复合型高水速凝材料在凤凰山铜矿井下充填的工业应用试验

[摘要]复合型高水速凝材料是研制适用于井下的胶结材料，对井下采场、空区充填具有快速凝固，抗压强度高，吸水性强等优点，本文对凤凰山铜矿采用全水速凝材料在井下生产应用实验进行了论述总结。

[关键词]充填站 复合型高水速凝材料 胶凝剂 尾胶

[中图分类号] P618.4 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-282-2

1概述

凤凰山铜矿是铜陵有色（集团）公司的一个主要生产矿山。自1971年投产以来，其采矿方法以上向分层尾砂充填法（约占75%）和浅孔留矿法为主，井下充填工作繁重。为了消除采用普通水泥尾胶充填时存在脱水困难，离析严重，充后泄水量大，细泥污染严重，充填体强度不稳定等问题。凤凰山铜矿同西北矿冶研究院、中南工业大学等单位合作，进行了“高永速凝尾砂胶结充填工业试验”和“全尾砂单管输送高水速凝胶结充填试验”的多项试验研究工作；在充填工艺方面，也进行了双管双料和单管单料的初步充填试验，均获得良好的技术经济效果，也为本次研制成功的复合型高水速凝材料的工业应用充填试验奠定了基础。

2充填系统与充填工艺流程

2.1工业充填试验的目的

（1）验证新研制成功的复合型高水速凝材料在工业应用中的主要技术性能与参数是否达到设计指标；

（2）复合型高水速凝材料在工业应用中的凝结时间与早期强度是否能达到充填工艺的要求；

（3）采用现有尾胶充填工艺系统是否能顺利地进行复合型高水尾砂胶凝充填料浆的快速输送与充填。

2.2充填系统及流程

凤凰山铜矿现有尾胶充填系统由脱泥、制浆、输送三部分组成。于1991年3月建成投入使用，担负着井下的全部充填任务，其系统设备先进，生产能力稳定，并且具有一批操作技术良好的专业队伍。

（1）脱泥供砂系统建在选厂。其功能是由8寸砂泵将选厂尾砂送至旋流器，沉砂进入砂池后，再由6寸砂泵送至二级旋流器分毅，底流尾砂进入另一砂池，由两台4寸砂泵串联将分级尾砂输送到尾胶制浆站立式砂仓，其输送能力为24m3/h，分级尾砂的粒径不大于0.037mm；

（2）尾胶制浆站有2个500 m3的立式砂仓，1个150t容积的水泥仓，1个直径为2m的搅拌桶和一套自动控制系统。在制浆过程中能自动控制尾砂浓度，搅拌桶液位和按尾砂比例给定水泥量。设计制浆能力为42 m3/h。实际制浆能

力达到75 m3/h，一般的充填浓度在68%左右。

（3）输送到井下充填部分有两条4寸输送砂浆的管道，正常生产使用一条管道，另一条管路作为备用。

由于已成功的经过了外购高水（甲、乙料的）速凝材料与尾砂胶结充填的双管双料和单管输送的试验，本次工业试验，除个别测试仪表需要进行维修外，基本上是利用现有尾砂系统进行充填，其充填系统如示意图所示。

复合型高水速凝材料充填试验的制浆充填工艺流程是：分级尾砂和高水速凝材料分别装入立式砂仓与原水泥仓内，利用尾胶充填自动控制系统向搅拌桶内注入按设计要求的“灰”、砂量，并按设计浓度在搅拌桶内搅拌后，砂浆进入输送管道向井下充填。由于高水速凝材料具有凝结速度快的特点，为了避免输送管道堵塞，充填输送能力定为70 m3/h左右，充填速度定在较高的挡位上。并且在关机停止充填时迅速向输送管道放清水进行充清洗，以免料浆在输送管道中固结，难以处理。

3工业充填试验及结果

3.115号采场铺面充填试验

为了检验复合型高水速凝材料在实际充填应用中的效果，首先确定在-360m水平的15号采场第二分层进行铺面试充。15号采场回采面积为224，分层高度为3m，已用普通水泥尾胶充填了2. 5m，余下0.5m用高水尾砂胶凝充填铺面。充填时间用了1小时时26分钟，“灰”砂比为

l：6.5。充后1小时基本固化，没有水析出，一天后的抗压强度平均为2.1Mpa。超过了1.5 Mpa的强度指标要求，充填过程顺利，几项主要指标全部达到或超过了设计要求。试充结果说明，复合型高水速凝材料完全可以采用现有尾胶充填系统进行充填输送，这一试充结果为试验采场的工业性正式充填试验打下了一个好的基础。

3.2工业充填试验地点

工业试验充填地点为- 360m中段2#矿体8号矿柱。采空区宽度14m，长度15m，空区充填高度为48m，采场下部已用普通水泥与尾砂胶结充填，上部11.5m设计采用自制的复合型高水速凝材料与尾砂胶凝充填。充后一天的充填体强度要求大于1.5MPa。

3.3工业充填试验时间

复合型高水速凝材辩由原铜矿水泥厂全部加工好后，直接送至凤矿充填系统的水泥仓内（水泥仓已清扫干净）。并进行试运转充填和对来料进行模块试验测试。充填先后进行了7天，实际充填时间为7个班，即早班和晚班备砂料，中班正式开机充填。

3.4工业充填试验结果

在充填试验过程中，每隔半小时都对充填料浆进行取样装模测试。其主要测试参数是：砂浆浓度，初凝时闻，终凝时间和抗压强度等。

充填结束后，到充填采场取样进行实测，其平均抗压强度略大于地表取样测定的结果。经分析认为，主要是料浆在充填输送管道中得到充分的混合后，使其强度进一步得以提高的结果。

经对充填采场实际情况检验结果还表明：试验采场8号矿柱充填空区为两百多平方米，充填结束后充填体表面基本平整，其高度差只有l0cm左右。并且充后没有水析出，达到了充填体早期强度高，固水性能好，充填体均质的充填工艺要求。

充填过程中的取样装模试块，经铜陵有色建安公司质监站检测结果（见表1）与现场测试结果基本吻合，说明充填结果真实可靠。

3.5充填过程的情况说明

3.5.1在充填试验过程中，由于运料与充填试验同时进行，在汽车罐装运料向水泥仓卸料时，对电子称计量精度有一定影响，使设计的“灰”砂比（1：6.）与实际“灰”砂比（1：6. 74）出现误差，但没有影响充填质量。说明复合型高水速凝材料性能适应范围大、质量可靠。

3.5.2复合高水尾砂胶凝充填的料浆浓度是一个必须随时检测掌握的重要参数，并要根据高水速凝材料的性质确定。浓度过低，对充填工艺过程有利，不担心输送管道固结而报废充填管道，但可能会对充填质量带来影响，达不到充填质量要求；浓度过高，对充填输进不利，并有可能使料浆在充填输送管道内固结而影响充填工作。本次充填过程中除开始搅拌桶内上部出现少量料浆固结情况外，主要输送系统均正常。为了避免出现故障，我们采取的主要措施是：①在满足充填质量的前提下，尽可能的采用低浓度料浆充填；②在充填搅拌料浆过程中，定时对搅拌桶施以震动，预防高水料浆固结在搅拌桶壁上，并在停机后打开搅拌桶进行清洗；③在每次充填结束时，预放5分钟左右清水，清洗充填系统，确保高水尾砂胶凝充填料浆不在输送管道内固结，从而有效地保证了采用原尾胶系统顺利输送高水尾砂胶凝充填料浆的充填工艺过程。

3.5.3由于复合型高水速凝材料是一种具有一些特殊性质的新型胶凝材料，并能利用现有充填设备进行充填，具有极大的推广应用价值，但在工业应用充填时必须要组织一支包括质量检测人员在内的高度负责的技术人员负责操作实施，否则难以达到预期的要求。

3.6充填成本概算

采用高水速凝材料作胶凝剂进行空区充填，虽具有快速凝固，早期强度高，在短时间内达到最终强度及良好的固水性能等突出特点，但其充填成本也是关系到更大面积推广应用的重要同题。现将本次工业充填试验充填料的成本对比。概算列入表2中。

需要说明的是：上述三种充填胶结材料的用量是在料浆浓度为68%，充填体的抗压强度均为3MPa条件下的材料单耗，由于采用的充填系统和充填工艺基本相同，故没有把这部分的费用列入。

从表2不难看出，达到相同的充填体强度，复合型高水速凝材料比外购甲、乙高水材料费用要节省26.5%。与采用普通水泥作胶结剂相比，不但每充填一立方米要节省材料费用近3元，而且消除了普通水泥尾胶充填时存在的充填体均质性差，脱水困难，离析严重，充填体早期强度低和井下细泥污染等问题。工业试验结果也表明，采用复合型高水速凝材料作胶凝剂进行井下空区充填，其社会效益和经济效益都十分显著。

4结论与评价

4.1通过15号采场铺面充填试验与试验采场8#矿柱的工业性充填试验的结果说明，复合型高水速凝材料研制是成功的，达到了设计要求，在达到相同充填体强度的条件下，比外购高水材料的费用节省近 30元/ m3，达到了降低充填成本的目的。

4.2用复合型高水速凝材料作胶凝剂进行井下空区充填，可以采用矿山普通水泥尾胶充填系统进行制浆充填，其充填系统和输送管路不需作任何改进，这不仅简化了高水材料双料双管输送的充填工艺，而且进一步节省了充填成本，因此，复合型高水速凝材料在矿山井下充填中更具有广阔的推广应用前景。

4.3用高水速凝材料作胶凝剂进行井下空区充填，不仅充填体均质，早期强度高，而且固水性能强，充填料浆中的水基本可以固化，采场充填后没有水析出，这样就从根本上解决了水力输送尾砂作充填骨料因泄水而给井下带来的一系列负面效应。把井下胶结充填提高到了一个新的水平。

4.4由于高水尾砂胶凝充填体均质性好，并且充后速凝，早期强度高这就为地下矿连续开采工艺要求快速提供了新的技术手段，为变革地下金属矿的采矿工艺创造了条件，提高了连续工艺过程的技术含量。

4.5试验结果也表明，采用高水尾砂胶凝充填时，其充填体质量与环境温度有关，并且其后期强度如何，尚待进一步探索研究。

总之，本次复合型高水尾砂胶凝充填的工业应用试验是成功的，其结果是令人满意的，达到了预期效果。工业应用试验结果也说明，复合型高水速凝材料是一种具有显著社会效益和经济效益的新型胶凝材料，有进一步推广基础。