4-金属矿山胶结充填体强度影响因素的实验与优化

金属矿山胶结充填体强度影响因素的实验与优化

一、研发背景

焦家分矿为焦家金矿的主矿区，在生产过程中，经常出现尾砂片落、C料与尾砂离析分层等现象，不仅危害作业人员的安全，同时较大的贫化率也提高了采选成本。究其根本，造成以上现象的主要原因是充填体强度未能完全满足生产需求。因此，现阶段展开充填体强度影响因素的实验研究以及结合实验结果对现有系统进行改造和优化显得尤为重要。

本项目主要分为探究尾砂级配、充填料浆浓度、充填料浆搅拌时间以及充填C料存放时间四种因素对金属矿山胶结充填体强度的影响，以此对现有系统进行准确有效分析，揭露出现有系统存在的不足及瓶颈，并结合实验结果及时进行优化调整，以此达到最佳运行状态。

二、研究内容

（一）关于影响充填体强度因素的实验

1、尾砂级配对胶结充填体强度的影响实验

由于焦家金矿采用分级尾砂胶结充填采矿法，充填体中尾砂粒径分布即尾砂级配是关乎充填体强度的重要因素，也是决定充填质量好坏的重要一环。因此，针对选取最优尾砂级配展开实验。

（1）通过对选厂尾砂进行多次筛分，全尾砂平均粒级分布为：+100目占比27.1%、+200-100目占比20.8%、+400-200目占比20.3%、-400目占比31.8%。

（2）利用筛分出的各粒级干砂，合理组合级配，为后续充填体强度实验做准备。根据理论及长期实践经验，充填体中-400目（37μm以下）含量在10%-20%之间效果最佳。因此，设定-400目尾砂含量为15%，其余粒级分布进行合理组合，见表1。

                             表1 各尾砂级配表

（3）






根据表1中10组尾砂级配，分别制备灰砂比1:4、1:10、1:20充填体，当充填体满3天、7天、14天龄期后，分别进行单轴抗压强度实验。

（4）






在Smart Test测试软件中新建任务，将充填体试块放到万能试验机指定区域，调整好压板位置和速度，发送指令进行实验。实验结束，将数据整理归档，做好对比分析。

以上为实验期间充填体试块的制备、强度测试及部分组别实验报告。最终实验结果如表2所示，充填体强度单位为MPA。

表2 各级配充填体单轴抗压强度表

通过观察可知，在一定范围内，粗尾砂含量越高，充填体强度越大。充填体中粗尾砂含量过高而细尾砂含量过低虽然在早期强度表现不错，但后期强度却不如粗细尾砂级配分布合理的充填体。经过实验确认，适用于焦家分矿的尾砂级配为：+100目占比30±2%、+200-100目占比30±2%、+400-200目占比25±2%、-400目占比15±2%，将在后续进行尾砂级配优化。

2、充填料浆浓度对胶结充填体强度的影响实验

充填料浆浓度是影响充填体强度的另一重要因素。由以往生产经验可知，充填浓度过低，往往会造成料浆凝固满、滤水时间长、C料离析分层、贫化率高等，既危害了作业人员的安全，又造成了采矿成本增高，经济效益降低。本实验一是通过实验测试充填体强度与充填料浆浓度是否呈正比关系，二是根据实验结果确定合理的板墙拆卸时间。

本实验选取实验1中最终选择的级配尾砂作为骨料，分别与充填C料及充填水配制60%、65%、70%浓度的充填料浆，制备充填体并养护，经单轴抗压强度测试得出1-14天的充填体强度实验结果见表3，充填体强度单位为MPA。

表3 各配比充填体在不同浓度条件下单轴抗压强度表

根据表3数据，观察可知：

①充填体强度与充填料浆浓度呈正比关系，在外界条件一致的前提下，料浆浓度越高，充填体强度越高。

②充填体前期强度增长速度要快于后期强度增长速度。在外界条件一致的前提下，1-7天充填体强度增长速度比8-14天充填体强度增长速度快。

③在养护期为1天的条件下，灰砂比1:10和1:20的充填体在60%和65%浓度的情况下，均无法自立，不能拆模。且灰砂比1:20的充填体在60%浓度，养护期2天的情况下也无法自立，不能拆模。

因此，我们可以得出以下结论：

①充填料浆浓度影响着充填体的质量，料浆浓度越高，充填体质量越好。因此，在生产过程中，在保证自流及泵送正常、不堵管的情况下，提高充填输送浓度会提高充填体的质量，确保作业安全，降低贫化率，提高经济效益。

②由于焦家分矿充填接顶灰砂配比多为1:10和1:20，自流输送采场的充填浓度介于65%-70%。因此，当充填料浆浓度在65%左右时，充填接顶完毕后，若在1天之内拆板墙，最后接顶部分的充填体无法自立。而焦家矿区浅部泵送采场，由于充填料浆输送困难，因而浓度多在60%左右。当充填接顶完毕后，若在1天之内拆板墙，最后1:10接顶部分的充填体无法自立，而1:20接顶部分的充填体2天之内无法自立。若在短期内拆除板墙进行采掘作业，不仅安全无法保障，而且会造成相邻进路采矿贫化率增大，降低经济效益。

③在充填接顶后，使用灰砂比1:10且充填浓度60%-65%接顶的采场，需间隔2天以上进行板墙拆除及采掘作业。使用灰砂比1:20且充填浓度65%左右接顶的采场，需间隔2天以上进行板墙拆除及采掘作业。若使用灰砂比1:20且充填浓度60%左右接顶的采场，需间隔3天以上进行板墙拆除及采掘作业。如果生产条件允许，可以适当延长充填体养护时间从而降低炮击时的尾砂片落量，降低贫化率。

3、充填料浆搅拌时间对胶结充填体强度的影响实验

现焦家分矿充填站1-4#搅拌桶均为规格ø1.5m*1.5m，有效容积约2.25m³，经测定，料浆在桶中搅拌时间约2min。而5#搅拌桶规格ø2.0m*2.1m，有效容积约5.8m³，经测定，料浆在桶中搅拌时间约5.5min。根据生产经验，在使用同一砂仓和同一批次C料的情况下，经5#搅拌桶充填的采场充填体质量更优，使用1-4#搅拌桶充填至井下的充填料浆离析分层现象较经5#搅拌桶充填的采场更明显。现进行不同搅拌时间情况下，最终充填体的强度对比实验。

与实验1、2不同的是，实验3配制灰砂比1:4、浓度70%的充填料浆。在尾砂、C料与水混合后，采用顶置式搅拌器分别搅拌1、2、3、4、5、6min，用同样的浇筑及养护方式进行，最后进行养护期3天、7天、14天的单轴抗压强度实验，测得实验结果见图5，充填体强度单位为MPA。

由图可知，充填体强度随着料浆搅拌时间的增长而增加。因此提高搅拌效率或时间，可以使料浆搅拌更加均匀，提高料浆制备质量。同时能够减少C料结块以及沉淀分层、离析现象，提高充填体强度，保证充填体质量。

4、充填C料存放时间对胶结充填体强度的影响实验

焦家分矿充填胶凝材料使用的是焦家金矿建材公司自主生产的尾砂固结材料充填C料，与普通硅酸盐水泥相比具有配制充填体强度高，价格相对低廉等优点，广泛应用于焦家金矿及周边矿山的充填作业。此实验是对充填C料不同存放时间下的标准稠度及凝结时间测定，以及与尾砂配制成充填体后的强度测试，以此来反应充填C料对充填体强度的影响。

充填C料标准稠度、凝结时间通过维卡仪进行实验测定。本实验分别测量C料放置1天、3天、5天和7天条件下，C料的标准稠度与凝结时间，以及与尾砂配制成灰砂比1:4、浓度70%的充填体的强度。实验结果见表4、表5，充填体强度单位为MPA。

表4 标准稠度、凝结时间表                 表5 充填体单轴抗压强度表

由以上实验结果可知，C料存放初期，标准稠度变化不大，随着存放时间的延长，标准稠度即用水量有所增加，同时初凝及终凝时间延长，且对终凝时间影响越来越大。对于充填体强度来讲，早期强度下降快且幅度大，后期强度较早期强度来讲下降滞后，且下降幅度较小。因此，在充填过程中，尽量用最新批次C料，同时要避免C料积压时间过长，导致效果下降。

（二）结合实验结果对系统进行优化

1、对砂仓旋流器进行检查，取沉砂及溢流进行浓度测试及尾砂粒级筛分，结果显示3#旋流器平均沉砂浓度仅为40%，平均溢流浓度却达到42%，造成后续造浆浓度偏低。沉砂粒度中+100目占18.9%，+200-100目占26.1%，+400-200目占28.4%，-400目占26.6%，尾砂偏细，与实验1最终确定的尾砂级配差距较大。而溢流粒度中+100目29%，+200-100目占18.9%，+400-200目占21.5%，-400目占30.6%，结果显示溢流尾砂中粗粒级含量较多，旋流器跑粗现象明显，分级失效。

在排除旋流器进料口、沉砂口以及溢流口问题后，对旋流器内衬进行检查，发现6台旋流器聚氨酯内衬磨损厚度均超过50%，其中3台磨损厚度近乎100%，需及时更换。经工作人员紧张更换和调试，旋流器成功试车运行，但观察发现沉砂时常呈柱状或断续块状排出，打开旋流器进料口及沉砂口，均未发现堵塞，因此断定给矿浓度提高或沉砂口过小引发沉砂排料异常。对此，分矿技术人员决定将沉砂口直径增大，由ø32增大至ø44，更换后发现沉砂呈伞状喷出，但沉砂夹角大于20%，未能达到最佳状态。后又对沉砂直径进行缩小，改为ø40，改造后发现沉砂呈伞状排出，夹角介于10%-20%，达到最优工作状态。

对更换及改造的旋流器沉砂及溢流进行浓度和粒级筛析测试。结果显示，平均沉砂浓度达到65%，平均溢流浓度为25%，符合生产要求。但粒级筛析结果显示，未达到实验1给定的尾砂级配。尝试关闭6台旋流器中的1台，进料压力由0.05MPA增大到0.06MPA，再次测试尾砂级配，仍未达到要求。在确保足够的尾砂处理量的情况下，尝试关闭2台旋流器，此时进料压力增大到0.08MPA，再次测试尾砂级配，结果显示+100目占31.1%，+200-100目占30.6%，+400-200目占25.2%，-400目占13.2%，达到实验1确定的尾砂级配+100目占比30±2%、+200-100目占比30±2%、+400-200目占比25±2%、-400目占比15±2%。不仅保证了充填浓度，又达到最优的尾砂级配，确保了充填质量。

2、①每次充填前，注意砂仓料位高度，对高度达不到7米的砂仓禁止使用，防止低料位砂仓造浆浓度低造成充填体质量差。另外，打底及接顶时，优先使用高料位砂仓进行充填，保证充填浓度。

②尽可能的使用放水三通，确保引管水和清管水均排至大板墙外，防止水进入采场造成料浆稀释、C料离析等现象，保证充填浓度。

③制定《取样质量对应浓度表》，充填期间由每班制备工负责取样，称量料浆质量，对应找出相应浓度并记录。发现达不到设计要求浓度（65%-70%）的料浆，及时提醒控制人员进行调整，避免低浓度料浆充至井下，防止C料离析率和贫化率增大，降低充填质量。不仅提高了经济效益，在下分层和临进路回采的安全方面也得到保障。同时，取样时的屏幕显示浓度和称重换算浓度进行对比，可及时发现浓度计误差，并及时进行浓度计校正，以便控制人员精确地进行浓度调控。

④充填体实验强度数据均建立档案，对测试数据不合格的试块所属采场应尤为关注，未雨绸缪。

⑤对焦家分矿02、03中段及焦家至村东矿区等大倍线泵送采场管线进行优化，确保料浆输送流量稳定，提高了浅部边远区域充填浓度。另外将渣浆泵型号更换为75KW 80ZGB，在满足输送能力的前提下降本增效。

⑥根据实验2的结果，当充填接顶处浓度较低（60%-65%），板墙拆除及采掘作业需在充填完毕2-3天以后进行，否则顶部充填体极易崩落。

3、根据实验3结果，搅拌时间与充填体强度呈正比。受充填站场地限制，现阶段无法将1-4#搅拌桶更换为ø2.0m*2.1m的大规格搅拌桶。因此通过程序设定，限制搅拌桶液位，标定其最低液位（1-4#搅拌桶最低液位为1.0m，5#搅拌桶最低液位为1.5m），由此来保证充填料浆在搅拌桶内得到充分搅拌混合，在一定程度上减少了C料分层离析现象，提高了充填体的质量。另外，平日及时检查搅拌桶叶轮，对磨损严重的及时进行更换，确保搅拌质量，将影响充填质量的不利因素在源头上进行消灭。

4、根据实验4结果，日常充填时需及时倒换搅拌桶，确保C料仓及时使用，避免C料堆积时间过长。同时，注意调节采充，确保采充平衡，减少因采充失衡导致的C料堆积现象。尽量避免C料存放时间超过3天，在一定程度上保证充填体的强度达到要求。

三、创新点

此项目通过4组实验，确认了金属矿山胶结充填体强度的影响因素，并根据实验结果对系统做出了优化。最终目的是为了确保充填体强度达到设计要求，提高充填质量，做到安全上可行，经济上合理，创造最大的安全和经济效益。

1、开展“尾砂级配对胶结充填体强度的影响实验”，期间通过浓度检测及粒级筛析，确定了适合本矿区充填的最佳尾砂级配。通过调整旋流器沉砂口，更换3#旋流器组等，保证造浆浓度到达65%以上，确保充填浓度；同时分级尾砂达到指定级配，提高了充填体的质量。具有很高的安全和经济效益。

2、开展“充填料浆浓度对胶结充填体强度的影响实验”，期间通过测试不同浓度及养护期下充填体单轴抗压强度，确定浓度与强度的正比关系，并对低于设计浓度接顶的采场板墙拆卸时间做出调整，减少因过早拆卸板墙作业造成尾砂片落现象，降低了贫化率，确保作业安全。

其中充填体力学实验，从取样到最终压力实验均按设计标准进行，且取样质量、浓度及最终力学实验结果均做好记录，最终存入档案。期间对强度偏差较大的采场做好分析，并提前做好预警，未雨绸缪。若是下向进路采场，上分层灰砂比1:4配比的打底层强度不合格，回采到下分层时可提前预知，做好支护准备，确保作业安全。

另对现有充填倍线进行调查剖析，将适合优化充填管线的区域进行论证及改造。同时在节能方面，在保证充填质量和效率的前提下，将充填泵进行更换，确保充填高效平稳进行，创造了可观的经济效益。

3、开展“充填料浆搅拌时间对胶结充填体强度的影响实验”，期间验证了料浆搅拌时间与充填体强度的关系。通过设定搅拌桶最低液位标准，保证了料浆搅拌时间，确保充填料浆混合均匀，减少C料结块、沉淀和离析现象，提高了井下充填质量，减少了贫化率，提高经济和安全效益。

4、开展“充填C料存放时间对胶结充填体强度的影响实验”，期间对不同存放时间的C料标准稠度、凝结时间测试及对配制的充填体进行强度测试，确定C料存放时间对最终充填体强度的影响。对C料的存放时间做出要求，在一定程度上保证充填体的强度达到要求，确保作业安全。

四、效益分析

通过开展“金属矿山胶结充填体强度影响因素的实验与优化”项目，对尾砂级配、充填浓度、料浆搅拌时间、C料存放时间四种因素对充填体强度的影响进行实验研究，并结合系统现状进行优化，最终的目的是为了提高充填质量，创造经济效益，确保作业安全。在矿产资源科学绿色回采，适应社会可持续发展方面起到积极作用和良好影响。同时，安全生产也为企业创造了极好的发展环境，对促进社会稳定、提高凝聚力起到不可忽视的作用。