低溫陶瓷膠凝材料在大紅山深部充填采礦中的應(yīng)用

胡 遠(yuǎn)，周富成

(昆鋼大紅山鐵礦， 云南玉溪市 653405)

低溫陶瓷膠凝材料在大紅山深部充填采礦中的應(yīng)用

胡 遠(yuǎn)，周富成

(昆鋼大紅山鐵礦， 云南玉溪市 653405)

大紅山鐵礦深部Ⅰ號(hào)銅礦帶設(shè)計(jì)采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法開采，充填材料為廢石或分級(jí)尾砂。為降低分級(jí)尾砂膠結(jié)充填的成本及充填料漿脫水困難的問題，用低溫陶瓷膠凝材料進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)，并與水泥膠結(jié)尾砂充填作了對(duì)比。試驗(yàn)表明，在相同強(qiáng)度條件下，與水泥膠結(jié)充填相比，陶瓷膠凝材料尾砂充填可降低充填成本，并且可改善充填料漿的脫水效果。

上向分層充填采礦；分級(jí)尾砂膠結(jié)充填；低溫陶瓷膠凝材料；充填成本；脫水效果

1 大紅山鐵礦I號(hào)銅礦帶回采充填概況

大紅山鐵礦I號(hào)銅礦帶150萬t/a工程基建探礦后，礦體形態(tài)變得較為復(fù)雜，為適應(yīng)礦體的變化，提高資源利用率，保證I號(hào)銅礦帶開采引起的巖石移動(dòng)不影響上部露天開采的安全，經(jīng)分析比較后，確定采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法開采，階段高度100m，分段高度20m，分層高度4m，礦塊長(zhǎng)度50m，礦塊寬度為礦體水平厚度(多層礦體時(shí)為多層礦體加夾石厚度)，礦塊高度按一個(gè)分段高度劃分，相鄰礦塊間留4m寬間柱，礦塊內(nèi)按18m間距留6m ×6m點(diǎn)柱；采場(chǎng)溜井按300m間距設(shè)置，進(jìn)回風(fēng)上山按600m間距設(shè)置。

各分層回采結(jié)束后要及時(shí)充填，充填時(shí)先用廢石充填(有條件時(shí))，再用分級(jí)尾砂充填，最后采用水泥尾砂漿進(jìn)行充填，廢石＋尾砂充填的厚度和水泥尾砂漿充填厚度暫分別按3.4m和0.6m考慮，每一分層充填厚度4m(同分層高度)。對(duì)比類似礦山，充填料漿主要參數(shù)暫定如下:充填用尾砂分級(jí)時(shí)考慮將－19 μm粒徑尾砂含量控制在10%以下，充填用尾砂漿重量濃度為65%～70%，水泥尾砂漿重量濃度為68%～74%，膠結(jié)充填層灰砂比為1∶4。生產(chǎn)中充填料漿有關(guān)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整。

對(duì)下中段還沒有回采，而上中段要先回采的情況，考慮在先回采中段最下一個(gè)分層全部用1∶4灰砂比的水泥尾砂漿充填，并在其底板用Φ16mm鋼筋鋪設(shè)200mm×200mm的鋼筋網(wǎng)，以利于下中段最上分段的回采。

2 大紅山鐵礦深部Ⅰ號(hào)銅礦帶回采充填現(xiàn)狀

大紅山鐵礦深部Ⅰ號(hào)銅礦帶首采400m和500m中段，大部分盤區(qū)一分層膠結(jié)充填已經(jīng)結(jié)束，部分采空已進(jìn)入二分層廢石＋全尾砂＋表層膠結(jié)充填。由于大紅山鐵礦選礦廠尾砂顆粒較細(xì)，致使尾砂用于充填后滲透性不強(qiáng)、脫水性較差，灰砂比為1∶4的膠結(jié)充填中形成的充填體抗壓強(qiáng)度較低，無法滿足采場(chǎng)采運(yùn)要求。為此，現(xiàn)階段將初步設(shè)計(jì)中設(shè)定的0.6m膠結(jié)面層加厚至0.8～1.0m，PSA42.5水泥灰砂比控制在(1∶3)～(1∶3.5)左右。因而，導(dǎo)致水泥消耗量增大，膠結(jié)充填成本大幅度增加。

3 低溫陶瓷膠凝材料應(yīng)用試驗(yàn)

大紅山鐵礦在2011年下半年開展的“微細(xì)粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴(kuò)大性工業(yè)試驗(yàn)”中，驗(yàn)證了低溫陶瓷膠凝材料在固化微細(xì)粒鐵尾礦方面有較好的效果，能夠滿足井下充填工藝要求，通過測(cè)算，低溫陶瓷膠凝材料應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，可有效改善充填效果并節(jié)約充填成本。但是，由于與“微細(xì)粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴(kuò)大性工業(yè)試驗(yàn)”相比，尾礦情況與充填環(huán)境都發(fā)生了變化。因而有必要針對(duì)目前的尾砂及井下充填進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，并確定合理的配合比及低摻量。

本次試驗(yàn)選取4048，4050，4066，4060四個(gè)盤區(qū)作為本次工業(yè)試驗(yàn)的試驗(yàn)采場(chǎng)，4048，4050，4066三個(gè)盤區(qū)用作低溫陶瓷膠凝材料的試驗(yàn)，4048采場(chǎng)進(jìn)行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶6摻量膠結(jié)充填；4050采場(chǎng)進(jìn)行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶8摻量膠結(jié)充填；4066采場(chǎng)進(jìn)行1∶20低摻量膠結(jié)充填＋1∶6高摻量膠結(jié)充填。另外，4060采場(chǎng)用作PSA42.5水泥的試驗(yàn)，進(jìn)行廢石充填＋全尾砂充填＋1∶4摻量膠結(jié)充填。

完成采場(chǎng)充填后，分別對(duì)不同時(shí)間段的充填料進(jìn)行取樣，并對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。對(duì)脫水充填的含水率測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

4 效果分析

4.1 強(qiáng) 度

充填采場(chǎng)對(duì)膠結(jié)面層的充填體強(qiáng)度的要求為:3 d強(qiáng)度≥0.5 MPa，人可在充填體上行走、架設(shè)管道、鑿巖等不下陷；7 d強(qiáng)度≥1.5～2.0 MPa，裝載設(shè)備、裝礦車輛等重型設(shè)備可自由行走，不出現(xiàn)下陷及明顯路坑，不影響采場(chǎng)出礦。

就本次試驗(yàn)中，灰砂比為1∶4的42.5水泥5d強(qiáng)度為0.76 MPa，10 d強(qiáng)度為1.77 MPa，28 d強(qiáng)度為1.70 MPa；灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料3 d強(qiáng)度為0.64 MPa，7 d強(qiáng)度為1.49 MPa，10 d強(qiáng)度為1.79 MPa，14 d強(qiáng)度為2.24 MPa?；疑氨葹?∶4 的42.5水泥與灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料膠結(jié)充填的效果基本相同，低溫陶瓷膠凝材料的后期強(qiáng)度比水泥的要高。

4.2 脫水效果

以42.5水泥1∶4的充填效果作為對(duì)比，低溫陶瓷膠凝材料1∶6的摻量的固結(jié)效果與其不相上下。因此，結(jié)合42.5水泥之前在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用情況，若灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料在生產(chǎn)過程中使用，也能滿足充填工藝要求。

關(guān)于采場(chǎng)的脫水效果試驗(yàn)，之前的充填未開展相關(guān)的對(duì)比試驗(yàn)。4048采場(chǎng)便是第一個(gè)采用全尾砂進(jìn)行充填的二分層充填采場(chǎng)，但由于純尾礦漿的脫水速度慢，該采場(chǎng)經(jīng)過78 d的脫水后，在其上部仍不能自由走動(dòng)，說明純尾礦漿的脫水速度極慢，也充分的說明了純尾砂鋪底的充填方案脫水難度大、周期長(zhǎng)，不能滿足采場(chǎng)出礦的要求。另外，采用“廢石＋全尾砂充填＋膠結(jié)充填”的充填方案其上部的全尾砂充填的脫水時(shí)間仍然較長(zhǎng)，若工期緊張也仍然無法滿足生產(chǎn)需求；并且，由于用于充填的廢石是生產(chǎn)掘進(jìn)過程中的廢石，其產(chǎn)量難以滿足各個(gè)采場(chǎng)的充填要求，尾砂充填量仍然很大，若脫水難度大、周期長(zhǎng)，則勢(shì)必會(huì)影響采礦生產(chǎn)。

采用低溫陶瓷膠凝材料進(jìn)行低摻量的尾砂膠結(jié)充填，其脫水速度快、周期短，可在12 h內(nèi)把水濾干，并能達(dá)到一定的強(qiáng)度，滿足下一道工序施工。

表2 含水率測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 經(jīng)濟(jì)分析

本次試驗(yàn)的目的是在滿足工業(yè)應(yīng)用的前提下，盡可能的降低充填成本，為Ⅰ號(hào)銅礦帶的開發(fā)利用創(chuàng)造更好的效益。

4.3.1 面層充填的經(jīng)濟(jì)分析

達(dá)到相同效果的前提下，處理1 t尾砂的單價(jià)比較:

42.5水泥:450元/t÷4＝112.5元/t；

低溫陶瓷膠凝材料:500元/t÷6＝83.3元/t。

按照目前深部Ⅰ號(hào)銅礦帶的產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，其年充填量為66萬m3，尾砂量126萬t。若進(jìn)行除一分層以外且不含廢石充填，則:

面層充填量約為126萬t/a×(0.8m÷4m)＝25.2萬t/a；

采用42.5水泥進(jìn)行灰砂比為1∶4的面層膠結(jié)充填，其水泥成本為:

450元/t×(25.2萬t/a÷4)＝2835萬元/a；

采用低溫陶瓷膠凝材料進(jìn)行1∶6的面層膠結(jié)充填，其固化劑成本為:

500元/t×(25.2萬t/a÷6)＝2100萬元/a。

在取得相同充填效果的前提下，使用低溫陶瓷膠凝材料產(chǎn)生的費(fèi)用將比采用42.5水泥產(chǎn)生的費(fèi)用低。

4.3.2 底層充填的經(jīng)濟(jì)分析

目前，二分層的底層充填采用的純尾砂充填或者是廢石＋全尾砂充填方案，均難以滿足采礦要求，充填采場(chǎng)的脫水效果勢(shì)必要進(jìn)一步加強(qiáng)。在“微細(xì)粒鐵尾礦固化干堆及井下充填擴(kuò)大性工業(yè)試驗(yàn)”中，驗(yàn)證了灰砂比為1∶30低溫陶瓷膠凝材料在處理尾砂濃度為40%左右的尾礦漿時(shí)，其脫水效果仍十分理想，今后用于充填采場(chǎng)的底層時(shí)，若能將尾礦漿濃縮至50%左右的濃度，添加灰砂比為1∶30的低溫陶瓷膠凝材料將可滿足采場(chǎng)的脫水要求。此部分采用的固化劑成本為:500元/t×(126萬t/a－25.2 萬t/a)÷30＝1680萬元/a；噸處理成本為:500元/t÷ 30＝16.7元/t。

4.3.3 充填尾礦固結(jié)成本分析

采用“底層低摻量全尾砂膠結(jié)充填＋面層高摻量分級(jí)尾砂膠結(jié)充填”的方案，可基本滿足深部Ⅰ號(hào)銅礦帶的充填及采礦要求，并可有效解決脫水效果差、尾砂利用率不高、尾礦庫堆壩壓力大等問題。

充填尾礦的綜合固結(jié)成本:2100萬元/a＋1680萬元/a＝3780萬元/a；

噸尾礦綜合固結(jié)成本:3780萬元/a÷126萬t/a ＝30元/t；

換算成方量的單位成本:3780萬元/a÷66萬m3/a＝57.3元/m3。

5 結(jié) 語

(1)本次工業(yè)試驗(yàn)的目的是:驗(yàn)證灰砂比為1∶6的低溫陶瓷膠凝材料是否能取得灰砂比為1∶4的42.5水泥的充填效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的充填體抗壓強(qiáng)度基本相同。

(2)將低溫陶瓷膠凝材料用作充填料，在與42.5水泥同等效果的前提下，其產(chǎn)生的費(fèi)用將比42. 5水泥的低，能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)針對(duì)低溫陶瓷膠凝材料良好的脫水效果，需要進(jìn)一步驗(yàn)證其在尾砂粒度分布、尾礦漿濃度等因素發(fā)生變化后的實(shí)際使用情況，若能夠進(jìn)行低膠凝劑摻量的低濃度全尾砂膠結(jié)充填，則將對(duì)充填制備站造漿、尾礦庫堆壩等帶來巨大影響。

[1]郭 雄，喬 偉，羅 聘.盤區(qū)上向水平分層充填法在謙比西銅礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2011，11(2).

[2]雷小林.上向水平分層干式充填法在三臺(tái)山金礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)2012(5).

[3]彭士群，王洪武.進(jìn)路充填技術(shù)討論[J].中國礦山工程，2004，6(3):31-33.

[4]樊明玉，閆順玲，張精明.盤區(qū)點(diǎn)柱式分層尾砂充填法的構(gòu)想[J].采礦技術(shù)，2002(3):33-34.

2014-02-17)

胡 遠(yuǎn)(1986－)，男，注冊(cè)安全工程師，采礦助理工程師，主要從事礦山采礦技術(shù)生產(chǎn)管理，Email:303322491 ＠qq.com。