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铜绿山矿新型胶结充填材料工业化试验研究 周科礼１， 霍晓锋２， 苟永刚２， 熊国雄１， 史秀志２ ， 徐 喜 １， 尹东升１ （ １． 大冶有色铜绿山矿， 湖北 大冶市 ４ ３ ５ １ ０ ０； ２．中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３） 摘 要 随着铜绿山矿采矿强度的提高， 井下采场回采时间相应缩短， 导致水泥尾砂胶结 充填技术存在的强度不达标、 养护时间长等问题越来越突出， 越来越难以满足生产进度要 求。胶凝材料是提高充填质量的重要因素， 为解决水泥胶结充填与高强度生产之间的矛 盾， 开展了新型胶结充填材料工业化试验研究， 通过对比分析普通水泥充填料和新型尾砂 胶固料井下全胶结充填体各期试样（ ３，７，２ ８ｄ） 的强度， 表明在相同成本条件下， 华重新 型尾砂胶固料充填体相比原有水泥充填体在强度、 性能等方面均有较大优势， 能够满足铜 绿山矿井下采场充填技术标准要求。 关键词 铜绿山； 胶结充填材料； 充填体强度； 工业试验 ０ 引 言 水泥尾砂胶结充填技术作为空区处理的有效措 施， 能够缓解采场应力集中现象， 为矿山安全生产打 下良好的基础［ １］， 然而， 随着地下矿山采矿强度不断 提高， 井下采场回采时间相应缩短， 导致水泥胶结充 填技术与高强度生产之间的矛盾越来越突出， 主要 表现在水泥尾砂胶结充填技术中充填体强度达不到 生产技术要求、 充填生产过程中跑浆严重、 充填体保 养时间长、 满足不了生产进度要求等问题［ ２－３］， 此外， 选矿技术的提高导致尾砂粒径变细， 水泥胶结充填 体的质量更加难以得到保证［ ３］。因此， 需探索新型 的充填技术以满足生产需求。水泥尾砂胶结充填技 术存在的最主要问题是充填体强度低、 凝固时间久， 难以满足生产需要， 而胶凝材料是改善这些问题的 重要因素［ ４－６］， 因此有必要寻找性能更优的新型胶凝 材料， 并对其进行工业化试验研究。 本文对铜绿山矿现有充填工艺进行调查分析， 研究了新型尾砂胶结材料的基本性质， 开展了新型 尾砂胶结材料不同强度的试验研究， 评估了新型尾 砂胶结材料技术经济性， 取得了阶段性研究成果， 目 前， 我国大多数金属矿山开采强度均有逐渐增加的 趋势， 该技术对于解决充填技术与现实需求之间的 矛盾具有很大的应用空间和价值［ ６］。 １ 充填系统现状及存在问题 为满足矿山井下空区充填需要， 铜绿山矿在露 天堆矿场旁边建有充填站１座， 充填站建有２套充 填系统， １套为膏体充填系统，１套为胶结充填系统。 膏体充填系统因为成本太高等原因现已拆除。胶结 充填系统配有８ ０ ０ ｍ ３尾砂仓和２ ０ ０ｔ水泥仓各２ 座， 搅拌桶２座。为满足铜绿山矿Ⅺ号矿体扩产需 求， 在膏体充填系统原址， 新建尾砂仓２座。尾砂由 选厂经渣浆泵输送至尾砂仓， 水泥则由公司金岳水 泥厂和黄石成美建材有限公司提供， 充填系统工艺 流程见图１。 图１ 铜绿山矿充填系统工艺流程 目前铜绿山水泥尾砂胶结充填系统主要存在以 下几方面问题 （ １）井下充填体强度低； （ ２）充填循环作业时间较长； （ ３）充填堵管事故较多； （ ４）选厂尾砂不能满足井下充填的需要； （ ５）充填生产过程中跑浆严重； Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ Ｃ Ｎ ４ ３－１ ３ ４ ７／Ｔ Ｄ 采矿技术 第１ ９卷 第１期 Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｖ ｏ ｌ ． １ ９，Ｎ ｏ ．１ ２ ０ １ ９年１月 Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ９ ChaoXing （ ６）预留保安矿柱回采， 矿石损失增大； （ ７）充填成本压力大， 导致水泥实际单耗低于 设计单耗。 其中， 最主要的问题是充填体强度低， 满足不了 生产需要， 充填成本压力大， 实际水泥用量少于设计 要求， 导致二步骤安全回采矿柱采场难度加大［ ７］。 为了保证二步骤回采的安全性， 只有在采场两侧各 留设２ｍ 厚的护壁矿柱， 大幅增大矿石损失率， 造 成有限资源的浪费， 矿山采矿成本升高， 影响矿山经 济效益， 而造成充填体强度低的主要原因是胶凝材 料质量及材料的用量［ ６］。 因此， 充填体强度成为影响铜绿山矿采矿生产 的重要因素， 而胶凝材料又是影响充填质量的重要 因素。 ２ 新型充填胶凝材料及试验方案 ２．１ 新型充填胶凝材料 本次试验采用鄂州华重充填工程材料有限公司 的新型胶凝材料， 其采用冶炼炉渣， 掺加复合激发 剂、 石膏等， 经过再磨细、 均匀混合而成， 其中冶炼矿 渣占比能够达到８ ０％。该材料中的复合激发剂可 以将水淬矿渣化合物的化学能转化为较强的胶凝能 力， 较水泥有更好的流动性、 可泵性、 早强性， 且用量 少、 充填成本低［ ５，８］。 该材料外观上呈灰白细粉末状， 其比重为２． ８ ｇ ／ｃ ｍ ３， 表观密度为１ １ ６ ０ｋ ｇ ／ｍ ３， 主要化学成分有 Ｓ ｉ Ｏ２、Ａ ｌ２Ｏ３、Ｆ ｅ２Ｏ３、Ｃ ａ Ｏ、Ｍ ｇ Ｏ、Ｓ Ｏ３， 无毒、 无害， 环境友好［ ３］， 如图２所示。 图２ 新型尾砂固结剂 ２．２ 试验方案 本次试验选用鄂州华重充填胶结材料进行现场 工业充填试验， 原则为在铜绿山矿正常生产条件下， 以相同的充填成本分别对新型充填胶固料和水泥进 行全胶结充填现场试验， 在采场充填体试样到期后 测定其强度， 最后对两者的各期试样强度进行对比 分析。 （ １）现场充填试验配比。充填试验料浆浓度设 定为６ ８％。水泥价格为２ ７ ０元／ ｔ， 下料量为１ ０ｔ／ｈ， 新型胶凝材料价格为４ ５ ０元／ｔ ［９］， 以相同成本进行 推算， 得新型胶结充填材料下料量为６ｔ／ｈ。 （ ２）现场准备。充填前， 对采场进行堵口， 现场 用掘进废渣砌筑挡墙， 用塑料雨布堵渗漏， 防止跑 浆， 接入充填管道。充填试验为全胶结充填， 高度设 计为２． ５ ｍ， 试 验 前 测 量 采 场 形 状， 标 识 充 填 高 度线。 （ ３）仪器仪表的标定。铜绿山矿充填系统配有 计量 仪 表， 用 于 计 量 显 示 生 产 过 程 中 的 充 填 参 数［ １ ０］。系统配有尾砂流量计、 水量流量计、 水泥冲 量流量计各２个。本次试验前， 铜绿山矿更换了尾 砂流量计。矿山对有关仪表进行了标定， 其计量误 差均在合理范围， 且对纯尾砂浆进行了抽检。结果 表明， 误差较小。 （ ４）测试方案及内容。本次试验测试重点是２ 种充填材料的浆液浓度（ ６ ８％） 和砂浆充填体强度 （ ３，７，２ ８ｄ） 。为确保试验结果可靠， 在试验过程中 每１ ５ｍ ｉ ｎ记录充填材料的瞬时示值， 每３ ０ｍ ｉ ｎ测 定料浆的浓度。充填结束后， 在井下采场取样检测 充填体强度， 首先通过随机取样的方法在采场充填 体中布置６个３．０ｍ１．０ｍ０．５ｍ的试样， 在井 下将其解体、 保养， 分别在３，７，２ ８ｄ时取回试样至 测试所， 并再次分解为７ ０．７ｍｍ７ ０．７ｍｍ７ ０．７ ｍｍ的小样品以方便压力机测试。 （ ５）试验设备。本次试验配备了压力机、 试模、 切割机、 磨石机、 浓度壶、 养护箱等设备。强度测试 设备采用１ ０ ０ｋ Ｎ 压力机， 该机由黄石市技术监督 局计量测试所检定。试样加工采用切割机、 磨石机， 现场取样采用便携式切割机等工具， 料浆浓度采用 浓度壶测定。 ３ 现场试验研究 ３．１ 水泥全尾砂胶结充填工业试验及结果 普通水泥胶结充填试验料浆浓度设定为６ ８％， 全尾砂胶结水泥下料量设计为１ ０ｔ／ｈ， 充填过程通 过计量仪表对充填料进行实时记录， 水泥下料的平 均值为９．８ｔ／ｈ， 波动范围为９． １～１ ０．３ｔ／ｈ， 充填料 浆浓度平均值为 ６ ３．７％， 其波动范围为 ６ ０．９％～ ６ ５．１％。本次测试中各期（３，７，２ ８ｄ） 的样本为５ ０ 个， 充填结束后在井下定期取样， 对各期样本进行压 ５３ 周科礼， 等 铜绿山矿新型胶结充填材料工业化试验研究 ChaoXing 力机测试得到各个样本的抗压强度， 并将其绘制为 折线图， 如图３所示。 通过表１可以看出， 充填工艺工作较不稳定， 充 填过程中充填下料不均衡， 反映在水泥下料冲量板 数据波动较大， 料浆的浓度值变化较大。 由图３中的水泥全胶结充填体强度折线以及表 １可以看出， 同期充填体强度值差异较大， 波动范围 较大， 其３，７，２ ８ｄ抗压强度波动值达一倍以上。 考虑到井下充填体接近实际情况， 满足生产实际需 要， 井下取样数量多， 代表性好， 因此选定井下充填 体的强度作为本次试验比较的基础数据。 图３ 水泥全胶结充填体抗压强度 表１ 水泥全胶结充填检测数据汇总 类别 料浆浓度／％ 均值波动值 抗压强度／ＭＰ ａ ３ｄ 均值波动值 ７ｄ 均值波动值 ２ ８ｄ 均值波动值 水泥 ６ ３．７ ６ ０．９～６ ５．１ ０．２ ８ ０．１ ５～０．３ ９ ０．３ ７ ０．２ ３～０．６ １ ０．９ ５ ０．４ ７～１．６ １ ３．２ 新型充填材料充填工业试验及结果 本次试验充填尾砂材料采用华重新型尾砂胶固 料， 料浆浓度设定为６ ８％， 全胶结新型尾砂胶结剂 设计下料量为６ｔ／ｈ， 充填过程通过计量仪表对充填 料进行实时记录， 华重新型充填材料下料的平均值 为８． ２ｔ／ｈ， 其波动范围为６．９～９．２ｔ／ｈ， 充填料浆浓 度平均值为６ ５． ２％， 其波动范围为５ ５．７％～７ ０．９％。 本次测试中各期（ ３，７，２ ８ｄ） 的样本为５ ０个， 充填 结束后在井下定期取样， 对各期样本进行压力机测 试得到各个样本的抗压强度， 并将其绘制为折线图， 如图４所示。 对检测数据进行汇总分析， 如表２所示。 通过表２可以看出， 料浆浓度为６ ５． ２％， 小于设 计浓度６ ８％， 波动值为５ ５． ７％～７ ０．９％。 由图４中的华重尾砂胶固料充填体强度折线以 及表２可以看出， 充填体强度值较高， 但差异也较 大。新型材料全胶结充填式样的３，７，２ ８ｄ抗压强 度都在１ＭＰ ａ以上， 且早期强度高，３ｄ强度就达１ ＭＰ ａ，７ｄ强度则与３ｄ强度相差较小， 表明充填体 在３ｄ时已凝固，２ ８ｄ抗压强度达２ＭＰ ａ， 其最高强 度几乎接近４ＭＰ ａ。 图４ 华重尾砂胶固料充填体抗压强度 表２ 华重尾砂胶固料充填检测数据汇总 类别 料浆浓度／％ 均值波动值 抗压强度／ＭＰ ａ ３ｄ 均值波动值 ７ｄ 均值波动值 ２ ８ｄ 均值波动值 华重胶固料６ ５．２ ５ ５．７～７ ０．９ １．０ ２ ０．５ ４～１．６ ５ １．１ ２ ０．６ ８～１．８ ６ １．９ ５ ０．９ ９～３．５ ３ ４ 充填试验结果分析及现场评价 本次工业充填试验共分别测试了普通充填材料 和华重新型尾砂胶固料。为了更详细分析新型尾砂 胶固料充填效果， 本研究将水泥充填测试数据与华 重新型尾砂胶固料数据放在一起进行比较。井下充 填最终产品是井下充填体， 且反映充填体质量最重 要的指标是充填体的抗压强度， 本次试验研究数据 均取自井下现场充填体试样， 且数量多， 能够客观地 反映出充填体的质量状况。 从图５、 表３可以看出， 华重尾砂胶固料充填体 强度明显比水泥充填体抗压强度高， 同龄期充填体 强度至少高出１ ０ ０％以上； 前者早期抗压强度（ ３，７ ｄ） 是后者同龄期充填体强度的３～４倍， 同龄期充填 ６３ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing 体强度至少高出２ ０ ０％以上。在目前试验配比的条 件下， 应用华重新型尾砂胶结充填材料充填矿柱， 其 充填体２ ８ｄ抗压强度大于１ＭＰ ａ， 能够满足铜绿山 矿井下采场充填技术标准要求。 图５ 全胶结充填体井下抗压强度值 表３ 全胶结充填体井下抗压强度值比较 名称料浆浓度／％ 抗压强度／ＭＰ ａ ３ｄ７ｄ２ ８ｄ 普通水泥６ ３． ７ ０．２ ８ ０．３ ７ ０．９ ５ 华重胶固料６ ５． ２ １．０ ２ １．１ ２ １．９ ５ 本次华重材料全胶结充填工业试验设计配比料 浆浓度为６ ８％， 灰砂比为１∶１ ０， 实际充填料浆浓度 平均值为６ ５． ２％， 充填材料下料量平 均 值 为８． ２ ｔ／ｈ。按照铜绿山矿充填能力５ ０ｍ ３／ ｈ进行推算， 得 出实际充填灰砂比为１∶９． ２， 浓度低于设计要求， 灰 砂比高于设计要求。如果充填体抗压强度以１ＭＰ ａ 为考核目标， 应用新型胶结材料时， 需将充填料浆浓 度提高至６ ６％～７ ０％， 相应地能够减少充填灰砂比 至１∶１ ２～１∶１ ５， 进而减少充填胶凝材料用量， 降 低充填成本。 ５ 结 论 通过对普通水泥充填料和新型尾砂胶固料的全 胶结充填工业试验研究， 得出以下结论 （ １）在相同成本条件下， 华重新型尾砂胶固料 胶结充填体相比原有水泥胶结充填体在强度、 性能 等方面均有较大优势。在采用华重新型尾砂胶固料 充填井下采场的工业试验中， ２ ８ｄ充填体试样强度 普遍大于１ＭＰ ａ， 相比水泥胶结充填体强度提高至 少４ ０％， 能够满足铜绿山矿井下采场充填技术标准 要求。 （ ２）采用华重新型胶结充填材料时， 充填体具 有早强性能， 凝固时间缩短， 由７ｄ降至３ｄ， 充填体 早期强度明显比现用水泥好。 （ ３）采用华重新型胶结充填材料进行全胶结充 填时， 合理料浆浓度为６ ６％～７ ０％， 充填灰砂比为 １∶１ ２～１∶１ ５， 减少了充填胶凝材料用量， 降低了充 填成本。 参考文献 ［１］熊国雄．分段空场嗣后充填采矿法在铜绿山矿的应用［Ｊ］．现 代矿业，２ ０ １ ６（１ ０） ２ ６－２ ７． ［２］王 耀， 任高峰， 刘 涓， 等． 全尾砂胶结充填工艺在铜绿山 矿生产中的应用［Ｊ］．现代矿业， ２ ０ １ ０，２ ６（２） １ ０ ６－１ ０ ７． ［３］梅世洲．铜绿山矿新型胶结充填材料工业化试验［Ｊ］．现代矿 业，２ ０ １ ５（ ５） ２ ０ ６－２ ０ ７． ［４］邓代强， 高永涛， 姚中亮． 胶结充填材料力学特性影响因素回 归分析［Ｊ］．有色金属工程， ２ ０ ０ ８，６ ０（４） １ ２ ０－１ ２ ４． ［５］崔博强， 刘 音， 李 浩， 郭 皓， 路 瑶．化学激发水泥－粉 煤灰充填膏体胶凝性实验研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２ ０ １ ８， ３ ８（３） １ ２ ７－１ ３ １． ［６］罗建祥．影响 胶 结充填 体 强 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