鏡鐵山礦銅礦充填分層離析原因分析及控制措施

陳治國(guó)

（甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司，甘肅，735100）

鏡鐵山礦銅礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力30 萬(wàn)噸，服務(wù)年限20 年，礦體厚度5m～20m 的礦體，采用沿走向布置的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。近年來(lái)，隨著開(kāi)采的推進(jìn)，在充填過(guò)程中充填體分層離析現(xiàn)象，影響充填體內(nèi)巷道的掘進(jìn)，嚴(yán)重制約了礦山生產(chǎn)能力的提高和達(dá)產(chǎn)，也給井下安全生產(chǎn)造成威脅。

1 充填體分層離析的危害

充填體分層離析是指充填采礦中充填料漿拌和物組成材料之間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，膠凝劑與其它拌和物成分相互分離，造成內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。通常表現(xiàn)為粗骨料與漿體相互分離，密度大的顆粒沉積于采場(chǎng)底部。充填體發(fā)生分層離析，可能產(chǎn)生以下危害。

（1）充填體離析分層致使充填體局部強(qiáng)度降低、整體性變差，引發(fā)人工假頂脫層、片幫冒落等質(zhì)量問(wèn)題。

（2）充填體強(qiáng)度大幅度下降。嚴(yán)重影響充填體結(jié)構(gòu)承載力，破壞結(jié)構(gòu)的安全性。

2 充填分層離析原因分析

充填體產(chǎn)生分層離析，除攪拌方法、攪拌時(shí)間長(zhǎng)短因素外，主要受料漿濃度過(guò)低、尾砂級(jí)配不合理、采場(chǎng)充填方式等因素影響。

（1）充填料漿濃度不合理。試驗(yàn)表明，隨著濃度的降低，膠結(jié)充填料漿的流態(tài)特性逐漸發(fā)生變化。在料漿濃度較低時(shí)，充填料漿為非均質(zhì)的固液兩相流時(shí)，可在管道輸送或采場(chǎng)中自然產(chǎn)生離析；當(dāng)濃度逐步升高并穩(wěn)定為似均質(zhì)的結(jié)構(gòu)流體，即“臨界流態(tài)濃度”時(shí)，漿體均勻無(wú)離析現(xiàn)象。

（2）充填料漿級(jí)配不合理。尾砂是充填料漿中用量最大的材料，尾砂的質(zhì)量直接影響充填料漿的質(zhì)量，尾砂級(jí)配的波動(dòng)容易造成充填料漿的離析。尾砂中的粗顆粒量過(guò)大，將嚴(yán)重影響料漿的和易性，導(dǎo)致嚴(yán)重離析[1]；含泥量過(guò)大將使水泥漿同骨料的粘結(jié)力降低，水泥漿對(duì)骨料的包裹能力下降，導(dǎo)致骨料分離，產(chǎn)生料漿離析現(xiàn)象。因此，尾砂粒徑增大、級(jí)配變差、單一級(jí)配都容易造成料漿離析現(xiàn)象，在采場(chǎng)產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象。

（3）采場(chǎng)充填方式。采場(chǎng)充填方式所造成的分層離析，其從根本上來(lái)說(shuō)也是因?yàn)槌涮罘绞綄?duì)充填濃度的影響而引起的。充填系統(tǒng)啟動(dòng)之前，需要先向管道放引路水潤(rùn)濕管道，充填結(jié)束時(shí)需要放水沖洗管道，引路水及洗管水均直接進(jìn)入采場(chǎng)，對(duì)充填料漿產(chǎn)生稀釋作用，降低了充填料漿的濃度。如果充填系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間足夠長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)機(jī)頻率足夠小，引路水及洗管水所引起的充填料漿濃度降低可以忽略；如果充填系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間短，單次充填量小，則引路水和洗管水對(duì)充填料漿濃度的影響將起到?jīng)Q定性的作用。充填料漿濃度降低，勢(shì)必造成充填料漿分層離析。

3 充填分層離析原因確定

鏡鐵山礦設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填工藝，選廠全尾砂經(jīng)濃密后底流排放濃度為45%，泵送輸送至充填料制備站的臥式尾砂池。充填站設(shè)置兩個(gè)臥式砂池，兩個(gè)砂池交替使用。進(jìn)砂時(shí)通過(guò)倉(cāng)頂溢流口進(jìn)行溢流，進(jìn)砂完畢后經(jīng)自然沉降脫水達(dá)到最大沉降濃度，充填前打開(kāi)排水設(shè)施，排除砂面以上的澄清水。溢流水和澄清水由溢流水倉(cāng)短暫存儲(chǔ)后，泵送輸送至選礦廠回用。砂倉(cāng)內(nèi)飽和砂漿經(jīng)壓氣造漿、管道放砂，放入攪拌機(jī)中攪拌，水泥和調(diào)濃水經(jīng)過(guò)各自的供料設(shè)施添加到攪拌機(jī)中。充填料漿采用兩段連續(xù)攪拌制備，攪拌好的充填料漿進(jìn)入料斗供給充填輸送泵（活塞泵），經(jīng)井下充填管網(wǎng)泵送輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。充填料漿制備濃度為68%～72%。

根據(jù)上述工藝流程，尾砂濃密主要是依靠?jī)蓚€(gè)臥式砂池交替使用，即一個(gè)進(jìn)砂、沉降、脫水，另一個(gè)壓氣造漿充填，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)充填。單個(gè)砂池容積為840m3，有效容積為750m3，沉降排水后的可用于充填的高濃度尾砂為400m3～500m3。

但是在實(shí)際充填過(guò)程中，未添加絮凝劑加之尾砂粒度較細(xì)，臥式砂池沉降效果較差，即使較長(zhǎng)時(shí)間的濃縮，仍然有大量的細(xì)顆粒隨溢流水排走，實(shí)際充填濃度都在68%～69%，因此臥式砂池沉降效果較差，導(dǎo)致放砂濃度低，進(jìn)而造成充填料漿的濃度較低是充填料漿分層離析的原因之一。

此外，充填過(guò)程中，因沉降時(shí)間較長(zhǎng)，難以達(dá)到兩個(gè)臥式砂池交替使用的目的，經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)臥式砂池的尾砂已經(jīng)充填完畢，而了另一個(gè)砂池的尾砂尚未沉降結(jié)束，導(dǎo)致必須停機(jī)，一次充填只有一個(gè)砂倉(cāng)的量。2017 年～2018 年各月的充填量可以看出，充填料漿制備輸送量主要在300m3/d～500m3/d，而充填系統(tǒng)運(yùn)行前后都要放水沖洗管道，流量一般為50m3/h，沖洗時(shí)間約30分鐘～40分鐘，每次約25m3～30m3沖洗水進(jìn)入采場(chǎng)，使得采場(chǎng)內(nèi)的充填料漿濃度降低約5%～10%，即采場(chǎng)的實(shí)際料漿濃度只有60%～65%，充填料漿濃度稀釋降低，必然引起充填料漿分層離析。

由上述可見(jiàn)，鏡鐵山礦充填料漿在采場(chǎng)發(fā)生分層離析的原因主要是：由于臥式砂池濃密效果差，造成放砂濃度過(guò)低和連續(xù)充填時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致充填料漿制備濃度低，進(jìn)入采場(chǎng)后又被引路水和沖洗水稀釋，濃度進(jìn)一步降低所造成的。

4 防范措施

基于上述造成充填料漿分層離析原因的分析，根據(jù)鏡鐵山礦銅礦充填系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出以下措施。

4.1 優(yōu)化充填系統(tǒng)工藝流程

尾砂的濃密存儲(chǔ)工藝由原來(lái)的雙臥式砂池濃密存儲(chǔ)改為由高效深錐濃密機(jī)配臥式砂池濃密存儲(chǔ)。一方面，提高了穩(wěn)定放砂濃度，保證充填濃度達(dá)到74%；另一方面可以邊濃密邊充填，實(shí)現(xiàn)充填系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行18 小時(shí)以上，極大限度的降低洗管水對(duì)充填濃度的影響。通過(guò)提高充填料漿濃度和延長(zhǎng)連續(xù)充填時(shí)間，減少分層離析現(xiàn)象。

4.2 引路水及洗管水外排

充填引路水和洗管水均屬于系統(tǒng)運(yùn)行的必須環(huán)節(jié)，不能取消。但是洗管水和引路水直接排入采場(chǎng)，對(duì)充填料漿的濃度進(jìn)行稀釋，是充填料漿在采場(chǎng)產(chǎn)生分層離析的主要原因之一，必須加以控制。為了控制引路水及洗管水對(duì)充填料漿濃度的影響，在通往采場(chǎng)的分支管道上安裝三通閥，將充填引路水和洗管水排至采場(chǎng)外，有效避免引路水和洗管水對(duì)充填料漿濃度的稀釋。

三通閥必須滿足以下要求：①閥體在換向過(guò)程中管路中的流體不允許瞬間流量有太大變化，以避免形成應(yīng)力波造成管道堵塞；②閥芯的活動(dòng)不能受到管道中兩相流的影響，即閥芯不被固相砂粒卡死；③因?yàn)橥ㄟ^(guò)閥體的流體流量大、流速高、壓力大，要求閥門有很高的強(qiáng)度，故閥門應(yīng)采用耐磨性和抗沖刷性好的材料；④閥體要安裝在采場(chǎng)充填管路上，高空中進(jìn)行安裝，閥體重量要盡可能輕，以便于安裝和操作；⑤閥芯在充填過(guò)程中可以任意換向，操作簡(jiǎn)單，由一人可完成，即要求閥芯操作簡(jiǎn)單靈活。

4.3 優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)

充填站原設(shè)計(jì)有完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可對(duì)充填系統(tǒng)運(yùn)行各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋與自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)現(xiàn)有充填站控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的自動(dòng)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)充填生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)控制，減少人工操作對(duì)料漿配比及濃度造成的影響，保證穩(wěn)定的充填料漿濃度，以降低充填體分層離析程度，確保充填體質(zhì)量。

4.4 加強(qiáng)充填管理

除了先進(jìn)的充填工藝和完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)外，充填系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的管理也對(duì)充填質(zhì)量也起到至關(guān)重要的作用。因此，解決充填分層離析問(wèn)題，除了從技術(shù)上采取措施提高充填料漿濃度之外，還要加強(qiáng)充填管理，提高操作水平和操作質(zhì)量，排除人為因素對(duì)充填料漿濃度的影響。

（1）根據(jù)采礦方法的要求進(jìn)行采場(chǎng)充填設(shè)計(jì)是控制充填質(zhì)量和充填成本的關(guān)鍵，在充填之前，必須有標(biāo)準(zhǔn)的采場(chǎng)充填單體設(shè)計(jì)，含充填地點(diǎn)、充填量、充填濃度、灰砂比、擋墻設(shè)計(jì)等主要內(nèi)容。

（2）根據(jù)充填單體設(shè)計(jì)進(jìn)行采場(chǎng)充填，嚴(yán)格按照采場(chǎng)充填設(shè)計(jì)的濃度及灰砂比進(jìn)行充填，并保證充填料漿的濃度及配比穩(wěn)定，不得隨意降低充填料漿濃度和改變灰砂比。

（3）充填前，架設(shè)好采場(chǎng)充填擋墻和充填管道，并對(duì)充填系統(tǒng)主要設(shè)備和主要充填管道進(jìn)行仔細(xì)的檢查，在確保一切完好，井上井下聯(lián)絡(luò)暢通之后再開(kāi)始充填，做好充填準(zhǔn)備工作，降低停機(jī)次數(shù)，提高連續(xù)充填時(shí)間。

（4）在充填系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，及時(shí)取樣進(jìn)行充填料漿濃度及強(qiáng)度的檢測(cè)。填料漿濃度取樣檢測(cè)時(shí)間間隔不小于1 小時(shí)，每班至少取一次樣澆筑試塊進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，如有多種灰砂比，應(yīng)對(duì)不同灰砂比均取樣進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

（5）在充填系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間（一般10～30 分鐘）對(duì)充填系統(tǒng)運(yùn)行情況（如放砂流量、放砂濃度、水泥給料量、充填料漿濃度及流量等）進(jìn)行記錄，以保證充填系統(tǒng)運(yùn)行情況有據(jù)可查，為事后充填質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

（6）對(duì)于充填系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所發(fā)生的事故及故障，進(jìn)行仔細(xì)的記錄，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，防止類似事故的再次發(fā)生，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，可提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率。

（7）加強(qiáng)交流與學(xué)習(xí)，借鑒先進(jìn)的操作及管理經(jīng)驗(yàn)。目前我國(guó)采用充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采的礦山已經(jīng)非常多，許多礦山都不同程度的存在著充填分層離析現(xiàn)象，各礦山在各自的充填作業(yè)過(guò)程中，對(duì)于處理類似問(wèn)題均積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。鏡鐵山礦應(yīng)多與兄弟單位進(jìn)行走訪交流，通過(guò)交流學(xué)習(xí)，可開(kāi)拓視野、增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)、交流經(jīng)驗(yàn)，提高自己的管理水平。

5 結(jié)語(yǔ)

一步驟的采場(chǎng)充填體的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)系到二步驟礦柱能否順利開(kāi)采，也是降低開(kāi)采損失率和貧化率的關(guān)鍵。充填體分層離析現(xiàn)象，嚴(yán)重影響充填體質(zhì)量，通過(guò)對(duì)其分析研究，采取防范措施，目前，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)灰砂比的強(qiáng)度測(cè)試值，均達(dá)到了充填體強(qiáng)度要求的標(biāo)準(zhǔn)；而且，從日常充填料漿取樣檢測(cè)結(jié)果看，也達(dá)到了充填體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，鏡鐵山礦充填體質(zhì)量滿足要求。