由普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨細(xì)而成。硬脂酸，一方面起助磨劑作用，另一方石灰表面粘附了硬脂酸形成一層硬脂酸膜，起到了憎水隔離作用，使氧化鈣不能立即與水作用，而是在水化過程中膜逐漸破裂，延緩了氧化鈣的水化速度，從而控制膨脹速率，其膨脹反應(yīng)通式為：

CaO+ H2O→Ca(OH)2

(3) 鐵粉系膨脹劑。由鐵屑和一些氧化劑、觸媒劑、分散劑混合制成，在水泥水化時(shí)以Fe2O3形式成膨脹源，其主要反應(yīng)通式為：

Fe+RX2+H2O→FeX2+R(OH)2+H2

FeX2+R(OH)2+H2→Fe(OH)2+RX2

(4) 氧化鎂型膨脹劑[3]。氧化鎂系膨脹劑主要是通過氧化鎂水化生成氫氧化鎂結(jié)晶(水鎂石)而產(chǎn)生膨脹, 是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目[4]，其反應(yīng)通式為：

MgO+H2O→Mg(OH)2

(5) 硫鋁酸鈣-氧化鈣類復(fù)合膨脹劑。該類膨脹劑吸收了石灰型和明礬石膨脹劑的優(yōu)點(diǎn)，膨脹來源于過燒石灰和鈣釩石的雙重作用。它是以石灰石，鋁土質(zhì)材料磨制成生料，經(jīng)1400℃～1500℃煅燒成熟料，再經(jīng)配料磨細(xì)而成。主要產(chǎn)生膨脹性化學(xué)反應(yīng)如下：

KAl3(SO4)2(OH)2+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3(C3A·3CaSO4+32H2O)+2KOH

CaO+ H2O→Ca(OH)2

3 充填膨脹劑在某礦山中的應(yīng)用

某礦山是一個(gè)以銅為主的特大型多金屬礦山，礦床屬于沉積變質(zhì)型層控礦床，受地層和巖性控制明顯，不同礦種明顯受不同巖性的控制，目前開采的主要對(duì)象為CuI、CuV、CuVI礦體。礦體走向長500～600 m，厚12 ～40 m，傾角為60°～80°。礦體整體穩(wěn)固，但局部夾雜破碎帶，破碎帶厚度1～8 m，破碎帶處容易出現(xiàn)冒頂、片幫。礦山設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填采礦法開采。

結(jié)合礦山開采現(xiàn)狀，礦山在CuI礦體6～8線進(jìn)行了膨脹材料采礦技術(shù)的充填實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)主要以尾砂為充填骨料，以普通325硅酸鹽水泥為膠凝材料，配以一定的膨脹劑，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)初步成功后，先后在CuI礦體6～8線1-1采場、1-2采場進(jìn)行了膨脹充填工藝工業(yè)試驗(yàn)，有效的抑制了工作面的圍巖沉降，同時(shí)保障了下一工作面的回采安全[5]。

3.1 充填體膨脹劑實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

試驗(yàn)采取水泥和尾砂之比為1∶6來配置試驗(yàn)料漿，根據(jù)流動(dòng)性要求，充填料漿坍落度為26 cm以上能實(shí)現(xiàn)自流輸送，充填料漿濃度為70%，依次改變膨脹劑添加量與干物料總重的比例，將配置好的料漿灌模，同時(shí)取一定量的充填料漿裝入量杯內(nèi)并貼好標(biāo)簽記錄初始體積，將制作好的試塊和量杯中的試樣放入恒溫箱里養(yǎng)護(hù)；膨脹率取量杯內(nèi)充填體試樣的體積膨脹率[6]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同膨脹劑摻量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)分析

(1) 從表1可以看出，膨脹率隨著膨脹劑用量的增加而增大，但抗壓強(qiáng)度隨著膨脹用量增大而相應(yīng)降低，即膨脹是以損失一定的強(qiáng)度為前提的。而充填料漿沖入井下固結(jié)后，必須具有一定的強(qiáng)度來支撐頂板，維持圍巖的穩(wěn)定。從表1可以看出，膨脹劑用量為0.07%時(shí)，28 d強(qiáng)度只有0.55 MPa，根據(jù)國內(nèi)外典型充填礦山的膠結(jié)充填礦柱強(qiáng)度與礦柱高度的關(guān)系，礦山所使用的膠結(jié)充填礦柱的強(qiáng)度大都在0.7～2.5 MPa之間。在金屬礦山，由于采場較高，所需膠結(jié)礦柱的強(qiáng)度較大。因此，膨脹率在10%～15%之間是比較適宜的。

(2) 當(dāng)膨脹劑摻量為0.02%時(shí)，各齡期試塊的抗壓強(qiáng)度均為最大，而當(dāng)摻加量大于0.02%時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，充填體膨脹率逐漸增大，各齡期抗壓強(qiáng)度逐漸變小，強(qiáng)度損失逐漸增大。因此，對(duì)于該礦山水泥、尾砂膠結(jié)充填自流輸送來說，控制膨脹劑摻量為0.02%是比較合適的。

圖1 膨脹劑摻量與強(qiáng)度的關(guān)系

(3) 從圖2可以看出，試塊的抗壓強(qiáng)度隨膨脹率的增大而減小，遞減線近似于一直線，當(dāng)膨脹率超過20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值損失頻率趨緩。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

充填體添加膨脹劑后，體積變大，充填所需要的充填骨料和膠凝材料必然減少，充填體膨脹的體積比不添加膨脹劑的充填體增加的百分比即為成本降低的百分比?？紤]到非膨脹充填體泌水率(試驗(yàn)測定充填料漿泌水率為3.56%[7])，成本降低率k計(jì)算公式如下：

k=(1+膨脹率)/(1-泌水率)-1

根據(jù)上述公式計(jì)算不同膨脹率的充填成本降低百分比k,如表2所示。

圖2 膨脹率與強(qiáng)度的關(guān)系

膨脹劑摻量/%膨脹率/%k值/%0-3.5600.0210.64110.0322.53230.0428.55290.0531.44320.0742.8844

從表2可以看出，當(dāng)膨脹劑用量為0.02%，充填料漿產(chǎn)生10.64%的體積膨脹率，節(jié)約充填成本可達(dá)到10%以上。

5 結(jié) 論

(1) 膨脹劑在充填料漿中的主要作用是利用其膨脹反應(yīng)使采區(qū)充填膠結(jié)體體積膨脹，膨脹劑摻入量越多，體積膨脹越大，但膠結(jié)體的強(qiáng)度相應(yīng)降低。

(2) 在兼顧膨脹率和充填膠結(jié)體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充填料漿膨脹率控制在10%～15%是比較適宜的。

(3) 充填料漿中添加膨脹劑可以為礦山產(chǎn)生可觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，直接減少充填骨料和膠凝材料的用量，充填成本也會(huì)相應(yīng)降低[8]。

參考文獻(xiàn)：

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