新型固化劑在某銅礦井下充填中的應(yīng)用試驗(yàn)

魯超峰 王 耀 戴宏輝 周科禮

(湖北大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司)

某地下銅礦山自開采以來，一直采用充填采礦工藝，充填方式先后經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、膏體充填等3個(gè)階段，后因膏體充填效果不理想又改為水砂充填，以礦山水泥與尾砂作為充填材料沿用至今，目前井下年充填量達(dá)到32萬m3。

隨著社會(huì)的發(fā)展，礦山水泥價(jià)格逐步走高，礦山采用降低灰砂比方式來降低成本，但卻帶來了一些突出問題:①井下充填體的強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，鏟運(yùn)機(jī)在充填體上下陷;②充填體早期強(qiáng)度不夠高，且水泥水化熱較大，充填完后等強(qiáng)時(shí)間花費(fèi)較多;③由于水泥密度小于尾砂粗粒，漿體進(jìn)入采場后，水泥與細(xì)粒尾砂從裂隙中流出［1］，導(dǎo)致井下巷道到處跑漿，水泥浪費(fèi)也較大;④由于一步驟礦房全膠結(jié)充填強(qiáng)度不夠，二步驟礦柱回采過程中，為了防止一步驟回采后全膠結(jié)充填尾砂的冒落，必須預(yù)留2～3 m厚的護(hù)壁，這就造成了礦石的極大損失;⑤充填完成后，鏟運(yùn)機(jī)不斷在采場碾壓，造成表層充填體不斷磨蝕，鏟運(yùn)機(jī)鏟礦過程中將礦石與表層磨蝕充填體一起鏟入礦石溜井，造成礦石大量貧化。

為改變礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，決定對2個(gè)廠家的固化劑材料進(jìn)行充填效果對比試驗(yàn)。

1 充填試驗(yàn)原則與方案

該礦充填系統(tǒng)由地表的2個(gè)水泥倉、2個(gè)砂倉、控制系統(tǒng)以及各種監(jiān)測設(shè)備、管道組成。

試驗(yàn)原則:在保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的情況下，按照相同充填成本，分別對2種新型尾砂充填膠凝材料進(jìn)行現(xiàn)場充填試驗(yàn)，測試2種材料充填體的性能，并與同條件下水泥充填體進(jìn)行比較。

具體試驗(yàn)方案:在充填料漿濃度不低于68%的條件下，膠固材料下料量按礦山日常生產(chǎn)水泥下料量推算:全膠結(jié)充填水泥下料10 t/h，水泥現(xiàn)行到廠價(jià)270元/t，新型膠結(jié)充填材料到廠價(jià)450元/t，確定新型膠結(jié)充填材料用于全膠結(jié)充填下料量為6 t/h，灰砂比約為1∶10(水泥灰砂比為1∶8);鋪面膠結(jié)充填水泥下料20 t/h，水泥現(xiàn)行到廠價(jià)270元/t，新型膠結(jié)充填材料到廠價(jià)450元/t，確定新型膠結(jié)充填材料用于鋪面膠結(jié)下料量12 t/h，灰砂比約為1∶6(水泥灰砂比為1∶4)。在以上相同成本條件下，分別進(jìn)行3種材料充填試驗(yàn)，測試3、7、28 d的強(qiáng)度，要求全膠結(jié)充填28 d的強(qiáng)度達(dá)到1 MPa以上，膠結(jié)鋪面28 d的強(qiáng)度達(dá)到2 MPa。

2 新型充填材料對比試驗(yàn)

2.1 充填取樣與試驗(yàn)樣品制備

地表取樣在攪拌桶出口，采用40 mm×40 mm×160 mm試模，在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，溫度為20±2℃，濕度大于90%，對不同齡期的試件進(jìn)行壓力測試。充填結(jié)束后，采場取樣隨機(jī)均勻布點(diǎn)，現(xiàn)場布置6 個(gè)取樣坑，每個(gè)坑尺寸:3.0 m × 1.0 m ×0.5 m。試樣經(jīng)解體在井下養(yǎng)護(hù)，到期樣品運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室加工至尺寸接近 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm 的小樣品［2］。壓力試驗(yàn)時(shí)按全尾砂膠結(jié)和鋪面膠結(jié)2種充填配比分別進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)樣品壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品制備完后，按照全膠結(jié)與膠結(jié)鋪面2種類型分開，同時(shí)對各個(gè)試驗(yàn)樣品進(jìn)行編號，按照編號后的樣品做力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，將樣品與強(qiáng)度對應(yīng)統(tǒng)計(jì)在樣品編號—強(qiáng)度散點(diǎn)圖上。

水泥、A廠家新型固化劑、B廠家新型固化劑試驗(yàn)分別選在M1、M2、M3采場，按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，分別得出3、7、28 d樣品編號-強(qiáng)度散點(diǎn)圖。通過散點(diǎn)圖可以統(tǒng)計(jì)出試驗(yàn)樣品的早期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度的波動(dòng)范圍與平均值。

2.3 3種材料試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)對比分析

水泥及A、B廠家的新型固化劑力學(xué)參數(shù)分別見表 1、表2、表3。

表1 水泥的力學(xué)參數(shù)

表2 A廠家固化劑的力學(xué)參數(shù)

表3 B廠家固化劑的力學(xué)參數(shù)

從表1可以看出，充填過程中，充填下料不均衡，料漿的濃度和充填體強(qiáng)度值均差異大，無論井口和井下取樣，其3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間很寬，但井口與井下充填體強(qiáng)度平均值相差不多。

從表2可以看出，充填濃度未達(dá)設(shè)計(jì)濃度，且波動(dòng)大。充填體強(qiáng)度值較高，差異也大。全膠結(jié)充填無論井口還是井下取樣，其3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度都在＞1 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度更是達(dá) 2 MPa，最高約為4 MPa。鋪面膠結(jié)充填無論井口還是井下取樣，其3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度幾乎都超過2 MPa，28 d井下充填體抗壓強(qiáng)度＞4 MPa，最高強(qiáng)度達(dá)5.5 MPa。

從表3可以看出，充填濃度達(dá)到設(shè)計(jì)濃度，且波動(dòng)不大;充填體強(qiáng)度值相對較高。全膠結(jié)充填體井口和井下樣品抗壓強(qiáng)度平均值差別較大:井下充填體3 d的抗壓強(qiáng)度接近1 MPa，7、28 d的充填體抗壓強(qiáng)度與3 d的差別不大。鋪面膠結(jié)充填體井口和井下樣品強(qiáng)度平均值差別不大。鋪面膠結(jié)充填除了井口3 d的強(qiáng)度低，其他強(qiáng)度都＞1 MPa，其28 d的抗壓強(qiáng)度都超過2 MPa。

3 結(jié)論

(1)A、B公司新型固化劑在相同成本條件下的強(qiáng)度性能都比現(xiàn)用的水泥好得多。這2種新型膠結(jié)充填材料充填礦柱，其充填體28 d的抗壓強(qiáng)度均大于1 MPa，其充填體強(qiáng)度提高至少40%。2種新型膠結(jié)充填材料充填礦房，鋪面、拉底層，其充填體28 d的抗壓強(qiáng)度均大于2 MPa，其充填體強(qiáng)度提高至少80%。特別是早強(qiáng)性能優(yōu)于現(xiàn)用水泥。

(2)應(yīng)用A公司膠結(jié)充填材料全膠結(jié)充填的推薦配比:充填料漿濃度為66% ～70%，則充填灰砂比預(yù)計(jì)可降至1∶12～1∶15;應(yīng)用A公司的新型膠結(jié)充填材料鋪面膠結(jié)充填的推薦配比:充填料漿濃度為68% ～70%，則充填灰砂比預(yù)計(jì)可降至1∶8～1∶10。應(yīng)用B公司全膠結(jié)充填的推薦配比:充填料漿濃度為68%，則充填灰砂比為1∶12;應(yīng)用B公司的固結(jié)劑鋪面膠結(jié)充填的推薦配比:充填料漿濃度為70%，則充填灰砂比為1∶6。

(3)應(yīng)用2種新型膠結(jié)充填材料，充填體的凝固時(shí)間縮短，由7 d降至3 d。

(4)A公司固化劑材料強(qiáng)度優(yōu)于B公司，且A、B公司固化劑材料強(qiáng)度都優(yōu)于水泥。

［1］解世俊.采礦手冊［J］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.