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(kāi)采礦山，普遍存在著充填成本過(guò)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(qiáng)度上升慢且分布不均勻等問(wèn)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(xué)合作，對(duì)高性能泡沫砂漿這種新材料應(yīng)用于礦山充填進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。試驗(yàn)分3個(gè)階段，分別為室內(nèi)試驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)、工業(yè)擴(kuò)大化生產(chǎn)試驗(yàn)。2010年2月，該試驗(yàn)取得了圓滿成功。通過(guò)試驗(yàn)，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(jiǎn)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(jí)尾砂、全尾砂、棒磨砂、河沙等)、水、預(yù)先制備的高性能細(xì)密泡沫群，按照一定的比例均勻混合，并經(jīng)物理化學(xué)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(shí)用技術(shù)。

高性能泡沫砂漿充填技術(shù)具有以下特點(diǎn):

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

(2)高性能泡沫砂漿結(jié)實(shí)率高(達(dá)到95%以上)，有利于提高充填效率，同時(shí)解決了充填采場(chǎng)脫水難的問(wèn)題;

(3)高性能泡沫砂漿水灰比低，有利于提高充填體的強(qiáng)度，同時(shí)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(shí)率高，接頂充分，提高采礦的安全性，同時(shí)可預(yù)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(jiǎn)化了充填工藝，還達(dá)到節(jié)能的效果;

(6)通過(guò)混合高性能細(xì)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(jì)、社會(huì)效益。

2 泡沫砂漿充填體特性研究

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了泡沫砂漿充填體特性，研究?jī)?nèi)容包括泡沫砂漿的抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性、質(zhì)量濃度、灰砂比、骨料的選取及結(jié)實(shí)率。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

礦山對(duì)于膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度各有不同的要求。凡口鉛鋅礦對(duì)礦房充填體的抗壓強(qiáng)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(guò)室內(nèi)配比試驗(yàn)進(jìn)行選取。凡口鉛鋅礦的礦房充填骨料主要有分級(jí)尾砂(粒徑+19 μm含量80%以上)、03尾砂(全尾砂分級(jí)后的細(xì)粒尾砂，粒徑80%以上－19 μm)、混合砂(分級(jí)尾砂與03尾砂按2∶1質(zhì)量比混合)、棒磨砂(粒徑－3 mm)。對(duì)分級(jí)尾砂、03尾砂、混合砂、棒磨砂分別進(jìn)行了添加泡沫和不添加泡沫的配比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，03尾砂和混合砂因細(xì)粒級(jí)骨料含量多，砂漿質(zhì)量濃度無(wú)法提高，灰砂比≤1∶3的泡沫砂漿抗壓強(qiáng)度基本上滿足不了凡口鉛鋅礦的礦房充填體強(qiáng)度要求，若采用高灰砂比，該充填技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性下降。分級(jí)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(qiáng)度要求，部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。棒磨砂砂漿因其質(zhì)量濃度可以很高，其抗壓強(qiáng)度值可輕易滿足凡口礦的礦房充填體強(qiáng)度要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 流動(dòng)性試驗(yàn)

表1 分級(jí)尾砂泡沫砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 棒磨砂泡沫砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)流值的測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)泡沫砂漿的管道輸送性能。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)獲得1341項(xiàng)數(shù)據(jù)，測(cè)試了不同灰砂比、不同濃度、不同氣泡率及不同砂類的流動(dòng)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(jí)尾砂充填料漿的流值測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 灰砂比為1∶4的分級(jí)尾砂流值/單位:mm

試驗(yàn)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(jí)越細(xì)，流值越低。當(dāng)分級(jí)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(shí)率試驗(yàn)

結(jié)實(shí)率試驗(yàn)的主要目的是考察泡沫砂漿在應(yīng)用于充填接頂時(shí)的效果以及進(jìn)行水泥消耗的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

表4 室內(nèi)結(jié)實(shí)率試驗(yàn)成果

表4的試驗(yàn)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(shí)率較普通砂漿結(jié)實(shí)率高10% ～20%，當(dāng)質(zhì)量濃度大于75%時(shí)，泡沫砂漿結(jié)實(shí)率普遍在95%以上。

2.4 礦房膠結(jié)充填的參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在骨料選取上，03尾砂和混合砂砂漿因抗壓強(qiáng)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(biāo)號(hào)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(jí)尾砂做泡沫砂漿應(yīng)用于礦房充填的骨料。

確定了分級(jí)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(jìn)行工業(yè)充填試驗(yàn)。

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(kāi)發(fā)的專用設(shè)備，該設(shè)備采用進(jìn)口伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)泡系統(tǒng)氣、液路電動(dòng)針閥開(kāi)度及氣、液路流量的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了氣泡質(zhì)量和流量的自動(dòng)化控制，可根據(jù)充填料漿的流量實(shí)時(shí)調(diào)整泡沫流量，確保高性能泡沫砂漿氣泡含有率的準(zhǔn)確;同時(shí)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(jiàn)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(dòng)化程度高，具有如下特點(diǎn):

(1)分級(jí)尾砂供料通過(guò)帶PID自動(dòng)調(diào)節(jié)的電子稱重皮帶秤進(jìn)行自動(dòng)控制與調(diào)節(jié);

(2)水泥供料通過(guò)水泥螺旋給料機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制與調(diào)節(jié);

(3)砂漿用水通過(guò)水流量計(jì)進(jìn)行精確控制。

通過(guò)對(duì)砂、水泥、水的精確供料，實(shí)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(yàn)

泡沫砂漿在凡口鉛鋅礦的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)充填試驗(yàn)按照時(shí)間分為2個(gè)階段。第1階段為2009年6月～2009年9月，計(jì)劃充填量為3000 m3，實(shí)際充填量為3100 m3。本試驗(yàn)階段因充填系統(tǒng)的供料未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，砂漿濃度僅能達(dá)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(shí)現(xiàn)氣泡流量的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，造成泡沫砂漿的質(zhì)量較差且不穩(wěn)定，在充填過(guò)程中泡沫砂漿的輸送不穩(wěn)定，流量不穩(wěn)定，采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)漂浮較多泡沫，即泡沫變大或消泡現(xiàn)象嚴(yán)重。此階段采用的灰砂比為(1∶4.5)～(1∶5)，采場(chǎng)充填體7 d抗壓強(qiáng)度平均約為0.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度平均約為1.1 MPa，不能滿足凡口礦礦房采場(chǎng)充填強(qiáng)度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 高性能泡沫砂漿充填工藝流程

第一階段充填試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析、總結(jié)，該技術(shù)工藝的應(yīng)用主要存在以下問(wèn)題:

(1)要生產(chǎn)出更加細(xì)密穩(wěn)定高質(zhì)量的氣泡，防止混合及輸送過(guò)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(duì)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(duì)制備站計(jì)量系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造;

(3)對(duì)發(fā)泡混合設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，根據(jù)砂漿流量的變化對(duì)細(xì)密泡沫的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，確保泡沫含有率的準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)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(yàn)于2009年11月開(kāi)始，2010年2月結(jié)束，計(jì)劃充填量為5000 m3，實(shí)際充填量為6700 m3。本試驗(yàn)階段實(shí)現(xiàn)了分級(jí)尾砂、水泥、水、泡沫的供給量的實(shí)時(shí)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(chǎng)充填體7 d抗壓強(qiáng)度平均約為1.4 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度平均約為2.5 MPa，基本能滿足凡口礦的礦房充填體強(qiáng)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(dòng)很小，采場(chǎng)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(méi)有消泡現(xiàn)象，泡沫砂漿的體積濃度達(dá)到了膏體充填料漿的濃度狀況，沒(méi)有氣泡分離上浮現(xiàn)象。

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

工業(yè)充填試驗(yàn)第二階段主要采場(chǎng)泡沫砂漿充填的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 采場(chǎng)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(guò)泡沫砂漿室內(nèi)配比試驗(yàn)和采場(chǎng)工業(yè)充填試驗(yàn)，可以得知，要達(dá)到比較理想的充填效果，滿足礦山井下采礦的充填體強(qiáng)度和接頂率要求，使用泡沫砂漿進(jìn)行充填時(shí)，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上需滿足以下幾個(gè)條件。

(1)泡沫砂漿質(zhì)量濃度盡可能達(dá)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(qiáng)度會(huì)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(huì)產(chǎn)生刨沫上浮和消泡現(xiàn)象;高濃度充填，充填過(guò)程更穩(wěn)定，充填管口不會(huì)較幅度擺動(dòng)。

(2)當(dāng)泡沫砂漿質(zhì)量濃度≥74%，灰砂比≥1∶4時(shí)，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(shí)，會(huì)有大量空氣進(jìn)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(qiáng)度。

(4)采場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，由于發(fā)泡劑是一種混合物、會(huì)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?jī)?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(jì)比較

泡沫砂漿與普通砂漿的充填工藝比較見(jiàn)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(jì)比較以礦房充填參數(shù)進(jìn)行比較。

假定機(jī)械、能耗和人工成本相等，以主要材料的采購(gòu)成本作為主要比較指標(biāo)，而主要材料的采購(gòu)價(jià)按以下標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算:水泥單價(jià)0.41元/kg;發(fā)泡劑單價(jià)40元/kg;分級(jí)尾砂單價(jià)15元/t。在強(qiáng)度基本相等的前提下，兩種充填體的經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)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(jì)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?qǐng)龅某涮顑?yōu)點(diǎn)更為明顯。眾所周知，大爆破空?qǐng)鲆驗(yàn)槌涮钆潘畻l件惡劣，充填料長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，極大地影響了充填體的強(qiáng)度。而泡沫砂漿充填過(guò)程中沒(méi)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(qiáng)度能得到較快增長(zhǎng)。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(shí)，頂板充填體就不會(huì)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(shí)的安全性。

(2)對(duì)充填體強(qiáng)度要求較低的間柱采場(chǎng)，泡沫砂漿也可大量應(yīng)用。這樣可以減小充填過(guò)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(jìn)廢石的急劇減少，礦山充填骨料會(huì)大量短缺，泡沫砂漿充填減少充填骨料的優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。凡口鉛鋅礦下一步將對(duì)另外一個(gè)充填系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備改造，以便建立一個(gè)用于間柱開(kāi)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(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)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(huì)在礦山充填中得到推廣應(yīng)用。

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