低温陶瓷胶凝材料在大红山深部充填采矿中的应用

胡 远，周富成

(昆钢大红山铁矿， 云南玉溪市 653405)

低温陶瓷胶凝材料在大红山深部充填采矿中的应用

胡 远，周富成

(昆钢大红山铁矿， 云南玉溪市 653405)

大红山铁矿深部Ⅰ号铜矿带设计采用点柱式上向分层充填采矿法开采，充填材料为废石或分级尾砂。为降低分级尾砂胶结充填的成本及充填料浆脱水困难的问题，用低温陶瓷胶凝材料进行了尾砂胶结充填试验，并与水泥胶结尾砂充填作了对比。试验表明，在相同强度条件下，与水泥胶结充填相比，陶瓷胶凝材料尾砂充填可降低充填成本，并且可改善充填料浆的脱水效果。

上向分层充填采矿；分级尾砂胶结充填；低温陶瓷胶凝材料；充填成本；脱水效果

1 大红山铁矿I号铜矿带回采充填概况

大红山铁矿I号铜矿带150万t/a工程基建探矿后，矿体形态变得较为复杂，为适应矿体的变化，提高资源利用率，保证I号铜矿带开采引起的岩石移动不影响上部露天开采的安全，经分析比较后，确定采用点柱式上向分层充填采矿法开采，阶段高度100m，分段高度20m，分层高度4m，矿块长度50m，矿块宽度为矿体水平厚度(多层矿体时为多层矿体加夹石厚度)，矿块高度按一个分段高度划分，相邻矿块间留4m宽间柱，矿块内按18m间距留6m ×6m点柱；采场溜井按300m间距设置，进回风上山按600m间距设置。

各分层回采结束后要及时充填，充填时先用废石充填(有条件时)，再用分级尾砂充填，最后采用水泥尾砂浆进行充填，废石＋尾砂充填的厚度和水泥尾砂浆充填厚度暂分别按3.4m和0.6m考虑，每一分层充填厚度4m(同分层高度)。对比类似矿山，充填料浆主要参数暂定如下:充填用尾砂分级时考虑将－19 μm粒径尾砂含量控制在10%以下，充填用尾砂浆重量浓度为65%～70%，水泥尾砂浆重量浓度为68%～74%，胶结充填层灰砂比为1∶4。生产中充填料浆有关参数根据实际情况作适当调整。

对下中段还没有回采，而上中段要先回采的情况，考虑在先回采中段最下一个分层全部用1∶4灰砂比的水泥尾砂浆充填，并在其底板用Φ16mm钢筋铺设200mm×200mm的钢筋网，以利于下中段最上分段的回采。

2 大红山铁矿深部Ⅰ号铜矿带回采充填现状

大红山铁矿深部Ⅰ号铜矿带首采400m和500m中段，大部分盘区一分层胶结充填已经结束，部分采空已进入二分层废石＋全尾砂＋表层胶结充填。由于大红山铁矿选矿厂尾砂颗粒较细，致使尾砂用于充填后渗透性不强、脱水性较差，灰砂比为1∶4的胶结充填中形成的充填体抗压强度较低，无法满足采场采运要求。为此，现阶段将初步设计中设定的0.6m胶结面层加厚至0.8～1.0m，PSA42.5水泥灰砂比控制在(1∶3)～(1∶3.5)左右。因而，导致水泥消耗量增大，胶结充填成本大幅度增加。

3 低温陶瓷胶凝材料应用试验

大红山铁矿在2011年下半年开展的“微细粒铁尾矿固化干堆及井下充填扩大性工业试验”中，验证了低温陶瓷胶凝材料在固化微细粒铁尾矿方面有较好的效果，能够满足井下充填工艺要求，通过测算，低温陶瓷胶凝材料应用于生产实际中，可有效改善充填效果并节约充填成本。但是，由于与“微细粒铁尾矿固化干堆及井下充填扩大性工业试验”相比，尾矿情况与充填环境都发生了变化。因而有必要针对目前的尾砂及井下充填进行进一步试验，并确定合理的配合比及低掺量。

本次试验选取4048，4050，4066，4060四个盘区作为本次工业试验的试验采场，4048，4050，4066三个盘区用作低温陶瓷胶凝材料的试验，4048采场进行废石充填＋全尾砂充填＋1∶6掺量胶结充填；4050采场进行废石充填＋全尾砂充填＋1∶8掺量胶结充填；4066采场进行1∶20低掺量胶结充填＋1∶6高掺量胶结充填。另外，4060采场用作PSA42.5水泥的试验，进行废石充填＋全尾砂充填＋1∶4掺量胶结充填。

完成采场充填后，分别对不同时间段的充填料进行取样，并对试块进行抗压强度测试，测试数据见表1。对脱水充填的含水率测试数据见表2。

表1 抗压强度测试数据

4 效果分析

4.1 强 度

充填采场对胶结面层的充填体强度的要求为:3 d强度≥0.5 MPa，人可在充填体上行走、架设管道、凿岩等不下陷；7 d强度≥1.5～2.0 MPa，装载设备、装矿车辆等重型设备可自由行走，不出现下陷及明显路坑，不影响采场出矿。

就本次试验中，灰砂比为1∶4的42.5水泥5d强度为0.76 MPa，10 d强度为1.77 MPa，28 d强度为1.70 MPa；灰砂比为1∶6的低温陶瓷胶凝材料3 d强度为0.64 MPa，7 d强度为1.49 MPa，10 d强度为1.79 MPa，14 d强度为2.24 MPa。灰砂比为1∶4 的42.5水泥与灰砂比为1∶6的低温陶瓷胶凝材料胶结充填的效果基本相同，低温陶瓷胶凝材料的后期强度比水泥的要高。

4.2 脱水效果

以42.5水泥1∶4的充填效果作为对比，低温陶瓷胶凝材料1∶6的掺量的固结效果与其不相上下。因此，结合42.5水泥之前在生产过程中的应用情况，若灰砂比为1∶6的低温陶瓷胶凝材料在生产过程中使用，也能满足充填工艺要求。

关于采场的脱水效果试验，之前的充填未开展相关的对比试验。4048采场便是第一个采用全尾砂进行充填的二分层充填采场，但由于纯尾矿浆的脱水速度慢，该采场经过78 d的脱水后，在其上部仍不能自由走动，说明纯尾矿浆的脱水速度极慢，也充分的说明了纯尾砂铺底的充填方案脱水难度大、周期长，不能满足采场出矿的要求。另外，采用“废石＋全尾砂充填＋胶结充填”的充填方案其上部的全尾砂充填的脱水时间仍然较长，若工期紧张也仍然无法满足生产需求；并且，由于用于充填的废石是生产掘进过程中的废石，其产量难以满足各个采场的充填要求，尾砂充填量仍然很大，若脱水难度大、周期长，则势必会影响采矿生产。

采用低温陶瓷胶凝材料进行低掺量的尾砂胶结充填，其脱水速度快、周期短，可在12 h内把水滤干，并能达到一定的强度，满足下一道工序施工。

表2 含水率测试数据

4.3 经济分析

本次试验的目的是在满足工业应用的前提下，尽可能的降低充填成本，为Ⅰ号铜矿带的开发利用创造更好的效益。

4.3.1 面层充填的经济分析

达到相同效果的前提下，处理1 t尾砂的单价比较:

42.5水泥:450元/t÷4＝112.5元/t；

低温陶瓷胶凝材料:500元/t÷6＝83.3元/t。

按照目前深部Ⅰ号铜矿带的产量进行计算，其年充填量为66万m3，尾砂量126万t。若进行除一分层以外且不含废石充填，则:

面层充填量约为126万t/a×(0.8m÷4m)＝25.2万t/a；

采用42.5水泥进行灰砂比为1∶4的面层胶结充填，其水泥成本为:

450元/t×(25.2万t/a÷4)＝2835万元/a；

采用低温陶瓷胶凝材料进行1∶6的面层胶结充填，其固化剂成本为:

500元/t×(25.2万t/a÷6)＝2100万元/a。

在取得相同充填效果的前提下，使用低温陶瓷胶凝材料产生的费用将比采用42.5水泥产生的费用低。

4.3.2 底层充填的经济分析

目前，二分层的底层充填采用的纯尾砂充填或者是废石＋全尾砂充填方案，均难以满足采矿要求，充填采场的脱水效果势必要进一步加强。在“微细粒铁尾矿固化干堆及井下充填扩大性工业试验”中，验证了灰砂比为1∶30低温陶瓷胶凝材料在处理尾砂浓度为40%左右的尾矿浆时，其脱水效果仍十分理想，今后用于充填采场的底层时，若能将尾矿浆浓缩至50%左右的浓度，添加灰砂比为1∶30的低温陶瓷胶凝材料将可满足采场的脱水要求。此部分采用的固化剂成本为:500元/t×(126万t/a－25.2 万t/a)÷30＝1680万元/a；吨处理成本为:500元/t÷ 30＝16.7元/t。

4.3.3 充填尾矿固结成本分析

采用“底层低掺量全尾砂胶结充填＋面层高掺量分级尾砂胶结充填”的方案，可基本满足深部Ⅰ号铜矿带的充填及采矿要求，并可有效解决脱水效果差、尾砂利用率不高、尾矿库堆坝压力大等问题。

充填尾矿的综合固结成本:2100万元/a＋1680万元/a＝3780万元/a；

吨尾矿综合固结成本:3780万元/a÷126万t/a ＝30元/t；

换算成方量的单位成本:3780万元/a÷66万m3/a＝57.3元/m3。

5 结 语

(1)本次工业试验的目的是:验证灰砂比为1∶6的低温陶瓷胶凝材料是否能取得灰砂比为1∶4的42.5水泥的充填效果。试验结果表明，两者的充填体抗压强度基本相同。

(2)将低温陶瓷胶凝材料用作充填料，在与42.5水泥同等效果的前提下，其产生的费用将比42. 5水泥的低，能取得较好的经济效益。

(3)针对低温陶瓷胶凝材料良好的脱水效果，需要进一步验证其在尾砂粒度分布、尾矿浆浓度等因素发生变化后的实际使用情况，若能够进行低胶凝剂掺量的低浓度全尾砂胶结充填，则将对充填制备站造浆、尾矿库堆坝等带来巨大影响。

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2014-02-17)

胡 远(1986－)，男，注册安全工程师，采矿助理工程师，主要从事矿山采矿技术生产管理，Email:303322491 ＠qq.com。