國(guó)內(nèi)外礦山流體充填技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展述評(píng)

趙 健

(鞍鋼礦山爆破公司， 遼寧 鞍山 114046)

1 前言

在20 世紀(jì)中期以前國(guó)內(nèi)外井下礦山多用干式充填，充填工藝本身局限了充填料不能結(jié)頂結(jié)幫，物料本身空隙率大充填體密度低，充填勞動(dòng)強(qiáng)度大生產(chǎn)率低成本高，不能適應(yīng)充填法采場(chǎng)和采空區(qū)大規(guī)模充填。

直到20世紀(jì)70年代國(guó)外礦山開(kāi)始大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用于充填法采礦，如澳大利亞，加拿大，瑞典，南非等。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)有色和黃金礦山僅有水沙充填采空區(qū)的先例，真正大規(guī)模用于充填法采礦是1979年冶金部引進(jìn)290臺(tái)柴油鏟運(yùn)機(jī)并在壽王墳銅礦召開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)之后，國(guó)內(nèi)礦山水力充填采礦法應(yīng)用廣度和深度有明顯發(fā)展，較突出的礦山有凡口鉛鋅礦，鳳凰山銅礦，紅透山銅礦，焦家，新城，三山島等金礦。到20世紀(jì)80年代初又引進(jìn)德國(guó)混凝土泵于金川二礦區(qū)實(shí)施了膏體混凝土充填，很快國(guó)內(nèi)混凝土泵也問(wèn)世并工業(yè)應(yīng)用[1-3]。

2 充填工藝進(jìn)步

2.1 分級(jí)尾砂充填

70年代引進(jìn)充填法時(shí)，國(guó)內(nèi)礦山普遍采用分級(jí)尾砂充填工藝。其核心技術(shù)是來(lái)砂以0.04mm做為分級(jí)界限進(jìn)行脫泥，沉砂經(jīng)攪拌桶或直接通過(guò)溜槽(加入其他物料)制漿后靠倍線(xiàn)或泵輸送，一般沉沙料漿輸送濃度40%～50%，尾砂利用率50%～60%，料漿進(jìn)入充填地點(diǎn)后需要顆粒沉降脫水，時(shí)間長(zhǎng)充填體強(qiáng)度低(當(dāng)時(shí)相關(guān)理論研究走向顆粒直徑，滲透速度，料漿濃度，充填體強(qiáng)度，塌落度等)，更主要的是多數(shù)礦山都提出沉砂量不足，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要問(wèn)題，具體情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)有色(黃金)礦山尾礦砂粒級(jí)組成

為此科研工作者進(jìn)一步研究，認(rèn)為臨界的影響滲透系數(shù)的粒級(jí)為0.02mm，所以70年代后期以0.02mm做為分級(jí)界限。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，該脫泥界限下的沉沙含量的確定，是指在滲透系數(shù)K10>5～7cm/h的前提下-0.02mm的含量，一般說(shuō)國(guó)內(nèi)礦山-0.02mm的含量?jī)H為10%～15%，所以分級(jí)界限的重新界定為沉砂利用率的提升打造了理論依據(jù)。

2.2 全尾砂充填

由于全尾砂充填尾砂利用率高所以很多礦山都致力于將分級(jí)尾砂充填改造成全尾砂充填并獲得成功，如凡口，紅透山，鳳凰山等礦。全尾砂充填核心技術(shù)是來(lái)砂不經(jīng)過(guò)脫泥分級(jí)，通過(guò)一定脫水手段制成干砂，再輸入攪拌筒加入其他物料重新攪拌制漿后靠倍線(xiàn)或泵送至充填地點(diǎn)。其進(jìn)步意義在于：尾砂利用率由50%～60%提高到80%～95%；減掉分級(jí)脫泥程序工藝過(guò)程更簡(jiǎn)化；制漿濃度由40%～50%提高到60%以上，料漿到充填地點(diǎn)后脫水量少充填體能很快達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并減少井下排水量。

2.3 分級(jí)尾砂充填向全尾砂充填進(jìn)步的工藝改造

以紅透山為例，該礦20世紀(jì)末委托東北大學(xué)設(shè)計(jì)并建成了新的充填系統(tǒng)，主要工程為井下充填硐室。室中自上而下分四層，第一層安裝旋流器組對(duì)尾砂進(jìn)行分級(jí)，第二層設(shè)兩座臥式砂倉(cāng)進(jìn)行砂漿沉淀脫水，脫水后的干砂用電耙爬入中間砂倉(cāng)(中間砂倉(cāng)位在第二與第三層之間)，砂倉(cāng)下口與螺旋給料機(jī)對(duì)接，給料機(jī)向其下部的高效攪拌槽供料。第三層為河砂儲(chǔ)砂倉(cāng)放砂口，放砂口下設(shè)運(yùn)輸皮帶，皮帶與攪拌槽上口對(duì)應(yīng)，第四層設(shè)高效攪拌槽，其下部與充填孔(原巖孔兩個(gè))上口對(duì)接。

該新建的砂倉(cāng)投產(chǎn)后尾砂漿經(jīng)旋流分級(jí)后進(jìn)入臥式倉(cāng)沉淀，與原拆除的分級(jí)系統(tǒng)只是多了兩個(gè)臥式倉(cāng)沉淀工藝，實(shí)質(zhì)還是分級(jí)尾砂，尾砂利用率并未提高充填料不足問(wèn)題并未緩解，礦山只好再次自行將其改造成全尾充填工藝，主要工作包括以下幾方面。

(1)取消旋流工藝。拆除旋流設(shè)施，在臥式倉(cāng)端部設(shè)一分量箱，全尾砂漿直接放入該分量箱內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)需要由其底部管路將砂漿放入臥式倉(cāng)內(nèi)沉淀脫水。又在來(lái)量管路入分量箱前加設(shè)一旁管，直接將一部分全尾砂漿放入中間倉(cāng)與臥式倉(cāng)爬運(yùn)的干砂混合后通過(guò)下部的皮帶輸送機(jī)進(jìn)入攪拌槽，即可替代部分充填料制漿水又可減輕臥式倉(cāng)脫水負(fù)荷。

(2)改造脫水窗。臥式砂倉(cāng)脫水是全尾砂充填成敗的關(guān)鍵。原砂倉(cāng)脫水是通過(guò)其尾部脫水窗以滲透形式完成的，弊病是脫水編織物易被密實(shí)，失去脫水功能且易腐爛造成跑砂，而且脫水窗根部在電耙爬運(yùn)死角更換前需大量清理尾砂作業(yè)非常困難。脫水改造是將脫水窗全面積封閉后以明管溢流脫水，具體將原脫水窗全部用鐵板封閉，將原窗口安裝150mm鐵管，管外端裝橡膠堵，隨砂面逐漸抬高自下而上進(jìn)行封堵。

(3)取消旋流工藝后全尾充填尾砂利用率由原50%提高到90%以上，明管脫水效果好且無(wú)需經(jīng)常維護(hù)檢修。

2.4 關(guān)于尾砂自流輸送

尾砂自流輸送較泵送相比可以減少動(dòng)力消耗降低充填成本并提高充填濃度2%以上，所以應(yīng)盡量采用倍線(xiàn)輸送方式。倍線(xiàn)系數(shù)小漿體流速快，管路磨損快，管口余壓大不利于砂漿自溜影響充填質(zhì)量；倍線(xiàn)系數(shù)大砂漿流速慢管路磨損輕管口壓力小適于人工掌握有利于提高充填質(zhì)量，但流速低生產(chǎn)率低易堵管，我國(guó)礦山生產(chǎn)實(shí)踐證明倍線(xiàn)系數(shù)在2～6都可以用，紅透山礦認(rèn)為井下尾砂充填倍線(xiàn)系數(shù)在2.5～3.0最佳。該礦原充填系統(tǒng)倍線(xiàn)2.25，結(jié)果管口余壓大不能人工操作膠結(jié)地面強(qiáng)度低，后改變終端泵站位置倍線(xiàn)系數(shù)調(diào)至3.0運(yùn)行效果良好。

3 充填系統(tǒng)進(jìn)步

3.1 立式儲(chǔ)砂倉(cāng)

20世紀(jì)70年代初期我國(guó)首先在焦家金礦進(jìn)行立式砂倉(cāng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)并獲成功，其后很快在其他礦山推廣應(yīng)用。立式倉(cāng)底部為半球狀，國(guó)外多為錐狀其功能并無(wú)差別。立式倉(cāng)具有儲(chǔ)砂量大，操作簡(jiǎn)單，充填能力高勞動(dòng)生產(chǎn)率高充填成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是充填濃度不穩(wěn)定，不適于膠結(jié)充填，其造漿噴嘴經(jīng)常堵塞處理起來(lái)難度很大不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以?xún)H適于采空區(qū)充填需要，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有數(shù)家礦山已將立式倉(cāng)改為臥式倉(cāng)。

3.2 臥式儲(chǔ)砂倉(cāng)

臥式倉(cāng)用電耙子或抓斗出料，操作簡(jiǎn)單故障少，出砂系統(tǒng)與膠結(jié)料系統(tǒng)配合簡(jiǎn)單，可適于膠結(jié)充填，可連續(xù)作業(yè)，也可間斷作業(yè)，應(yīng)用范圍廣，對(duì)采空區(qū)、采礦場(chǎng)的膠結(jié)或非膠結(jié)充填等皆可適用。

3.3 無(wú)砂倉(cāng)充填系統(tǒng)

有的礦山不設(shè)儲(chǔ)砂倉(cāng)，也不設(shè)攪拌系統(tǒng)，選廠(chǎng)來(lái)砂旋流分級(jí)后進(jìn)入一個(gè)帶有坡度的溜槽，水泥制漿后排入溜槽在倍線(xiàn)輸送中自流混合，其優(yōu)缺點(diǎn)各異，適于充填量不大的礦山應(yīng)用。

3.4 水泥添加系統(tǒng)

有的礦山干灰制漿后加入攪拌桶與尾砂混合，適于充填規(guī)模大的礦山如凡口，多數(shù)礦山直接將干灰加入攪拌桶與尾砂混合，如紅透山，焦家，新城金礦等。干灰添加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并利于加大料漿濃度。

3.5 膠結(jié)充填配比

灰砂比和砂漿濃度是影響充填體強(qiáng)度的重要因素，相關(guān)資料見(jiàn)表2，表3。

表2 東北大學(xué)，紅透山礦資料

表3 國(guó)內(nèi)礦山調(diào)查資料

我國(guó)礦山經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為膠結(jié)充填料槳濃度應(yīng)在68%～72%，當(dāng)?shù)陀谶@一范圍值時(shí)水泥在料漿中沉降離析影響充填體強(qiáng)度而多數(shù)礦山都存在這一弊病，生產(chǎn)實(shí)踐的迫切需要推動(dòng)了高濃度充填技術(shù)的問(wèn)世，帶來(lái)了國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展。

4 全尾砂膏體充填

全尾砂膏體充填是當(dāng)代流體充填技術(shù)的頂峰，對(duì)提高尾砂利用率、提高充填濃度和充填體強(qiáng)度、減少井下排水量改善作業(yè)環(huán)境、免除溢流尾砂筑壩占地污染環(huán)境等有突出效果，該技術(shù)20世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)外礦山開(kāi)始應(yīng)用，如德國(guó)，英國(guó)，奧地利，南非等，到20世紀(jì)80年代我國(guó)金川公司引進(jìn)德國(guó)混凝土泵最先開(kāi)始應(yīng)用膏體混凝土充填技術(shù)，之后不久國(guó)產(chǎn)混凝土泵技術(shù)在河西金礦等也開(kāi)始應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)泵的投入為我國(guó)膏體充填技術(shù)快速發(fā)展提供了可靠保證。膏體混凝土充填工藝復(fù)雜、成本高僅適用于稀貴金屬礦山應(yīng)用。

膏體充填全尾砂因粒級(jí)超細(xì)滲透性差難于脫水，所以需要在進(jìn)入攪拌系統(tǒng)前事先在地面壓濾脫水后攪拌成膏體再輸送到采礦場(chǎng)。其地面處理主要程序：先用高效濃密機(jī)濃縮到底流濃度45%～50%后再泵入壓濾機(jī)壓濾，壓濾后含水率20%左右，然后混合進(jìn)水泥碎石等物料連續(xù)強(qiáng)力攪拌后即可輸入井下。

4.1 泵送全尾砂膏體充填

膏體全尾砂攪拌過(guò)程可以根據(jù)需要添加水泥，碎石，爐渣等物后用混凝土泵輸送，如湖北鋁礦用國(guó)產(chǎn)混凝土泵輸送赤泥成功，金川二礦區(qū)用德國(guó)泵輸送碎石混凝土等成功。

混凝土輸送成功的核心設(shè)備在于混凝土泵和攪拌機(jī)，泵最先問(wèn)世的是德國(guó)PM公司生產(chǎn)的 KOS型，之后不久國(guó)內(nèi)夾江生產(chǎn)的混凝土泵問(wèn)世并在生產(chǎn)實(shí)踐中使用效果良好，攪拌機(jī)一般說(shuō)與泵是配套設(shè)備由同一廠(chǎng)家提供。

4.2 自流輸送全尾砂膏體充填

膏體全尾砂自流輸送較泵送又前進(jìn)一大步，其核心技術(shù)是將攪拌均勻的膏體全尾砂通過(guò)高速攪拌的活化器將充填材料制成觸變流體后進(jìn)入管路實(shí)施倍線(xiàn)自流輸送。該技術(shù)最先在國(guó)外獨(dú)聯(lián)體阿吉塞鉛鋅礦應(yīng)用，我國(guó)凡口鉛鋅礦也在20世紀(jì)建成了全尾砂膏體充填自流輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心技術(shù)是攪拌機(jī)系統(tǒng)用兩臺(tái)臥式雙軸葉槳式攪拌機(jī)高速攪拌膏體全尾砂后，將其輸入活化器再高速(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)1 470～1 480r/min)攪拌后輸入管路進(jìn)行倍線(xiàn)自流輸送。由于膏體全尾砂經(jīng)過(guò)活化器攪拌后已形成觸變流體，本身具有較好的自流功能在倍線(xiàn)輸送過(guò)程具有較好的流動(dòng)性，所以在倍線(xiàn)關(guān)系合理前提下可順利到達(dá)采場(chǎng)，其進(jìn)入采場(chǎng)靜止后形成膏狀充填體，這一過(guò)程不發(fā)生排水現(xiàn)象所以該技術(shù)雖然屬于流體充填但井下不用排水。應(yīng)該注意的是，膏體流體輸送過(guò)程與尾砂流體輸送過(guò)程比濃度相差甚大，故在倍線(xiàn)關(guān)系上應(yīng)充分考慮盡量選取偏小值為宜，以不超過(guò)3.0為好。

5 廢石尾砂膠結(jié)充填

5.1 國(guó)外

蘇聯(lián)一些礦山采用塊石(廢石)膠結(jié)充填實(shí)例較多，如捷格加爾斯克銅礦空?qǐng)龇▋刹襟E采礦，一步驟礦房的空區(qū)事后實(shí)施尾砂塊石膠結(jié)充填，先將空區(qū)充入碎石再用壓力0.5～0.6MPa的壓力泵壓入水泥砂漿，測(cè)定充填體抗壓強(qiáng)度2.4～2.6MPa，充填成本較相同強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填降低50%。

澳大利亞芒特艾莎礦采用廢石尾砂膠結(jié)充填在工藝上有較大改進(jìn)，充填方法速度快，方法簡(jiǎn)單易行效果良好，與尾砂膠結(jié)充填比較充填體抗壓強(qiáng)度由0.81MPa 提高到 2.0MPa，峰值處的彈性模量由15MPa提高到280MPa，效果良好已廣泛應(yīng)用。

5.2 國(guó)內(nèi)

中色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)公司兩步驟采礦，一步礦房用淺孔留礦法，二步礦房用階段礦房法中深孔崩礦。一步礦房采空區(qū)事后尾砂廢石膠結(jié)充填，二步礦房在其側(cè)翼實(shí)施中深孔崩礦，一次最大一段藥量2.0t，側(cè)翼最大暴露面積1 600m2，要求自立時(shí)間20～30d，保證二步礦房中深孔崩礦不發(fā)生充填體坍塌。

具體操作：礦山用7m3梭式礦車(chē)將井下廢石通過(guò)地井卸載至一步礦房空區(qū)(地井系一步礦房上采至最后層面用淺孔挑井形成)，廢石運(yùn)輸卸載作業(yè)連續(xù)進(jìn)行，與此同時(shí)尾砂水泥砂漿也通過(guò)管路向空區(qū)充填，兩項(xiàng)作業(yè)平行運(yùn)行，砂漿充填與廢石卸載基本同時(shí)結(jié)束。

效果：20d后充填體側(cè)翼采樣抗壓強(qiáng)度值2.0～2.5MPa，彈性摸量最大值250MPa，爆破后電耙道對(duì)應(yīng)部位觀(guān)測(cè)礦石中無(wú)尾砂可見(jiàn)，在二步礦房小分段鑿巖巷道中用礦燈照射并攝影，結(jié)果表明充填體無(wú)坍塌現(xiàn)象，自立性良好。

5.3 紅透山礦充填體自立

廢石與尾砂水泥砂漿同時(shí)充填平行作業(yè)，由于廢石卸載過(guò)程在重力作用下高速下落產(chǎn)生勢(shì)能，落到與廢石堆接觸瞬間多余能量立即轉(zhuǎn)換成動(dòng)能將廢石向四周拋散擴(kuò)大面積，同時(shí)砂漿很快進(jìn)行填充，由于廢石塊度大小不一，彼此間相互鑲嵌，擠壓，咬合摩擦系數(shù)極高，在砂漿黏結(jié)力作用下可形成整體性良好的充填體框架，充填體側(cè)翼自立性能主要取決于該充填體框架穩(wěn)定能力，所以塊石膠結(jié)充填有利于充填體自立性能提高。

充填體強(qiáng)度檢測(cè)：對(duì)一期礦房空區(qū)充填體側(cè)翼檢測(cè)采樣，只有在二期礦房中深孔爆破后由鑿巖平巷進(jìn)入采場(chǎng)在礦堆上進(jìn)行，屬于違章作業(yè)，而且用單向抗壓強(qiáng)度指標(biāo)做為研判充填體側(cè)翼暴露面的穩(wěn)定性做法值得商榷，因?yàn)槌涮铙w側(cè)翼坍塌片落不是下向應(yīng)力造成的而是在側(cè)翼爆破振動(dòng)作用下發(fā)生的剪切破壞，所以用抗壓強(qiáng)度或彈性模量檢測(cè)都不太合適。

6 廢石膠結(jié)充填體自立性研判手段進(jìn)步

6.1 加拿大基德克里克礦計(jì)算式

該礦采空區(qū)采用塊石膠結(jié)充填，充填體暴露高120m，寬70m ，充填體自立產(chǎn)生的壓強(qiáng)2.8MPa爆破振動(dòng)影響取安全系數(shù)2.5，設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度7.0MPa，實(shí)踐總結(jié)的計(jì)算式為

σ0=0.01Hγ(A0/A1)

(1)

σmin=Kσ0

(2)

式中：σmin——設(shè)計(jì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

σ0——充填體內(nèi)的壓強(qiáng),MPa；

H——充填體高度,m；

γ——充填體容重,t/m3;

A0——礦房+礦柱總面積,m2;

A1——礦柱面積,m2；

K——爆破影響動(dòng)載荷系數(shù) 一般取2.0。

式(1)和式(2)適于充填體暴露高度大、面積大條件下。

6.2 安慶銅礦計(jì)算式

該礦采礦方法大直徑深孔崩礦，充填體暴露高度120m，經(jīng)彈性有限元采場(chǎng)穩(wěn)定性，綜合有限元分析與檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算公式為

(3)

式中：γ——膠結(jié)充填體容重，t/m3；

H——膠結(jié)充填體最大自立高度,m；

L——膠結(jié)充填體長(zhǎng)度，m；

B——膠結(jié)充填體寬度，m；

φ——膠結(jié)充填體內(nèi)摩擦角。

該礦用上式計(jì)算得出充填體自立單向強(qiáng)度為1.56MPa，實(shí)質(zhì)是兩步礦房上覆巖層壓力由一步空區(qū)充填體承擔(dān)條件下的經(jīng)驗(yàn)式。

6.3 紅透山礦廢石全尾砂膠結(jié)充填體自立單向抗剪破壞強(qiáng)度計(jì)算

該礦山認(rèn)為一期礦房空區(qū)事后充填體坍塌片落屬于剪切破壞，應(yīng)該計(jì)算其剪切破壞應(yīng)力并做為充填體自立依據(jù)：

(4)

式中：τ——水平剪切應(yīng)力，MPa;

γ——充填體容重，t/m3;

H——充填體自立高度，m;

φ——充填體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)充填體養(yǎng)生30天等于44.5°，當(dāng)充填體養(yǎng)生20天等于35°，當(dāng)充填體養(yǎng)生10天等于25°。

實(shí)例計(jì)算：

式(4)用剪切應(yīng)力計(jì)算充填體片落坍塌，前提是針對(duì)充填體自身應(yīng)力并未考慮復(fù)巖應(yīng)力，用于計(jì)算局部片落坍塌較合適。

7 結(jié)論

干式充填的弊病推進(jìn)了流體充填技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)20世紀(jì)中期引進(jìn)流體充填技術(shù)以來(lái)跨上了四個(gè)臺(tái)階：一是由分級(jí)尾砂充填向全尾砂充填的跨越，其工程改造的核心技術(shù)是臥式沙倉(cāng)明管脫水；二是充填系統(tǒng)的進(jìn)步，明顯地表現(xiàn)于臥式沙倉(cāng)及水泥干灰添加技術(shù)應(yīng)用極大地提高了膠結(jié)充填體強(qiáng)度；三是膏體充填技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，突出表現(xiàn)于國(guó)產(chǎn)混凝土泵問(wèn)世與膏狀流體自溜輸送技術(shù)的發(fā)展；四是全尾砂塊石膠結(jié)充填體穩(wěn)定性和側(cè)翼自立性能的判定方法手段與理論的進(jìn)步。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)我國(guó)流體充填技術(shù)從零開(kāi)始快速發(fā)展現(xiàn)已躋身于世界先進(jìn)行列，下一步的艱巨任務(wù)是廢石膠結(jié)充填流體自溜輸送技術(shù)的攻關(guān)研制。