张马屯铁矿全尾砂胶结充填试验.pdf

收稿日期 2000-09-01 作者简介 康建华 1963- , 男, 北京市人, 1982 年毕业于山东冶金工 业学院, 济钢设计院采矿工程师, 从事设计工作, “ 全尾砂胶结充填工 业性试验” 现场工艺技术负责人。 张马屯铁矿全尾砂胶结充填试验 康 建 华 济南济钢设计院, 山东 济南 250101 摘 要张马屯铁矿全尾砂胶结充填系统采用选矿厂两段脱水后的尾矿, 通过搅拌将全尾砂与水泥、 水混合制成高浓度均 质胶结充填料, 以管道全自流输送方式充入采空区,形成整体性强的大体积低标号胶结体。试验证明, 全尾矿胶结充填体的 整体性较好, 其强度能满足胶结充填需要; 采用全尾矿胶结充填封堵效果好, 脱水能满足要求, 且易实现接顶充填。 关键词全尾砂; 胶结充填; 铁矿 中图分类号TD853. 343 文献标识码B 文章编号 1004-4620200102-0039- 03 Experiment of Full Tail Sand Grouting Filling at Zhangmatun Iron Mine KANG Jian-hua T he Design Institute of Jinan Iron and Steel Group, Jinan 250101, China AbstractThe full tail sand grouting filling system at zhangmatun iron mine is to adopt tailings after two stage dewatering from washing plant,make homogeneous grouting filling material with high density from mixing full tail sand,cement and wa- ter throug h stirring and bulk and low grade grouting body with strong solidity, filling in gob taking pipe full self-flow- ing transport way. T he experiment has proved that the solidity of full tail sand grouting filling body is fairly good, its strength can meet the demand of grouting filling ,adopting full tail sand grouting filling has a g ood result of sealing, its dewa- tering can meet the demand and the jointing top filling is realized easily. Key wordsfull tail sand;grouting filling;iron mine 济南钢铁集团总公司张马屯铁矿 简称张马屯 铁矿 是一座大水矿山, 原采用空场采矿法采矿, 废 石或碎石充填, 大量矿柱不能回采, 矿石总回收率仅 56左右, 同时给矿山的防治水带来较大困难。 1992 年张马屯铁矿与长沙矿山研究院合作, 进行全尾砂 胶结充填和全尾砂块石胶结充填试验, 取得了较好 的效果。 1 矿山基本概况 1. 1 矿山地质 张马屯铁矿位于济南市东郊, 是济南铁矿区中 规模较大的一个矿床, 属接触交代- 热液铁矿床即 矽卡岩型铁矿床。 由东、 西两个矿体及少量零星矿体 组成。 矿床内构造比较简单, 为一单斜构造, Ⅰ号 西 矿体 分布于 5 线至- 11 线之间的接触带内, 矿体 形态复杂, 多呈扁豆状及透镜状, 顶部分支较多。矿 体长 690m, 矿体厚度 15～30m, 平均 21. 57m, 最大 75m。7 线以东矿体走向 NE, 倾向 NW, 倾角 10 ～ 30 , - 236m 标高以下 60 ～70 。7 线以西矿体走向 NE 转向SN, 倾向NW 转成近 W, 倾角10 ～30 。 埋 深约在220～434 m。 Ⅱ号 东矿体 分布于 4 线至- 1 线之间, 主要产于闪长岩与灰岩接触带内, 矿体呈 透镜状, 矿体走向 ME41 , 矿体长 460m, 厚度 20～ 40m, 平均 24. 7m, 最大 44m, 倾向 NW, 倾角 40 ～ 60 。沿走向由 W- E 由厚变薄, 埋深约 80～210m, 矿体顶部有分枝现象, 上部较缓, 下部较陡。 1. 2 水文地质条件 张马屯铁矿为大水矿山, 水文地质条件复杂, 经 过多次勘察和放水试验, 基本查明了矿山的水文地 质条件。矿床地下涌水量大, Ⅶ线以东- 280m 水平 为 63279m 3/ d, Ⅶ线以西 234403m3/ d。1976～1979 年实施小帷幕注浆堵水工程, - 280m 水平以上堵 水效果达 50 左右。为了提高帷幕注浆堵水效果, 于 1981 年又实施了补底工程, 堵水效果提高到 80 以上。1993 年 4 月开始实施大帷幕堵水工程, 39 第 23 卷 第 2 期 2001 年 4 月 山 东 冶 金 Shandong Metallurgy Vol. 23, NO. 2 April 2001 主矿体矿量大部分圈定在内, 帷幕线长1528m, 钻孔 173个。 1. 3 开采现状 矿区原用的回采方法为空场采矿法, 矿房、 矿柱 二步回采, 先采矿房, 后采矿柱。矿房采用分段凿岩 阶段矿房法 空场法 回采, 事后用松散的碎石作为 充填料填满采空区。 由于生产过程中的废石量较少, 远不能满足采后空区充填的需要, 留有大量空区存 在。对矿柱的回采, 虽经多方探讨, 仍未找到合适的 回采方法, 所以第二步骤的回采工作还未能进行。 致 使总回采率仅 56左右。另外该矿位于济南郊区, 地表有公路、 良田和村庄, 不允许地表陷落。采空区 的存在对其产生很大的危害, 同时, 还将对地下防水 治水的帷幕工程产生很大的危胁。 2 全尾砂胶结充填 1992 年, 济钢与长沙矿山研究院合作, 对张马 屯矿全尾砂胶结充填的可行性进行了研究。 1994 年 7 月建成全尾砂胶结充填生产线, 并投入使用。 该系 统全部采用国内先进设备, 输出管路总长 800m, 垂 直高差近 300m, 充填能力为 50m 3/ h。 2. 1 全尾砂胶结充填系统 张马屯铁矿充填系统以物化力学和胶体化学的 理论为基础, 直接采用来自选矿厂两段脱水后的尾 矿 含水率 20 左右 , 通过强力机械 活化 搅拌装 置将全尾砂与适量的水泥和水混合制成高浓度均质 胶结充填料, 以管道全自流输送方式充入采空区, 形 成整体性强的大体积低标号胶结体。系统采用半自 动化集中控制, 以实现各项技术指标的稳定控制。 2. 2 全尾砂胶结充填工艺流程 全尾砂胶结充填系统可分为四条线 全尾砂线, 水泥输送线, 供水线, 砂浆制备线。 工艺流程见图1 。 图 1 全尾砂胶结充填工艺流程图 2. 2. 1 尾砂输送线 10t 抓斗吊车从脱水尾砂池 抓运到尾砂料仓 40m3 , 通过单板振动放料机 FZC - 2. 3/ 1. 2- 3 强制卸料到 B650 胶带运输机 FD75 - 6563, L 为 207. 5m, 为 11. 17 。 卸料槽设计了2 个溜槽, 分别进入 2 台双轴搅拌机, 电子皮带秤计 量。 2. 2. 2 水泥输送线 水泥采用自备压缩空气的散 装水泥车运输, 卸入 6m 的圆筒型水泥仓 20t ; 仓 底设惯性振动给料斗 CD6PA 卸料, 经螺旋电子秤 自动计量后, 通过螺旋输送机 GX- 300, L 为 15m 输送到双轴搅拌机, 螺旋输送机有 2 个下料口 一开 一关 。 2. 2. 3 供水线 用水泵将河道水送入高位水池。 水经流量计输送到双轴搅拌机。 2. 2. 4 砂浆制备及输送线 全尾砂、 水泥、 水在双 轴搅拌机中搅拌后自流到高速搅拌机进行强力搅 拌, 然后通过 125mm 管道自流到采空区 800m 左 右 。 2. 3 充填料 根据矿山条件, 充填材料选择选矿厂尾砂、 425水泥、 井下掘进废石。全尾砂胶结料浆浓度 60 , 灰砂比 1∶5左右, 水泥单耗 200kg/ m 3。全尾 砂块石胶结充填时块石砂浆比 1∶2. 6。 充填采空区 时对料浆取样做试块, 测定抗压强度见表 1 。 表 1 料浆取样试块强度 试样灰砂比 浓度 / 60d强度 / MPa 90d强度 / M Pa 11∶558. 70. 560. 8 21∶569. 00. 721. 0 31∶561. 10. 360. 6 41∶4. 862. 50. 681. 48 51∶660. 50. 541. 18 61∶460. 80. 801. 14 71∶465. 10. 460. 97 2. 4 采空区充填 充填下料点设计原则是靠近采空区顶部中央位 置, 当长宽比较大时应采用多点同时下料。 根据现场 情况灵活布置, 选择在间柱上下料。 对于加块石的胶 结充填, 须保证料浆与块石同点同时下料, 废石输送 采用皮带运输机送至采空区。 采空区口设封堵墙。 靠 封堵墙和矿岩裂隙脱水。 充填每日两班作业, 一般空 区 60～90d 即可充填完毕。 2. 5 间柱回采 采空区充填结束, 待充填体凝固达到强度后即 可实施对间柱的回采。矿山采用分段凿岩阶段矿房 法回采间柱。间柱回采后, 充填体侧暴露 面积 40 2001 年4 月山 东 冶 金第 23 卷 1000m 2, 高约 50m。间柱回采后可以用非胶结充填, 如废石、 水砂等。 间柱回采与矿房回采采用相同的采 矿方法, 施工方便、 简单、 高效率、 高强度, 采矿方法 如图 2 所示。 图 2 间柱回采方案示意图 1 顶柱 2 全尾砂胶结体 3 底柱 4 充填巷 5 充填井 6 切割槽 7 出矿横巷 8 出矿巷 9 阶段运输巷 10 分段巷 11 凿岩巷 12 回采炮孔排面 13 矿石 3 几点认识 3. 1 全尾砂胶结充填体的强度 通过试验室试验和生产试验, 已证明全尾砂胶 结充填体的强度能满足胶结充填需要。长沙矿山研 究院对张马屯铁矿提供的全尾砂进行了实验室试块 实验, 单轴抗压强度可达 3～4MPa。实验结果表明 各项技术参数都能达到要求。 因各种原因, 在生产中 料浆试块强度远低于实验数据 表 1 , 仍经受了充 填体大暴露面积检验。对充填体的强度指标与充填 体的自立性的认识有待于进一步探讨。高浓度输送 能提高充填体强度但成本高, 系统建设投资大。 3. 2 全尾砂胶结充填的自立性 自立性对生产具有很高的实际意义, 充填体的 自立性好坏影响着采矿生产。 从理论上讲, 全尾砂胶 结体的自立性比棒磨砂或分级尾砂胶结体要差一 些, 但生产检验表明, 全尾砂胶结体经受中深孔爆破 采矿后, 在暴露高度 50m 时, 没有任何局部塌落现 象, 而采用棒磨砂胶结充填的充填体在暴露高度 39m 时局部出现塌落现象。分析认为全尾砂中极细 颗粒的存在使全尾砂具有一定的粘性, 增强了充填 体的整体性。分级尾砂或棒磨砂粘性极小。观察采 空区中的棒磨砂胶结体分级分层现象明显, 而全尾 砂胶结体分级分层现象不明显, 全尾砂胶结充填体 的整体性较好。 干全尾砂的自然安息角 75 ～90 , 其 它类砂的安息角远小于该数值。 据观察, 张马屯铁矿 的全尾砂在地面上风干后, 高度 3～4m、 坡度形成 80 ～90 时, 稳定状态极好。 3. 3 全尾砂胶结充填的脱水 有关资料中提出充填材料的渗透系数应达到一 定要求, 而全尾砂的渗透系数远达不到这一要求。 因 此多数矿山都选择了分级尾砂充填, 使用全尾砂胶 结充填的矿山也采用高浓度输送料浆。 试验表明, 全 尾砂胶结充填脱水靠渗透能满足脱水要求, 水主要 积聚在充填体的上层, 通过充填体上层处的封堵墙 和岩隙渗透排出, 充填体下层没有水渗出。 充填体上 表面水很快能消失, 充填体不会形成半流体状态。 3. 4 全尾砂胶结充填封堵 开始采用立柱加固, 铺钢网、 麻布、 滤布进行封 堵和脱水, 效果不好, 跑浆严重。后来又试验多种方 式, 最后采用红砖墙砌筑, 墙体厚 37cm, 封堵效果 好, 脱水能满足要求。关于封堵墙的强度, 在设计时 不应把充填体视为半流体计算墙体强度。 3. 5 管道磨损 全尾砂料浆对充填管道的磨损极小, 管道周边 磨损也没有明显区别, 经过几十万立方的充填, 管道 变化不大。 3. 6 接顶充填 全尾砂胶结料浆的安息角小于 5 , 棒磨砂胶结 料浆安息角 23 ～25 。采用全尾砂胶结充填很容易 实现接顶充填。 41 康建华 张马屯铁矿全尾砂胶结充填试验 2001 年第 2 期