CN102261262A - 矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法，先在发泡混合装置内用发泡剂加入稀释水制作发泡液，再在发泡液内通入压缩空气，形成气泡流；然后根据矿山采场条件分别对上部采场和深部采场进行施工。本发明利用互不连通的细密泡沫的润滑作用，单方水泥用量可平均降低20%以上，水的用量可降低35%以上，充填效率提高20%以上，结实率由目前的不到70%提高到95%以上，综合充填成本降低10%以上，且材料的离析现象基本消除，井下充填体中无溢流水产生，将泡沫轻质土应用于采场充填的泡沫砂浆充填体，可达到提高充填体的整体质量、降低充填成本、改善井下作业环境等多重效果，对矿产资源的可持续发展、环境修复及防灾减灾都大有裨益。

Description

矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法

技术领域

本发明属于矿山采场的充填技术领域，涉及一种采用胶结充填采矿法的矿山采场的高性能泡沫砂浆充填施工方法。

背景技术

我国是矿产资源的生产和消耗大国，仅非煤矿山就有11万多座，年产矿石近50亿吨，年产值超过5000亿元。采矿是矿产资源开发和利用的基础，但是采矿在为人类提供原材料的同时，也不可避免地会破坏地表环境。随着工业的飞速发展，矿产的需求量在迅速增加，矿产资源却在日趋枯竭，资源开发利用引发的安全、环境问题相当突出，而我国大多数矿山企业生产规模小，工艺技术落后，生产盲目性、被动性大，导致矿山环境严重恶化，给自然生态环境和社会经济生活带来了很大的负面影响。

申请人位于广东省韶关市东北约48km处，是我国大型铅锌生产基地，国家一级企业。目前，矿山生产能力已从投产初期的40×10⁴t/a，发展到150×10⁴t/a以上，矿山具有日产铅锌矿石5000～5500吨、年产铅锌金属量13～18万t的采选生产能力，是我国有色金属行业的最大的铅锌采选企业。

凡口铅锌矿始建于1958年，1968年正式投产，目前矿山最深已开采至-650m水平。由于矿石品位高，矿体形态复杂，顶部受含水丰富的壶天灰岩覆盖和地面部分工业建筑物需保护，采区范围内不允许地表塌陷。所以凡口矿的采矿方法以充填为主，有普通分层充填法、盘区机械化分层充填法和嗣后充填法（FDQ法）。

胶结充填是充填采矿法的核心，它是将砂（包括选矿废料，即尾砂）、废石等废弃物掺入一定比例的胶凝材料和水形成具有一定流动性的充填体，通过管道自流输送到采场的采空区，达到充填的目的。它既减少尾砂和废石向地表排放，避免污染环境和占用良田，又能有效地控制采场地压、维护采场稳定，避免或减少岩爆、突水、岩移、地表塌陷等地质灾害，提高矿石的开采效率、有效回收难采矿床资源，是深埋、高地应力矿区和围岩不稳固采场以及“三下”矿体开采首选的安全和有效的采矿方法。

上世纪50年代以来，国内外充填工艺与技术经历了废石干式充填、碎石水力充填、分级尾砂水力充填、混凝土胶结充填的发展过程。到上世纪60～70年代，开始应用和研发尾矿胶结充填技术；80～90年代，随着采矿工业的发展，为进一步降低采矿成本及环境保护的需要，发展了高浓度胶结充填（包括膏体泵充填、块石砂浆胶结充填和高水速凝胶结充填）新技术。胶结材料主要可分为硅酸盐水泥类、活性废料为代表的工业废弃物制成的胶结材料类和高水类胶结材料。井下输送工艺分为管路自流输送与泵送工艺两大类。硅酸盐水泥类胶结充填材料在保证管路自流输送的前提下水灰比大大超过水泥固化所需的用水量，导致固化后强度损失严重，且脱水过程中不但导致大量水泥流失，而且固化后沉降严重，体积缩小后仅为充填浆体的50～60%。泵送工艺虽然可大幅度提高充填浓度，但存在工艺复杂，设备磨损严重、能耗指标高等问题。高水速凝复合材料具有较强的固水能力，但材料成本高、且材料对硫铝酸盐水泥熟料质量要求严格，由于硫铝酸盐水泥熟料生产厂家少，一些小厂生产的硫铝酸盐水泥熟料质量不高，导致高水材料性能大幅度下降，材料质量不稳定，制约了该技术的推广应用。

国内现有胶结充填技术还存在成本高、效率低、劳动强度大、充填料输送浓度低、充填接顶率低、采场脱水污染作业环境等严重弊端。膏体泵送充填技术具有充填质量浓度高和充填效率高的特点，在采场也不需脱水，在国外已获得较为广泛应用，但因其系统基建投资高，充填工艺复杂，在国内的推广应用受到制约。由于尾矿充填的输送浓度一般在70%以下，采场脱水不但流失水泥，而且严重污染井下作业环境。

上述措施虽在一定程度上改善了充填质量，但为确保充填料浆在输送过程不堵管，到达采场后仍有足够的流动性，目前充填料浆实际的水灰比仍大大超出水泥发生水合反应所需的水灰比，导致材料离析，井下溢流水增加、作业环境恶化，漏浆，固化后强度损失严重，且脱水过程中不但导致水泥流失，而且固化后沉降严重，结实率偏低（只有60%）等现象发生，充填成本还有进一步降低的空间。从2008年凡口矿全年井下充填检测结果的统计分析值来看，无论是首层充填、矿房充填、还是胶面充填，其3天、28天强度的统计值达到设计值的几率都偏低，而尤以矿房充填的最低，但三种充填均检测到强度远高于设计值的情况。这其中可能有水泥质量（经检测没有质量问题）或用量问题等原因，但主要是充填料浆的水灰比过高造成的，过高的水灰比将导致材料离析，整体强度偏低、个别强度偏高等现象的发生。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种高料浆浓度、低含水率、能降低充填成本、提高充填接顶率和结实率、工艺环境友好的矿山采场的高性能泡沫砂浆充填施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种矿山采场的高性能泡沫砂浆充填施工方法，其工艺步骤是：先在发泡混合装置内用发泡剂加入稀释水制作发泡液，再在发泡液内通入压缩空气，形成气泡流；

对上部采场进行施工时，按照尾砂流量为45～55t/h、水泥流量为10～14t/h、搅拌水流量为10～14t/h、气泡流量为10～16m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在混合器内搅拌形成湿密度为1300～1600kg/ m³的泡沫砂浆流，并通过输送管道对上部采场进行充填施工，总充填流量达45～55m³/h；

对深部采场进行施工时，按照尾砂流量为65～75t/h、水泥流量为16～20t/h、搅拌水流量为15～19t/h、灰砂重量比为1:3.4～4.0、气泡流量为6～10m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在管道内混合形成湿密度为1350～1450kg/ m³的泡沫砂浆流，再通过中段减压站，使管道内的泡沫砂浆流再次发泡，并通过输送管道对深部采场进行充填，总充填流量达72～78m³/h；

结束充填时，停止发泡混合装置的工作，并持续5分钟以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器内液位接近0时，再向混合器内送洗管水，最终结束充填。

在所述上部采场进行施工时，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.7～4.0。

在所述深部采场进行施工时，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.4～4.0。

所述发泡剂的组分及其重量百分比分别是：1～8％烷基硫酸盐、2～13％烷基醚硫酸盐、10～32％防白水、1～5％稳泡剂、42～86％水。

本发明的有益效果是：利用互不连通的细密泡沫的润滑作用，在确保强度、流动性等力学指标满足采场充填要求的前提下，单方水泥用量可平均降低 20%以上，水的用量可降低35%以上，充填效率提高20%以上，结实率由目前的不到70%提高到95%以上，综合充填成本降低 10%以上，且材料的离析现象基本消除，井下充填体中无溢流水产生，将泡沫轻质土应用于采场充填的泡沫砂浆充填体，可达到提高充填体的整体质量、降低充填成本、改善井下作业环境等多重效果，对矿产资源的可持续发展、环境修复及防灾减灾都大有裨益。

【附图说明】

图1是本发明的工艺流程方框示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

参见图1，一种矿山采场的高性能泡沫砂浆充填施工方法，其工艺步骤是：先在发泡混合装置内用发泡剂加入稀释水制作发泡液，再在发泡液内通入压缩空气，形成气泡流；

然后根据采场位置不同分别施工，对上部采场进行施工时，按照尾砂流量为45～55t/h、水泥流量为10～14t/h、搅拌水流量为10～14t/h、气泡流量为10～16m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在混合器内搅拌形成湿密度为1300～1600kg/ m³的泡沫砂浆流，并通过输送管道对上部采场进行对上部采场进行施工，总充填流量达45～55m³/h，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.7～4.0；

对深部采场进行施工时，按照尾砂流量为65～75t/h、水泥流量为16～20t/h、搅拌水流量为15～19t/h、灰砂重量比为1:3.4～4.0、气泡流量为6～10m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在管道内混合形成湿密度为1350～1450kg/ m³的泡沫砂浆流，再通过中段减压站，使管道内的泡沫砂浆流再次发泡，并通过输送管道对深部采场进行充填，总充填流量达72～78m³/h，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.4～4.0；

结束充填时，先停止发泡混合装置的工作，并持续5分钟以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器内液位接近0时，再向混合器内送洗管水，最终结束充填。

所述发泡剂的组分及其重量百分比分别是： 1～8％烷基硫酸盐、  2～13％烷基醚硫酸盐、10～32％防白水 、 1～5％稳泡剂、 42～86％水，其中所述的烷基硫酸盐(ROSO₃·M)是指十二烷基硫酸钠，白色针状，香波基材，能配制起泡性良好的香波；所述的烷基醚硫酸盐(RO(CH₂CH₂O)nSO₃·M)是指烷芳基醚硫酸钠、十二烷基醚硫酸钠，淡黄色液体，香波基材，溶解性、耐硬水性、起泡性能好，能配制起泡性良好的香波。  所述的防白水是指乙二醇丁醚、乙二醇单丁醚、异二醇单丁醚，无色透明液， 化工产品和助剂/织物整理、后处理助剂。所述的稳泡剂是指十二十四醇、十六十八醇，无色透明液，稳定助剂。

本发明所用发泡剂的特性是：

1）对环境应无不良影响；

2） 在0℃以上的温度环境，材料不离析；

3） 标准泡沫密度：40kg/m³～60kg/m³；

4）泡沫细密且互不连通，泡沫孔径：30～100μm；

5 ）消泡率＜10%。

 2、料浆制备及充填设备

1）原材料自动计量、计量精度高（偏差在 2%以内）；

2）实现发泡剂的自动稀释、连续发泡、料浆的连续制备及输送；

3）设备生产能力：60～80m³/h。

 3、充填料浆及充填体（矿房）

1）料浆的湿容重：（13～15）kN/m³；

2）料浆中泡沫体积含有率＞30%；

3）充填料浆不离析，溢流水减少；

4）充填体28 天抗压强度（灰砂比1:4；泡沫体积含有率＞30%）：2.0～2.8MPa；

5）充填体接顶率：95%以上。

    

本发明的充填效果是：在上部采场的充填过程中，表现出以下特性：一是在气泡流量足够的情况下，采场出料口泡沫砂浆状态总体平稳，充填效果良好；二是在接顶充填时，由于泡沫砂浆的流动状态更接近滨汉姆流体模型，接顶效果良好、接顶率高；三是在充填过程中，砂浆及泡沫砂浆湿密度的波动均较小，表明充填质量稳定；四是井上泡沫砂浆湿密度总体上略高于采场泡沫砂浆湿密度，这说明，上部采场充填仍存在一定程度的管道再次发泡现象；五是当地表普通砂浆湿密度明显低于2000kg/m³ 即普通砂浆浓度较低时，泡沫砂浆湿密度则明显升高，说明普通砂浆浓度偏低时会导致泡沫砂浆的消泡现象。

以申请人 2009 年的产能为例，年采矿量约180 万吨，年充填量约55万m³，节省的直接材料成本按13.4 元/m³ 计算，节省水泥约2.5 万吨/年，节水约22 万吨/年，节省充填材料成本约740 万元/年，参照目前探明的矿石储量，至矿山开采结束，可节省约1.2亿元的材料成本。此外，我国目前正在开采的各类有色金属矿就多达5000多家，且大都采用充填采矿法进行开采，年充填总量超过一亿五千万立方米，充填总价达300 多亿元人民币，据初步估算，若本发明推广应用后的5年内，预计可应用到国内30 家以上大型矿山的充填，实现近40 亿元的产值，节省近3 亿元的充填成本，经济效益相当显著。

本发明实现高浓度、全尾砂管道自流输送：泡沫砂浆充填浆体的浓度接近于膏体，但由于高效致密泡沫的润滑作用，在低水灰比的情况下仍能确保混合料的流动性，较好地解决了高浓度料浆输送中的流动性、用水量及充填体质量之间的矛盾，避免堵管和管道磨损问题；本发明充填料浆不离析，提高充填质量：由于充填体含水率低，无论是输送过程中还是充填后材料基本不离析，确保充填体质量的均匀性，充填料浆到达采场后能够自流平，大大提高了充填体质量；本发明泡沫砂浆充填料浆进入采场后不需或少量脱水，不仅充填体质量好，而且井下无排水排泥污染，有效改善井下作业环境。总之，泡沫砂浆充填技术继承了一般水力充填中料浆流动性能好，易于实现管道输送的优点；同时又具有膏体充填浓度高，井下不脱水或少量脱水，充填质量好，接顶率高、强度高等优势，是一种充填成本较低、具有很大发展潜力的全新的充填技术。

Claims (4)

1.一种矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法，其特征在于工艺步骤是：先在发泡混合装置内用发泡剂加入稀释水制作发泡液，再在发泡液内通入压缩空气，形成气泡流；

在对上部采场进行施工时，按照尾砂流量为45～55t/h、水泥流量为10～14t/h、搅拌水流量为10～14t/h、气泡流量为10～16m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在混合器内搅拌或在管道内混合形成湿密度为1300～1600kg/ m³的泡沫砂浆流，并通过输送管道对上部采场进行充填，总充填流量达45～55m³/h；

在对深部采场进行施工时，按照尾砂流量为65～75t/h、水泥流量为16～20t/h、搅拌水流量为15～19t/h、灰砂重量比为1:3.4～4.0、气泡流量为6～10m³/h的配比，使气泡流和砂浆流在混合器内搅拌或在管道内混合形成湿密度为1350～1450kg/ m³的泡沫砂浆流，再通过中段减压站，使管道内的泡沫砂浆流再次发泡，并通过输送管道对深部采场进行充填，总充填流量达72～78m³/h；

结束充填时，停止发泡混合装置的工作，并持续5分钟以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器内液位接近0时，再向混合器内送洗管水，最终结束充填。

2.如权利要求1所述的矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法，其特征是：在所述上部采场进行施工时，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.7～4.0。

3.如权利要求1所述的矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法，其特征是：在所述深部采场进行施工时，水泥与尾砂的重量比控制在1:3.4～4.0。

4.如权利要求1所述的矿山采场的高性能泡沫砂浆充填方法，其特征是：所述发泡剂的组分及其重量百分比分别是：1～8％烷基硫酸盐、2～13％烷基醚硫酸盐、10～32％防白水、1～5％稳泡剂、42～86％水。

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