高水充填采矿法在焦家金矿的应用.pdf

高水充填采矿法在焦家金矿的应用 赵传卿, 王红岩 山东黄金集团有限公司焦家金矿, 山东 莱州市 261441 摘 要 介绍了高水固结材料所具有的含水量高, 流动和悬浮性好, 适合长距离管道输送; 凝结速度快, 早期强度高, 后期强度稳定, 硬化体压裂后还能恢复其强度; 原材料广泛, 无 毒无害, 很适宜作矿山井下充填材料等突出特点。以此材料作为充填料进行了各种充填 采矿方案的工业试验。以下向进路充填法为例全面地介绍了采场构成要素、 回采工艺及 实践中的一些经验。总结了高水固结充填法的优点和不足, 指出了施工中应注意的问题。 关键词 高水固结材料; 充填材料; 下向进路充填法; 钢筋混凝土假底 1 前 言 山东黄金集团有限公司焦家金矿位于山东省莱 州市金城镇, 是我国 20 世纪 70 年代发现的新的金 矿成矿类型, 特命名为 焦家式金矿床 , 即破碎带蚀 变岩型金矿床, 并因此而驰名中外。矿体产于黄 掖弧形断裂下盘蚀变带中, 蚀变厚度为 50 400 m, 矿体上盘与主断裂之间有 5 30cm 的断层泥。矿 床以构造控矿为主要特征, 成矿前后区内地质活动 频繁, 次级构造较发育。次级构造沿主断裂走向 入 字型和帚状构造产状, 造成下盘矿岩中的 X 弱面纵横交错, 产状和规模各异, 矿岩极为破碎, 各 弱面间尚存在有厚度不等的高岭土、 绿泥石等泥质 矿物, 导致矿岩的稳固性更差。主干断裂多次受压 扭和张扭应力作用后, 沿走向、 倾向均成波形变化, 在凸出部位尚积蓄有部分残余应力。另外, 还有因 蚀变强度的差异而造成的矿石胶结程度不同, 部分 矿段高岭土化严重, 极为破碎。特别是北翼矿体, 地 质条件更为复杂、 恶劣, 岩石很不稳固, 极易发生塌 方冒顶现象。复杂恶劣的地质条件给矿山生产带来 了回采安全条件差、 劳动强度大、 矿块生产能力低、 充填强度低且整体性能差、 充填接顶困难、 矿石损失 贫化偏大、 水仓清理量大等技术难题, 严重制约着矿 山生产的发展。 为解决以上技术难题, 焦家金矿经过调查研究、 全面考察和多方面的论证后, 于 1993 年 5 月与中国 矿业大学北京研究生部合作, 进行了高水固结充填 采矿法的试验与研究。试验分为实验室试验、 露天 坑高水固结尾砂充填半工业性试验、 充填制备站系 统的改造和井下采场充填的工业性试验等几个阶 段。井下采场的试验又分为上向进路高水固结充填 法和下向进路高水固结充填法试验。试验历时一年 半, 1994 年 11月通过了国家科委技术鉴定。之后, 焦家金矿又对高水固结充填采矿法的部分工艺进行 了合理的改进, 现已趋于成熟。高水固结充填采矿 法已经在焦家金矿、 玲珑金矿灵山分矿等矿山取得 了成功应用与推广。其中尤以下向进路高水固结充 填采矿法的应用更为成熟, 优势更为明显。 2 充填材料 2. 1 高水充填材料 高水充填材料 简称高水材料 是 20 世纪 80 年 代末 90 年代初研究成功的新型胶凝材料。它是以 铝矾土、 石灰、 石灰石和石膏为主要原料, 配以多种 无机原料和添加剂等经过破碎、 烘干、 配料、 均化、 烧 制以及粉磨等工艺, 制成甲、 乙两种固体粉料, 主要 用于矿山井下充填、 地下注浆、 道路和地基建设等领 域。1994 年, 焦家金矿投资 1200 万元建成了年生 产高水材料 6 万 t 的高水材料厂。生产的高水材料 现在主要用于焦家金矿露天坑堵漏以及焦家金矿、 玲珑金矿灵山分矿和龙口矿务局北皂煤矿等矿山的 井下充填等。 高水材料具有如下主要特性 1 高结晶水性能。高水充填材料硬化体的主 要组成水化物相是钙矾石。钙矾石的结晶水含量高 达 46 以上, 钙矾石形成的网状或树枝状结构, 不 仅使硬化体有较高强度, 而且其孔隙内可以容纳大 量的吸附水, 其体积含水率达 90 以上。 第 2 卷 第 1 期 Vol. 2No. 1 采矿技术 Mining T echnology 2002年 3月 March. 2002 2 速凝早强性能。甲、 乙高水材料以 1 1 的 比例制成浆液, 混拌均匀后, 可在 5 30 min 内初 凝, 1 h 后即可承载, 并且还可以根据工艺的要求, 调节其初凝时间。固结后的高水充填材料硬化体强 度增长很快, 1 h 抗压强度可达 0. 5 1. 0 MPa, 2 h 抗压强度为 1. 5 2. 0 MPa, 8 h 抗压强度达 2. 5 3. 0 MPa, 24 h 抗压强度达 3. 0 4. 0 MPa, 7 d 以后 抗压强度可达到 5. 0 MPa 以上, 最终的强度可达 8. 0 MPa。 抗剪强度也很高, 7 d 稳定在 2. 5MPa 左 右。 3 悬浮性、 流动性和可泵性。组成高水材料 的甲、 乙两种固体粉料与水搅拌制成的两种浆液, 输 送或单独放置可达 24 h 不凝固, 不沉淀, 不结底, 具 有良好的悬浮性和流动性, 可泵时间长, 易于实现长 距离输送。 4 再生强度功能。高水材料硬化体压裂后, 在不失水的情况下, 存放一段时间, 还会使硬化体恢 复强度, 这种特性称为再生强度性能。高水材料硬 化体具有弹 塑性的特征, 当其单轴受压后, 原有的 裂隙被压密, 呈现弹性变形, 当外力继续加大, 材料 变形到屈服极限后, 并没有立即发生脆性破坏, 只出 现一定程度的破裂, 还具有一定的残余强度。在围 压的作用下, 硬化体更加密实, 强度也随之增大。这 一特性对井下地压管理有着十分重要的意义。 5 流变特性。高水材料开始加水时, 以粘塑 性为主, 逐渐向粘弹性发展, 其流变特性可用宾汉模 型来描述, 浆体的粘度越小, 可塑性越差; 浆体的粘 度越大, 浆体内分散体的内聚力就越大, 稳定性就越 好。 6 耐水性。高水材料硬化体放入水中或长期 埋入地下, 其硬化体的强度并不降低, 十分适合于地 下充填和作为基础工程材料。 7 材料本身无毒、 无害、 无腐蚀性。高水材料 甲料 pH 值为 9 10, 呈弱碱性; 乙料 pH 值为 11 12, 呈碱性, 原材料广泛, 无毒无害, 很适宜矿山的井 下充填。 2. 2 充填骨料 焦家金矿的充填骨料是选冶车间排出的分级尾 砂。尾砂的比重、 容重和孔隙率分别为 2. 61 t/ m3, 1. 60 t/ m3和 38. 7。尾砂的粒度分布见表 1。 由上表计算可得, 尾砂的平均粒径为 0. 15 mm, 不均匀系数为 2. 8。 尾砂的主要化学成分见表 2。 表 1 尾砂的粒度分布 粒径 m - 16- 24- 40- 76- 105- 280- 900 累计含量 1. 783. 039. 0624. 0144. 8093. 9099. 82 表 2 尾砂的主要化学成份 化学 成份 SiO2Al2O3 CaOMgOFeKS Au g/ t 其它 百分 含量 72. 58 13. 82. 270. 511. 484. 020. 140. 47 4. 73 充填材料配比见表 3。 表 3 充填材料配比 尾砂浆浓度 胶结剂含量 胶结剂单耗 kg/ m3 单轴抗压强度 MPa 1d3d7d 7061050. 550. 660. 78 7081401. 051. 251. 65 3 采场构成要素与回采 3. 1 采场构成要素 采场沿走向布置, 长度为 60 90 m, 宽度为矿 体水平厚度, 高度为中段高度, 即 40 m, 采场内进路 均垂直矿体走向布置, 进路设计规格 宽 3 3. 5 m, 高 3 3. 5 m。 3. 2 采切工程 从主斜坡道掘进下盘脉外分段平巷, 从分段平 巷掘进分层联络巷到矿体下盘, 同时在分层联络巷 附近适当位置掘进通风充填井以及出矿溜井, 之后 在矿体下盘拉下盘沿脉巷道, 完成采切工程。 3. 3 回采与出矿 采场进路垂直矿体走向布置, 由两翼向中央后 退顺序回采。回采过程中, 用 YT - 27 气腿式凿岩 机凿岩, 炮孔深为 1. 8 2. 0 m。炸药为 2岩石炸 药, 采用非电导爆管起爆, 每循环进尺 1. 5 1. 8 m。 采场用 ST2 铲运机出矿。 每条进路回采完毕后, 要制作钢筋混凝土假底。 用配比为 6的高水尾砂固结材料充填至接顶。 4 采场充填 4. 1 钢筋混凝土假底的制作 当采场进路回采结束验收后, 将底板整平并垫 少量碎矿压实, 使进路一侧或两侧全部暴露出假底 9 第 2 卷第 1 期 赵传卿, 王红岩 高水充填采矿法在焦家金矿的应用 以及预留钢筋。侧帮为岩体时, 要在距底板 1. 0 m 高的岩体中打孔并镶入涨壳式锚杆 孔距为 1. 0 1. 5 m, 眼深 0. 5 m , 用以悬挂钢筋, 使假底与岩石 成为一体; 侧帮为矿体时, 将横筋预留约 800 mm 长, 以备与下条进路假底相连接。 铺设钢筋网之前, 先在进路底板上铺设一层塑 料薄膜, 以防止水泥浆液渗入底板。铺设的钢筋网 与锚杆或预留钢筋相焊接, 横筋与竖筋相联处, 用细 铁丝捆扎牢固。钢筋直径为 12 mm, 网度为 300 mm ∀ 300 mm, 混凝土厚度为 400 mm。 钢筋网铺设完成后, 用铲运机将粗料 石子 和 细料 砂和水泥 以及水搅拌均匀, 其配比为水泥石 子砂水 280kg0. 9m30. 45m30. 187m 3, 制成 150混凝土, 再由里向外依次浇注, 并用振动棒捣 密实, 制成人工假底。人工假底制作完毕后, 应有 8 h 以上的养护期方可进行充填作业。 4. 2 架设充填管路以及封闭隔离墙 木板墙 混凝土假底形成后, 即可架设充填管和排气管, 两管均悬吊于进路的最高处, 排气管口略高于充填 管口, 这样可保证最大限度接顶, 之后在待充进路外 口一次性牢固封闭, 木板墙, 内侧用塑料薄膜密封。 4. 3 充填工序 焦家金矿高水充填工艺是选用高水速凝材料代 替水泥作为胶凝剂, 用分级尾砂作为骨料进行高水 固结尾砂充填。充填系统及工艺见附图。 附图 高水固结充填制备系统 来自选厂的尾砂由吸砂池通过 4PNJ 砂泵泵至 砂仓顶部, 经直径 500 mm 旋流器分级脱泥, 37m 尾砂直接落入砂仓储存并沉淀为饱和状尾 砂; - 37 m 的尾砂 细泥 经旋流器溢流口排至马 尔斯泵站, 经管路排至北海尾矿库。充填时, 饱和尾 砂经砂仓底部的风水造浆成流动浆体, 由底部放砂 口进入放砂管至搅拌筒。 在进行高水材料充填时, 将甲、 乙两种粉料分别 加入两套均盛有尾砂浆的搅拌筒内, 分别搅拌成甲、 乙两种浆液, 再由两套泵送同步输送到采场, 然后在 采场内通过三通混合器将两种浆液均匀混合并充入 待充空区, 充填料浆不需要脱水, 可很快形成一定强 度的充填体。 焦家金矿充填制备站建有自动化控制系统, 充 填工艺参数 流量、 浓度、 时间、 充填量 可由该系统 自动显示并加以控制, 充填时只需将待充空区体积 数据输入该系统, 即可顺利完成充填作业。 现在一般用 6 的高水材料充填, 一次性接顶, 其充填体强度、 接顶效果完全满足安全回采的需要, 并且矿石损失率、 贫化率指标也明显降低。 4. 4 下向进路高水充填法主要技术指标 近几年来的采矿技术指标如下 采矿损失率 1 3. 5; 矿石贫化率 0. 65 3. 55 ; 高水材料单耗 105kg/ m3; 充填能力 60 80m3/ h; 矿块生产能力 55. 60t/ d 两班作业 , 比普通上 向水平充填采矿法提高十几吨; 采矿工效 13. 4 吨/ 工班 上向采矿法为 12 吨/ 工班 ; 10 采矿技术 2002 年 3 月 吨矿炸药消耗 0. 31kg/ t。 5 结 语 下向进路高水固结尾砂充填采矿法在焦家金矿 的成功应用, 解决了极破碎矿体回采中的技术难题, 克服了上向进路水泥尾砂胶结充填采矿法的一些弊 端。其主要特点是 1 高水充填采用同一配比, 可一次性连续充 满空区, 不仅减少了充填次数, 更利于提高充填浓度 重量浓度达 68 72 , 提高充填体强度。 2 高水充填接顶效果好, 降低了劳动强度, 增 强了顶板的稳定性, 改善了采场作业安全条件, 极适 宜于破碎矿体的回采。 3 充填能力大。充填体在采场内速凝早强、 养护期短, 缩短了采场作业循环时间, 从而也相应提 高了采场的生产能力。 4 作业环境得到了极大改善。由于高水充填 不脱水, 没有充填料的离析, 使得采场的生产条件得 到彻底改善, 也减少了井下排泥工作量; 由于采场顶 板是人工混凝土假底 顶 , 所以没有浮石伤人的危 险性, 安全性得到了保障。 5 高水充填体整体性能好, 侧帮直立性强, 可 以减少矿石的贫化。 6 采矿损失率与贫化率大大降低, 提高了矿 石回收率。 值得注意的几个问题是 1 矿块回采需采用控制爆破技术; 2 假底 顶 施工一定要保证混凝土的质量; 3 充填前将进路中的水排到进路以外, 充填 开始和结束时用于冲洗充填管路的水必须排放在进 路外, 并且不得回流到充填空区内; 4 充填必须确保接顶, 才能为相邻进路的回 采提供安全保证。 经过几年的实践证明, 下向进路高水固结尾砂 充填采矿法在焦家金矿应用取得了成功, 其工艺运 行稳定, 技术比较成熟。该充填采矿方法在极为破 碎的矿体中具有较好的应用前景, 有进一步推广的 实际意义。 参考文献 [ 1]孙恒虎, 刘文永, 等. 高水固结充填采矿[ M] . 北京 机械工业 出版社, 1998. 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