泡沫砂漿新材料充填技術(shù)工藝研究及應(yīng)用

田志剛，向 軍

(凡口鉛鋅礦， 廣東韶關(guān)市 512325)

采用傳統(tǒng)的膠結(jié)充填采礦法的地下開采礦山，普遍存在著充填成本過高、充填接頂效果差、充填料漿濃度低、脫水困難、易灰砂分離、強度上升慢且分布不均勻等問題。尋求一種低成本、具有良好充填流體特性的新材料，成為創(chuàng)新和發(fā)展傳統(tǒng)充填技術(shù)的關(guān)鍵。2009年3月，凡口鉛鋅礦與廣州大學合作，對高性能泡沫砂漿這種新材料應(yīng)用于礦山充填進行了研究和試驗。試驗分3個階段，分別為室內(nèi)試驗、工業(yè)試驗、工業(yè)擴大化生產(chǎn)試驗。2010年2月，該試驗取得了圓滿成功。通過試驗，研究了高性能泡沫砂漿的各種充填特性，建立了一套泡沫砂漿的充填工藝系統(tǒng)。

1 高性能泡沫砂漿充填技術(shù)簡介

高性能泡沫砂漿充填技術(shù)是一種用膠凝材料(主要指水泥)、骨料(主要指分級尾砂、全尾砂、棒磨砂、河沙等)、水、預先制備的高性能細密泡沫群，按照一定的比例均勻混合，并經(jīng)物理化學反應(yīng)最終凝固硬化成一種輕質(zhì)膠凝充填體的工業(yè)實用技術(shù)。

高性能泡沫砂漿充填技術(shù)具有以下特點:

(1)高性能泡沫砂漿輕質(zhì)、流動性好、流動穩(wěn)定、管道摩擦小;

(2)高性能泡沫砂漿結(jié)實率高(達到95%以上)，有利于提高充填效率，同時解決了充填采場脫水難的問題;

(3)高性能泡沫砂漿水灰比低，有利于提高充填體的強度，同時避免了普通砂漿分層離析的現(xiàn)象，提高了充填體整體質(zhì)量;

(4)高性能泡沫砂漿結(jié)實率高，接頂充分，提高采礦的安全性，同時可預防大面積的地質(zhì)災(zāi)害;

(5)高性能泡沫砂漿具有膏體充填的濃度，但不需要泵送系統(tǒng)輸送，不但簡化了充填工藝，還達到節(jié)能的效果;

(6)通過混合高性能細密氣泡群，形成輕質(zhì)混凝土，有利于減少水泥、骨料的使用量，具有較好的經(jīng)濟、社會效益。

2 泡沫砂漿充填體特性研究

通過室內(nèi)試驗研究了泡沫砂漿充填體特性，研究內(nèi)容包括泡沫砂漿的抗壓強度、流動性、質(zhì)量濃度、灰砂比、骨料的選取及結(jié)實率。

2.1 抗壓強度試驗

礦山對于膠結(jié)充填體的抗壓強度各有不同的要求。凡口鉛鋅礦對礦房充填體的抗壓強度要求為R7≥1.5 MPa、R28≥3.0 MPa，泡沫砂漿的質(zhì)量濃度、灰砂比、骨料主要圍繞這一要求通過室內(nèi)配比試驗進行選取。凡口鉛鋅礦的礦房充填骨料主要有分級尾砂(粒徑+19 μm含量80%以上)、03尾砂(全尾砂分級后的細粒尾砂，粒徑80%以上－19 μm)、混合砂(分級尾砂與03尾砂按2∶1質(zhì)量比混合)、棒磨砂(粒徑－3 mm)。對分級尾砂、03尾砂、混合砂、棒磨砂分別進行了添加泡沫和不添加泡沫的配比試驗。

試驗結(jié)果表明，03尾砂和混合砂因細粒級骨料含量多，砂漿質(zhì)量濃度無法提高，灰砂比≤1∶3的泡沫砂漿抗壓強度基本上滿足不了凡口鉛鋅礦的礦房充填體強度要求，若采用高灰砂比，該充填技術(shù)的經(jīng)濟性下降。分級尾砂泡沫砂漿在灰砂比≥1∶4，質(zhì)量濃度≥74%，泡沫含量≤20%的情況下，基本上可以滿足凡口鉛鋅礦礦房充填體強度要求，部分試驗結(jié)果見表1。棒磨砂砂漿因其質(zhì)量濃度可以很高，其抗壓強度值可輕易滿足凡口礦的礦房充填體強度要求，試驗結(jié)果見表2。

2.2 流動性試驗

表1 分級尾砂泡沫砂漿強度試驗結(jié)果

表2 棒磨砂泡沫砂漿強度試驗結(jié)果

通過流值的測試來評價泡沫砂漿的管道輸送性能。這項實驗獲得1341項數(shù)據(jù)，測試了不同灰砂比、不同濃度、不同氣泡率及不同砂類的流動性變化規(guī)律。且灰砂比為1∶4，不同濃度、不同氣泡率條件下分級尾砂充填料漿的流值測定結(jié)果見表3。

表3 灰砂比為1∶4的分級尾砂流值/單位:mm

試驗數(shù)據(jù)表明，濃度越高，流值越低;氣泡率越高，流值越低;用砂的粒級越細，流值越低。當分級尾砂漿濃度小于78%，充填倍線小于6倍，高性能泡沫砂漿能滿足充填自流輸送的要求。

2.3 結(jié)實率試驗

結(jié)實率試驗的主要目的是考察泡沫砂漿在應(yīng)用于充填接頂時的效果以及進行水泥消耗的經(jīng)濟評價。

表4 室內(nèi)結(jié)實率試驗成果

表4的試驗結(jié)果表明，在灰砂比和質(zhì)量濃度相同的情況下，20%氣泡率泡沫砂漿的結(jié)實率較普通砂漿結(jié)實率高10% ～20%，當質(zhì)量濃度大于75%時，泡沫砂漿結(jié)實率普遍在95%以上。

2.4 礦房膠結(jié)充填的參數(shù)

通過室內(nèi)實驗，在骨料選取上，03尾砂和混合砂砂漿因抗壓強度值不合要求，不宜選用。棒磨砂因骨料生產(chǎn)成本高，在凡口鉛鋅礦僅用于膠面、首層、假巷等高標號充填，且大量使用棒磨砂不利于綜合回收利用尾砂，因此不選取棒磨砂作為礦房充填骨料，選用分級尾砂做泡沫砂漿應(yīng)用于礦房充填的骨料。

確定了分級尾砂作為砂漿骨料后，按照泡沫體積含有率為20% ～30%，質(zhì)量濃度≥74%，灰砂比為(1∶3.5)～(1∶4)的技術(shù)參數(shù)進行工業(yè)充填試驗。

3 泡沫砂漿充填設(shè)備及工藝

3.1 發(fā)泡混合裝置

發(fā)泡混合裝置為新開發(fā)的專用設(shè)備，該設(shè)備采用進口伺服電機，實現(xiàn)了發(fā)泡系統(tǒng)氣、液路電動針閥開度及氣、液路流量的自動控制與調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了氣泡質(zhì)量和流量的自動化控制，可根據(jù)充填料漿的流量實時調(diào)整泡沫流量，確保高性能泡沫砂漿氣泡含有率的準確;同時該設(shè)備配備混合裝置，能將泡沫與砂漿充分混合均勻。發(fā)泡混合裝置的功能及其組成見圖1。

圖1 發(fā)泡混合裝置的功能及組成

3.2 砂漿制備系統(tǒng)

砂漿制備系統(tǒng)選在凡口鉛鋅礦的攪拌樓轉(zhuǎn)產(chǎn)充填系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動化程度高，具有如下特點:

(1)分級尾砂供料通過帶PID自動調(diào)節(jié)的電子稱重皮帶秤進行自動控制與調(diào)節(jié);

(2)水泥供料通過水泥螺旋給料機進行自動控制與調(diào)節(jié);

(3)砂漿用水通過水流量計進行精確控制。

通過對砂、水泥、水的精確供料，實現(xiàn)了尾砂砂漿灰砂比、濃度及流量的穩(wěn)定控制。

高性能泡沫砂漿充填工藝流程如圖2所示。

4 工業(yè)充填試驗

泡沫砂漿在凡口鉛鋅礦的現(xiàn)場工業(yè)充填試驗按照時間分為2個階段。第1階段為2009年6月～2009年9月，計劃充填量為3000 m3，實際充填量為3100 m3。本試驗階段因充填系統(tǒng)的供料未實現(xiàn)自動化，砂漿濃度僅能達到72% ～73%;合作研發(fā)的發(fā)泡設(shè)備工況較差，泡沫的穩(wěn)定性較差，且發(fā)泡混合裝置未能實現(xiàn)氣泡流量的實時自動控制，造成泡沫砂漿的質(zhì)量較差且不穩(wěn)定，在充填過程中泡沫砂漿的輸送不穩(wěn)定，流量不穩(wěn)定，采場現(xiàn)場漂浮較多泡沫，即泡沫變大或消泡現(xiàn)象嚴重。此階段采用的灰砂比為(1∶4.5)～(1∶5)，采場充填體7 d抗壓強度平均約為0.7 MPa，28 d抗壓強度平均約為1.1 MPa，不能滿足凡口礦礦房采場充填強度質(zhì)量標準。

圖2 高性能泡沫砂漿充填工藝流程

第一階段充填試驗結(jié)束后，經(jīng)過認真分析、總結(jié)，該技術(shù)工藝的應(yīng)用主要存在以下問題:

(1)要生產(chǎn)出更加細密穩(wěn)定高質(zhì)量的氣泡，防止混合及輸送過程中消泡，因此必須改良發(fā)泡劑的配方，增加其中的穩(wěn)泡成分;

(2)由于水對高性能泡沫砂漿的質(zhì)量影響很大，必須先制備高濃度的水泥砂漿，才能制備出高質(zhì)量的高性能泡沫砂漿，因此必須對制備站計量系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)進行改造;

(3)對發(fā)泡混合設(shè)備的電控系統(tǒng)進行改造，根據(jù)砂漿流量的變化對細密泡沫的流量進行實時自動控制，確保泡沫含有率的準確。

經(jīng)過設(shè)備、工藝的改造及發(fā)泡劑配方改良，第2階段工業(yè)試驗于2009年11月開始，2010年2月結(jié)束，計劃充填量為5000 m3，實際充填量為6700 m3。本試驗階段實現(xiàn)了分級尾砂、水泥、水、泡沫的供給量的實時精確控制，砂漿濃度能穩(wěn)定在75%以上，灰砂比為(1∶3.5)～(1∶4)，采場充填體7 d抗壓強度平均約為1.4 MPa，28 d抗壓強度平均約為2.5 MPa，基本能滿足凡口礦的礦房充填體強度要求。充填效果良好，充填輸送流量穩(wěn)定，充填管口出料聲音小，管口擺動很小，采場泡沫砂漿濕密度和地表泡沫砂漿濕密度基本一致，基本上沒有消泡現(xiàn)象，泡沫砂漿的體積濃度達到了膏體充填料漿的濃度狀況，沒有氣泡分離上浮現(xiàn)象。

按充填類型分別進行了礦房膠結(jié)充填和底柱接頂充填，在進行接頂充填時，效果良好，接頂率達到95%以上，高性能泡沫砂漿結(jié)實后收縮極小。

工業(yè)充填試驗第二階段主要采場泡沫砂漿充填的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見表5。

表5 采場泡沫砂漿充填的技術(shù)數(shù)據(jù)

5 高性能泡沫砂漿充填適用條件研究

通過泡沫砂漿室內(nèi)配比試驗和采場工業(yè)充填試驗，可以得知，要達到比較理想的充填效果，滿足礦山井下采礦的充填體強度和接頂率要求，使用泡沫砂漿進行充填時，在技術(shù)標準上需滿足以下幾個條件。

(1)泡沫砂漿質(zhì)量濃度盡可能達到74%以上。高濃度泡沫砂漿與低濃度泡沫砂漿相比，充填體強度會顯著提高;泡沫在高濃度砂漿中混合得更均勻，更不易逸出，不會產(chǎn)生刨沫上浮和消泡現(xiàn)象;高濃度充填，充填過程更穩(wěn)定，充填管口不會較幅度擺動。

(2)當泡沫砂漿質(zhì)量濃度≥74%，灰砂比≥1∶4時，泡沫含有率需控制在20% ～30%之間。

(3)泡沫砂漿盡量做到滿管充填。在非滿管充填時，會有大量空氣進入充填管，在充填管內(nèi)泡沫砂漿產(chǎn)生二次發(fā)泡，增大砂漿泡沫含有率，降低充填體強度。

(4)采場充填前的試管水和充填結(jié)束后的洗管水不能直接排在采場內(nèi)存積，必須在充填管上連接三通，將水排到脫水井里，否則將有可能造成泡沫上浮和消泡現(xiàn)象，影響泡沫砂漿充填效果。

(5)在冬季低溫條件下充填時，由于發(fā)泡劑是一種混合物、會結(jié)晶離析，影響發(fā)泡質(zhì)量，需將發(fā)泡設(shè)備放入一恒溫房內(nèi)，溫度控制在20℃以上。

6 泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝、技術(shù)經(jīng)濟比較

泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝比較見表6。

表6 泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝比較

從目前技術(shù)上講，在膠結(jié)充填中，泡沫砂漿比較適合礦房充填，故經(jīng)濟比較以礦房充填參數(shù)進行比較。

假定機械、能耗和人工成本相等，以主要材料的采購成本作為主要比較指標，而主要材料的采購價按以下標準計算:水泥單價0.41元/kg;發(fā)泡劑單價40元/kg;分級尾砂單價15元/t。在強度基本相等的前提下，兩種充填體的經(jīng)濟比較見表7。

由表7可知，采用泡沫砂漿充填，單位成本可節(jié)約大約17.71元。

表7 泡沫砂漿與普通砂漿充填的經(jīng)濟性比較

7 結(jié)論

(1)在凡口鉛鋅礦，泡沫砂漿充填目前只應(yīng)用在礦房充填和接頂充填。在礦房充填中，泡沫砂漿用于VCR大爆破空場的充填優(yōu)點更為明顯。眾所周知，大爆破空場因為充填排水條件惡劣，充填料長時間浸泡在水中，極大地影響了充填體的強度。而泡沫砂漿充填過程中沒有明水排出，只有少量砂漿滲出水，有利于水泥的水化作用，充填體的強度能得到較快增長。在礦房底柱接頂充填中，因泡沫砂漿的接頂率高，在回采間柱底柱時，頂板充填體就不會連成一片，減少了頂板充填體大面積冒落的可能性，極大地提高了間柱底柱回采時的安全性。

(2)對充填體強度要求較低的間柱采場，泡沫砂漿也可大量應(yīng)用。這樣可以減小充填過程中水患影響，也可大大減少充填骨料的使用量。特別是在礦山生產(chǎn)后期，隨著掘進廢石的急劇減少，礦山充填骨料會大量短缺，泡沫砂漿充填減少充填骨料的優(yōu)點將更加明顯。凡口鉛鋅礦下一步將對另外一個充填系統(tǒng)進行設(shè)備改造，以便建立一個用于間柱開采的泡沫砂漿充填系統(tǒng)。

(3)高性能泡沫砂漿充填系統(tǒng)相當于一個簡化的膏體泵送充填系統(tǒng)，因其高質(zhì)量、低能耗、低成本、高安全性，將會在礦山充填中得到推廣應(yīng)用。

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