泡沫砂漿充填技術(shù)在金川礦山的應用研究

（金川集團股份有限公司三礦區(qū)，甘肅 金昌 737100）

充填采礦法是地下礦山一種典型的采礦方法，對采空區(qū)的充填處理是保障井下作業(yè)安全、控制地表巖移的重要手段。下向膠結(jié)充填采礦方法在金川礦區(qū)使用已有四十多年的歷史，在完成“采富保貧”任務的同時，也形成了富有金川特色的膠結(jié)充填技術(shù)。但隨著金川礦區(qū)貧礦開采比例的增大和有色金屬價格的持續(xù)走低，膠結(jié)充填采礦法生產(chǎn)成本高的弊端一再呈現(xiàn)，成為制約金川礦區(qū)提升經(jīng)營效益的主要影響因素。探索應用高性能泡沫砂漿充填技術(shù)，降低充填成本成為金川礦區(qū)的充填技術(shù)應用研究的主要方向。

1 泡沫砂漿充填體的主要特征

泡沫砂漿充填是指將發(fā)泡劑和水泥基膠凝材料、充填骨料等按照一定的比例進行混合攪拌，并經(jīng)物理化學作用形成的一種新型充填材料[1]。泡沫砂漿充填技術(shù)具有流動性好，易于管道自流輸送；脫水少，成本較低等優(yōu)勢。通過室內(nèi)試驗和工業(yè)試驗研究了泡沫砂漿充填體的特性，其與金川膠結(jié)充填砂漿相結(jié)合的抗壓強度、流動性、質(zhì)量濃度等特征參數(shù)，是符合金川礦區(qū)趨于深井開采和低品位礦體開采的一種新型充填技術(shù)。

1.1 抗壓強度

金川礦山采用下向膠結(jié)充填采礦法，對膠結(jié)充填體的抗壓強度要求為R3≥1.5Mpa、R7≥2.5Mpa、R28≥5.0 Mpa，泡沫砂漿的質(zhì)量濃度、灰砂比、骨料級配主要圍繞這一要求進行室內(nèi)試驗選配。金川下向膠結(jié)自流充填工藝所用骨料主要為棒磨砂（粒徑-3mm）和河砂，膠結(jié)劑為一般硅酸鹽水泥。對棒磨砂、河砂分別進行添加泡沫配比試驗。

試驗表明，料漿的灰砂比大于1∶4、輸送質(zhì)量濃度在79%以上，泡沫含量小于25%的情況下，基本上可以滿足金川礦山以棒磨砂及河砂為主要骨料的充填體強度要求，棒磨砂為骨料的充填體 強度要高于河砂為骨料的充填體強度。部分試驗結(jié)果見表一。

1.2 管道輸送性能

為滿足金川礦山自流充填的要求，泡沫砂漿流值應該在180mm以上。圖1和圖2為棒磨砂和河砂在不同氣泡率下的流值關(guān)系曲線。

試驗表明，灰砂比越大，流值越大；濃度越高，流值越小；氣泡率越大，流值越小。當濃度達到83%時，流值小于170，說明其流動性較差，料漿不宜采取自流充填工藝。

1.3 接頂性能

充填料漿的接頂性能可以用固化效率表示。從生產(chǎn)料漿中取樣澆模，測定澆注濕密度（ρj）和拆模濕密度（ρc），根據(jù)公式η=ρj/ρc計算砂漿與泡沫砂漿固化效率。

表2的試驗數(shù)據(jù)表明，當實際氣泡率大于15%，實際砂漿濃度大于78%時，泡沫砂漿的收縮率基本穩(wěn)定，保持在2%以下，此時其充填接頂率明顯比砂漿充填高，達到97%以上。

2 工業(yè)充填試驗

泡沫砂漿充填在金川礦山的工業(yè)試驗分為三個階段，第一階段是地表工業(yè)試驗；第二階段為坑內(nèi)充填驗證性工業(yè)試驗；第三階段為工業(yè)應用階段。

第一階段地表工業(yè)試驗，對泡沫砂漿的可輸性進行了驗證；第二階段坑內(nèi)充填工業(yè)試驗，對泡沫制備添加、管道輸送、現(xiàn)場強度、流值進行了驗證。

圖1 棒磨砂氣泡率與流值關(guān)系曲線

圖2 河砂氣泡率與流值關(guān)系曲線

圖3 常規(guī)充填體取樣（左）、 氣泡自然砂膠結(jié)充填體取樣（右）

坑內(nèi)充填試驗先后五次進行了約2300m3泡沫砂漿的充填，包括打底、二次及接頂充填，充填體3天、7天平均強度為1.6 MPa、3.2 MPa，基本滿足生產(chǎn)需要。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和工業(yè)試驗，泡沫砂漿充填技術(shù)具有以下優(yōu)點：

表1 泡沫砂漿強度試驗結(jié)果

表2 砂漿與泡沫砂漿固化效率對比試驗取樣數(shù)據(jù)表

（1）水灰比明顯降低，用水量減少了三分之一以上，現(xiàn)場充填溢流水治理問題得到了明顯緩解；

（2）綜合成本明顯降低，由于充填體中有近三分之一的體積為空氣，因此砂、水泥及水的實際用量都大幅度降低，水泥和砂用量減少20%以上，水用量減少30%以上，每方充填體綜合成本減少10%以上，有效降低了了生產(chǎn)成本；

（3）流動性能好，致密而細小泡沫的潤滑作用大大提高了充填體的流動性，輸送過程不堵管，充填后能自流平，降低了管道磨損，有利于進路充填接頂；

（4）泡沫砂漿的強度高度依賴于膠結(jié)充填系統(tǒng)制漿能力，充填系統(tǒng)的自動控制水平和計量系統(tǒng)精細化程度直接影響泡沫砂漿質(zhì)量；

（5）泡沫制備添加裝置和添加工藝直接影響泡沫流量的控制，必須采取智能控制裝置，實現(xiàn)砂漿流量和泡沫流量的聯(lián)動控制，才能確保泡沫砂漿充填體質(zhì)量符合要求。

經(jīng)過對發(fā)泡劑、設(shè)備、工藝的改進后，在不改變原有砂漿自流充填工藝的基礎(chǔ)上，采取軟管導流管道加泡法，先后又進行了總量達10000m3泡沫砂漿充填?，F(xiàn)場充填體采樣數(shù)據(jù)表明，在灰砂比大于1∶4、砂漿質(zhì)量濃度不低于79%、泡沫含量不大于20%的情況下，泡沫砂漿充填體R3、R7和R28都滿足金川礦山充填體強度要求。在高落差、長距離管道輸送自流條件下，泡沫砂漿流動性好，凝固時間長，管道擺動幅度小，具有不易堵管、滿管、穩(wěn)定、連續(xù)輸送的特性[2]，符合金川深井礦山充填要求。

3 泡沫砂漿適用條件

通過對泡沫砂漿充填室內(nèi)試驗、工業(yè)試驗的研究，可以得知在一定的條件下，泡沫砂漿充填可以滿足金川礦山充填要求，在應用過程中應注意以下條件：

（1）泡沫砂漿的強度首先取決于砂漿強度，砂漿強度是基礎(chǔ)；其次取決于氣泡率[3]。對于河砂來說，按照1∶4灰砂比，79%濃度的配合比充填，其氣泡率不宜超過20%；對于棒磨砂來說，按照1∶4灰砂比，79%濃度的配合比充填，其氣泡率不宜超過25%；打底充填時，氣泡率不宜超過15%。

（2）泡沫砂漿因?qū)ν饧铀浅Ｃ舾?，外加水會造成氣泡離析，因此在充填準備前應對進路內(nèi)的積水徹底排空，且在充填過程中應采取技術(shù)措施防止洗管水進入采場充填進路而降低充填體強度。

（3）泡沫砂漿對三期進路進行充填更有利于其優(yōu)點體現(xiàn)。泡沫砂漿初凝時間較長，初期強度低，在開采其相鄰進路時，爆破震動、無軌設(shè)備鏟運礦石會導致泡沫砂漿充填體松動垮落，破壞充填體的整體性，造成礦石貧化。

表3 泡沫砂漿充填體強度檢測數(shù)據(jù)表

4 泡沫砂漿與普通砂漿經(jīng)濟性比較

對于泡沫砂漿充填與普通砂漿充填，如不考慮人工成本，只計算材料成本，則不摻減水劑的泡沫砂漿單位成本可節(jié)約40.37元左右，添加減水劑的泡沫砂漿單位成本可節(jié)約22.67元左右（按照水泥270元/噸計算），對于大型礦山而言，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)語

（1）泡沫砂漿充填技術(shù)在金川三礦區(qū)進行了應用，泡沫砂漿流動性、泡沫砂漿充填體強度滿足金川礦山下向膠結(jié)充填采礦法自流充填及其抗壓強度的要求。

（2）泡沫砂漿相對普通砂漿具有流動性更好、更輕質(zhì)、收縮率更小的特性，更利于自流輸送和進路充填接頂。

（3）泡沫砂漿充填因其成本低、在高落差長距離管道自流輸送情況下砂漿流速、流量穩(wěn)定，可連續(xù)、滿管、穩(wěn)定輸送等特性，在金川礦山下向膠結(jié)充填采礦中應用泡沫充填技術(shù)是可行的，對于金川礦山低成本回采貧礦資源具有重要實踐價值。