充填膨胀剂在充填采矿技术中的应用

2014-03-23王长军袁雪梅朱阳亚

采矿技术 2014年6期

王长军，宋兴，袁雪梅，朱阳亚

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

1 概述

充填采矿法由于其可以有效缓解或防止围岩移动和地表塌陷，最大程度的实现矿产资源的回收利用，有效解决尾砂排放的问题，因此在世界各地得到了日益广泛的运用。据国内外统计资料，国内有色金属矿山使用充填采矿法的比例已达到30%以上，在黄金矿山达到了51%以上。随着我国金属矿山开采深度不断增大和建设绿色矿山的需要，充填采矿法的应用比例还将提高。受益于矿山机械及料浆输送理论和技术的发展，充填采矿法已由过去的生产能力低、井下作业环境差、生产成本高转变一种高效的采矿方法。随着充填采矿技术的不断进步，矿山对充填体的要求也越来越高，充填体作为地压控制与下一循环回采的作业面或顶板，在充填过程中，人们越来越重视充填体的可调凝、早强、高强、大流动度、膨胀、低脆性等性能，还要求制备的成本低，成型容易，养护简单。特别是随着充填采矿的发展，水泥用量越来越大，水泥生产不仅需消耗大量能源和排出大量废弃物，在矿山充填中，水泥成本占充填成本的60%～80%。加拿大、澳大利亚、南非等国在充填料浆中加入适量膨胀剂后，能减少水泥用量10%以上[1]。英国缺少充填集料的煤矿，在充填料浆中加入适量膨胀剂，可使浓度为30%～40%的料浆形成相同体积的固体。我国目前对充填用膨胀剂的研究还仅仅停留在试验阶段，研究开发和推广应用充填膨胀剂，对推动和促进矿山充填技术进步具有十分重要的意义。

2 膨胀剂的种类

人们对膨胀剂的了解，是由于其在混凝土中的广泛运用[2]。在混凝土中添加适量膨胀剂，不仅可以起抗裂防渗作用，而且可补偿混凝土硬化过程中的收缩。目前常用的膨胀剂主要有：硫酸铝钙类、氧化钙类、铁粉系膨胀剂、氧化镁型膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂。

(1) 硫酸铝钙类。硫酸铝类膨胀剂是工程中最常用的膨胀剂，主要有CSA膨胀剂和明矾石膨胀剂，其反应通式为：

6CaO+3Al2O3+3SO3+96H2O

→3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

(2) 石灰系膨胀剂。以CaO为膨胀源，由普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨细而成。硬脂酸，一方面起助磨剂作用，另一方石灰表面粘附了硬脂酸形成一层硬脂酸膜，起到了憎水隔离作用，使氧化钙不能立即与水作用，而是在水化过程中膜逐渐破裂，延缓了氧化钙的水化速度，从而控制膨胀速率，其膨胀反应通式为：

CaO+ H2O→Ca(OH)2

(3) 铁粉系膨胀剂。由铁屑和一些氧化剂、触媒剂、分散剂混合制成，在水泥水化时以Fe2O3形式成膨胀源，其主要反应通式为：

Fe+RX2+H2O→FeX2+R(OH)2+H2

FeX2+R(OH)2+H2→Fe(OH)2+RX2

(4) 氧化镁型膨胀剂[3]。氧化镁系膨胀剂主要是通过氧化镁水化生成氢氧化镁结晶(水镁石)而产生膨胀, 是我国拥有自主知识产权的项目[4]，其反应通式为：

MgO+H2O→Mg(OH)2

(5) 硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂。该类膨胀剂吸收了石灰型和明矾石膨胀剂的优点，膨胀来源于过烧石灰和钙钒石的双重作用。它是以石灰石，铝土质材料磨制成生料，经1400℃～1500℃煅烧成熟料，再经配料磨细而成。主要产生膨胀性化学反应如下：

KAl3(SO4)2(OH)2+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3(C3A·3CaSO4+32H2O)+2KOH

CaO+ H2O→Ca(OH)2

3 充填膨胀剂在某矿山中的应用

某矿山是一个以铜为主的特大型多金属矿山，矿床属于沉积变质型层控矿床，受地层和岩性控制明显，不同矿种明显受不同岩性的控制，目前开采的主要对象为CuI、CuV、CuVI矿体。矿体走向长500～600 m，厚12 ～40 m，倾角为60°～80°。矿体整体稳固，但局部夹杂破碎带，破碎带厚度1～8 m，破碎带处容易出现冒顶、片帮。矿山设计采用上向水平分层充填采矿法开采。

结合矿山开采现状，矿山在CuI矿体6～8线进行了膨胀材料采矿技术的充填实验，该试验主要以尾砂为充填骨料，以普通325硅酸盐水泥为胶凝材料，配以一定的膨胀剂，实验室模拟试验初步成功后，先后在CuI矿体6～8线1-1采场、1-2采场进行了膨胀充填工艺工业试验，有效的抑制了工作面的围岩沉降，同时保障了下一工作面的回采安全[5]。

3.1 充填体膨胀剂实验室试验

试验采取水泥和尾砂之比为1∶6来配置试验料浆，根据流动性要求，充填料浆坍落度为26 cm以上能实现自流输送，充填料浆浓度为70%，依次改变膨胀剂添加量与干物料总重的比例，将配置好的料浆灌模，同时取一定量的充填料浆装入量杯内并贴好标签记录初始体积，将制作好的试块和量杯中的试样放入恒温箱里养护；膨胀率取量杯内充填体试样的体积膨胀率[6]。试验数据见表1。

表1 不同膨胀剂掺量试验数据

3.2 试验分析

(1) 从表1可以看出，膨胀率随着膨胀剂用量的增加而增大，但抗压强度随着膨胀用量增大而相应降低，即膨胀是以损失一定的强度为前提的。而充填料浆冲入井下固结后，必须具有一定的强度来支撑顶板，维持围岩的稳定。从表1可以看出，膨胀剂用量为0.07%时，28 d强度只有0.55 MPa，根据国内外典型充填矿山的胶结充填矿柱强度与矿柱高度的关系，矿山所使用的胶结充填矿柱的强度大都在0.7～2.5 MPa之间。在金属矿山，由于采场较高，所需胶结矿柱的强度较大。因此，膨胀率在10%～15%之间是比较适宜的。

(2) 当膨胀剂掺量为0.02%时，各龄期试块的抗压强度均为最大，而当掺加量大于0.02%时，随着膨胀剂掺量的增加，充填体膨胀率逐渐增大，各龄期抗压强度逐渐变小，强度损失逐渐增大。因此，对于该矿山水泥、尾砂胶结充填自流输送来说，控制膨胀剂掺量为0.02%是比较合适的。