李過(guò)生，趙元培，劉東銳，李向東，李春

(1.嵩縣前河礦業(yè)有限責(zé)任公司，河南 嵩縣 4 714332；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

充填采礦法常運(yùn)用于破碎難采礦體，且隨著國(guó)家安全環(huán)保政策的進(jìn)一步完善，充填采礦法的應(yīng)用會(huì)越加廣泛[1?3]。充填成本是應(yīng)用充填采礦法之前必須考慮的因素，而充填所需的強(qiáng)度直接決定了充填成本。一般來(lái)說(shuō)，在充填料漿中，膠結(jié)材料的成本最高，而其添加量直接影響充填體的強(qiáng)度。因此，如何選取膠結(jié)能力強(qiáng)、成本相對(duì)低、取材相對(duì)廣泛的膠結(jié)材料是采用充填采礦法的關(guān)鍵因素[4?7]。

前河金礦葚溝礦區(qū)為破碎帶蝕變巖型礦床，采礦方法主要為下向分層膠結(jié)充填法，充填系統(tǒng)采用管路運(yùn)輸充填材料[8?10]。水泥、砂石單價(jià)大幅度上漲，造成采礦成本過(guò)高，同時(shí)，充填體早期強(qiáng)度低，間接導(dǎo)致開(kāi)采效率低。為提高甚溝礦區(qū)采場(chǎng)回采效率、降低采礦成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、高效的開(kāi)采，公司開(kāi)展了充填工藝優(yōu)化研究，以及對(duì)C 料（即膠固料）、機(jī)制砂、全尾砂等材料的研究，從而實(shí)現(xiàn)降低充填成本、提高開(kāi)采效率的目的。

1 充填系統(tǒng)現(xiàn)狀

（1）充填系統(tǒng)。采用混凝土制備站間斷制備料漿，采用地表一段泵送，井下可實(shí)現(xiàn)全自流輸送充填和泵送充填兩種工藝，不受自流倍線對(duì)充填濃度的束縛，可提高充填濃度，提高充填質(zhì)量。

（2）充填材料及配比。以?2.5 mm 河砂作為充填骨料，P.C32.5 水泥作為膠凝材料，前河金礦下向進(jìn)路采礦方法要求充填體28 d 強(qiáng)度≥3 MPa，確定最優(yōu)灰砂比為1:6。

根據(jù)公司目前的充填系統(tǒng)應(yīng)用情況，在實(shí)際生產(chǎn)中存在以下問(wèn)題：

（1）充填成本高。采用下向水平膠結(jié)充填采礦法，所需充填體強(qiáng)度高，以水泥作為膠凝材料，用量大，單價(jià)高，整體充填成本高；

（2）充填體早期強(qiáng)度低。28 d 齡期的充填體強(qiáng)度僅為3 MPa，嚴(yán)重影響充采作業(yè)的連貫性，導(dǎo)致整個(gè)作業(yè)效率低。

2 充填材料配比試驗(yàn)

為了解決充填中存在的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)查對(duì)比，選用新型膠凝材料C 料作為膠結(jié)材料，與水泥作為膠凝材料分別進(jìn)行配比試驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)度、流動(dòng)性、成本、早強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 配合比試驗(yàn)

選取P.O32.5 水泥+機(jī)制砂+全尾砂、C 料+全尾砂作制備充填料，充填料配比試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，分別測(cè)定3，7，28 d 齡期抗壓強(qiáng)度。

表1 配比試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)要求，下向膠結(jié)充填體28 d 強(qiáng)度要達(dá)到4 MPa。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，使用灰砂比1:4 的水泥+機(jī)制砂+全尾砂充填勉強(qiáng)能達(dá)到要求；使用灰砂比1:8 的C 料+全尾砂充填，7 d 強(qiáng)度即可達(dá)到4 MPa要求。相較來(lái)說(shuō)，采用C 料后，充填體的早期強(qiáng)度要遠(yuǎn)優(yōu)于用水泥作為膠結(jié)材料。

2.2 輸送試驗(yàn)

根據(jù)配比試驗(yàn)結(jié)果，以及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，進(jìn)行了充填料漿塌落度試驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表2 充填料漿塌落度試驗(yàn)結(jié)果/cm

表3 料漿沉降時(shí)間試驗(yàn)

根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，塌落度在25～28 cm 范圍內(nèi)料漿流動(dòng)性較好，使用C 料+全尾砂后，充填料漿的坍落度均在25～28 cm 之內(nèi)，相較于采用水泥作為充填膠結(jié)劑的塌落度分布更為均勻，因此，充填料漿的整體流動(dòng)得到很大的改善，抗分層離析時(shí)間大大延長(zhǎng)，有利于料漿的輸送，對(duì)后期充填體強(qiáng)度有利。

從沉降程度來(lái)說(shuō)，水泥作為膠結(jié)材料時(shí)，最長(zhǎng)不沉降的時(shí)間為10 min，而用C 料作為充填膠結(jié)材料時(shí)的最長(zhǎng)不沉降時(shí)間超過(guò)60 min，大大改善了充填料漿的輸送性，為后續(xù)的充填管路改造提供了良好的基礎(chǔ)。

2.3 充填成本對(duì)比

依據(jù)配合比試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，灰砂比1:4時(shí)，28 d 強(qiáng)度剛達(dá)到4 MPa，此時(shí)水泥充填材料成本為221.24 元/m3。C 料+全尾砂充填對(duì)比成本，當(dāng)灰砂比1:6，成本170.1 元/m3，對(duì)比水泥+機(jī)制砂+全尾砂每立方降本50.42 元；當(dāng)灰砂比1:7，成本159.1 元/m3，對(duì)比水泥+機(jī)制砂+全尾砂每立方降本61.46 元；當(dāng)灰砂比1:8，成本148.9 元/m3，對(duì)比水泥+機(jī)制砂+全尾砂每立方降本71.66 元。

從室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)看，在達(dá)到充填強(qiáng)度的情況下，改用C 料作為膠凝材料，相較于水泥膠結(jié)材料，充填成本每立方米最低可降低50.42 元，最高可降低71.66 元。

3 研究成果及生產(chǎn)實(shí)踐

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將原有的充填系統(tǒng)進(jìn)行改造，把膠結(jié)充填材料改為C 料，骨料由機(jī)制砂改為全尾砂，并將充填管路改造為自流輸送。

在對(duì)充填材料及充填系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，礦房充填體早期強(qiáng)度高，充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間縮短50%，由7 d減少到3 d，回采作業(yè)效率提高50%，年增加效益168 萬(wàn)元，同時(shí)，充填體的終凝強(qiáng)度也大幅提高，有利于保證整體回采的安全性。膠結(jié)料成本減少14.2 萬(wàn)元/月，全年降低170.4 萬(wàn)元。

此外，骨料改為全尾砂充填以后，體現(xiàn)了以下幾方面優(yōu)勢(shì)。

（1）充填時(shí)管路不再漏漿，漏漿量減少80%以上，每月減少費(fèi)用1.98 萬(wàn)元，全年減少23.8 萬(wàn)元。尾砂價(jià)格50 元/m3，粗砂價(jià)格93 元/t，使用全尾砂充填成本更低，每月骨料成本降低約5.4 萬(wàn)元，全年降低64.8 萬(wàn)元。

（2）全尾砂對(duì)充填管路磨損小，管路使用壽命延長(zhǎng)，C 料充填以后，沒(méi)有再出現(xiàn)管路損壞。

（3）C 料充填體強(qiáng)度高，灰砂比1:6 時(shí)，充填體3 d 強(qiáng)度3.47 MPa，7 d 強(qiáng)度5.7 MPa，而水泥充填體28 d 強(qiáng)度才4 MPa，礦房安全性提高，不再出現(xiàn)掉塊、脫落等情況。

（4）C 料用量較水泥用量小，水化反應(yīng)熱小，礦房溫度降低，改善工人作業(yè)環(huán)境。

綜合以上可知，改用全新的膠結(jié)充填材料后，每年可取得的經(jīng)濟(jì)效益為403.2 萬(wàn)元，且安全性大幅提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。