田志刚，向 军

(凡口铅锌矿， 广东韶关市 512325)

采用传统的胶结充填采矿法的地下开采矿山，普遍存在着充填成本过高、充填接顶效果差、充填料浆浓度低、脱水困难、易灰砂分离、强度上升慢且分布不均匀等问题。寻求一种低成本、具有良好充填流体特性的新材料，成为创新和发展传统充填技术的关键。2009年3月，凡口铅锌矿与广州大学合作，对高性能泡沫砂浆这种新材料应用于矿山充填进行了研究和试验。试验分3个阶段，分别为室内试验、工业试验、工业扩大化生产试验。2010年2月，该试验取得了圆满成功。通过试验，研究了高性能泡沫砂浆的各种充填特性，建立了一套泡沫砂浆的充填工艺系统。

1 高性能泡沫砂浆充填技术简介

高性能泡沫砂浆充填技术是一种用胶凝材料(主要指水泥)、骨料(主要指分级尾砂、全尾砂、棒磨砂、河沙等)、水、预先制备的高性能细密泡沫群，按照一定的比例均匀混合，并经物理化学反应最终凝固硬化成一种轻质胶凝充填体的工业实用技术。

高性能泡沫砂浆充填技术具有以下特点:

(1)高性能泡沫砂浆轻质、流动性好、流动稳定、管道摩擦小;

(2)高性能泡沫砂浆结实率高(达到95%以上)，有利于提高充填效率，同时解决了充填采场脱水难的问题;

(3)高性能泡沫砂浆水灰比低，有利于提高充填体的强度，同时避免了普通砂浆分层离析的现象，提高了充填体整体质量;

(4)高性能泡沫砂浆结实率高，接顶充分，提高采矿的安全性，同时可预防大面积的地质灾害;

(5)高性能泡沫砂浆具有膏体充填的浓度，但不需要泵送系统输送，不但简化了充填工艺，还达到节能的效果;

(6)通过混合高性能细密气泡群，形成轻质混凝土，有利于减少水泥、骨料的使用量，具有较好的经济、社会效益。

2 泡沫砂浆充填体特性研究

通过室内试验研究了泡沫砂浆充填体特性，研究内容包括泡沫砂浆的抗压强度、流动性、质量浓度、灰砂比、骨料的选取及结实率。

2.1 抗压强度试验

矿山对于胶结充填体的抗压强度各有不同的要求。凡口铅锌矿对矿房充填体的抗压强度要求为R7≥1.5 MPa、R28≥3.0 MPa，泡沫砂浆的质量浓度、灰砂比、骨料主要围绕这一要求通过室内配比试验进行选取。凡口铅锌矿的矿房充填骨料主要有分级尾砂(粒径+19 μm含量80%以上)、03尾砂(全尾砂分级后的细粒尾砂，粒径80%以上－19 μm)、混合砂(分级尾砂与03尾砂按2∶1质量比混合)、棒磨砂(粒径－3 mm)。对分级尾砂、03尾砂、混合砂、棒磨砂分别进行了添加泡沫和不添加泡沫的配比试验。

试验结果表明，03尾砂和混合砂因细粒级骨料含量多，砂浆质量浓度无法提高，灰砂比≤1∶3的泡沫砂浆抗压强度基本上满足不了凡口铅锌矿的矿房充填体强度要求，若采用高灰砂比，该充填技术的经济性下降。分级尾砂泡沫砂浆在灰砂比≥1∶4，质量浓度≥74%，泡沫含量≤20%的情况下，基本上可以满足凡口铅锌矿矿房充填体强度要求，部分试验结果见表1。棒磨砂砂浆因其质量浓度可以很高，其抗压强度值可轻易满足凡口矿的矿房充填体强度要求，试验结果见表2。

2.2 流动性试验

表1 分级尾砂泡沫砂浆强度试验结果

表2 棒磨砂泡沫砂浆强度试验结果

通过流值的测试来评价泡沫砂浆的管道输送性能。这项实验获得1341项数据，测试了不同灰砂比、不同浓度、不同气泡率及不同砂类的流动性变化规律。且灰砂比为1∶4，不同浓度、不同气泡率条件下分级尾砂充填料浆的流值测定结果见表3。

表3 灰砂比为1∶4的分级尾砂流值/单位:mm

试验数据表明，浓度越高，流值越低;气泡率越高，流值越低;用砂的粒级越细，流值越低。当分级尾砂浆浓度小于78%，充填倍线小于6倍，高性能泡沫砂浆能满足充填自流输送的要求。

2.3 结实率试验

结实率试验的主要目的是考察泡沫砂浆在应用于充填接顶时的效果以及进行水泥消耗的经济评价。

表4 室内结实率试验成果

表4的试验结果表明，在灰砂比和质量浓度相同的情况下，20%气泡率泡沫砂浆的结实率较普通砂浆结实率高10% ～20%，当质量浓度大于75%时，泡沫砂浆结实率普遍在95%以上。

2.4 矿房胶结充填的参数

通过室内实验，在骨料选取上，03尾砂和混合砂砂浆因抗压强度值不合要求，不宜选用。棒磨砂因骨料生产成本高，在凡口铅锌矿仅用于胶面、首层、假巷等高标号充填，且大量使用棒磨砂不利于综合回收利用尾砂，因此不选取棒磨砂作为矿房充填骨料，选用分级尾砂做泡沫砂浆应用于矿房充填的骨料。

确定了分级尾砂作为砂浆骨料后，按照泡沫体积含有率为20% ～30%，质量浓度≥74%，灰砂比为(1∶3.5)～(1∶4)的技术参数进行工业充填试验。

3 泡沫砂浆充填设备及工艺

3.1 发泡混合装置

发泡混合装置为新开发的专用设备，该设备采用进口伺服电机，实现了发泡系统气、液路电动针阀开度及气、液路流量的自动控制与调节，从而实现了气泡质量和流量的自动化控制，可根据充填料浆的流量实时调整泡沫流量，确保高性能泡沫砂浆气泡含有率的准确;同时该设备配备混合装置，能将泡沫与砂浆充分混合均匀。发泡混合装置的功能及其组成见图1。

图1 发泡混合装置的功能及组成

3.2 砂浆制备系统

砂浆制备系统选在凡口铅锌矿的搅拌楼转产充填系统。该系统自动化程度高，具有如下特点:

(1)分级尾砂供料通过带PID自动调节的电子称重皮带秤进行自动控制与调节;

(2)水泥供料通过水泥螺旋给料机进行自动控制与调节;

(3)砂浆用水通过水流量计进行精确控制。

通过对砂、水泥、水的精确供料，实现了尾砂砂浆灰砂比、浓度及流量的稳定控制。

高性能泡沫砂浆充填工艺流程如图2所示。

4 工业充填试验

泡沫砂浆在凡口铅锌矿的现场工业充填试验按照时间分为2个阶段。第1阶段为2009年6月～2009年9月，计划充填量为3000 m3，实际充填量为3100 m3。本试验阶段因充填系统的供料未实现自动化，砂浆浓度仅能达到72% ～73%;合作研发的发泡设备工况较差，泡沫的稳定性较差，且发泡混合装置未能实现气泡流量的实时自动控制，造成泡沫砂浆的质量较差且不稳定，在充填过程中泡沫砂浆的输送不稳定，流量不稳定，采场现场漂浮较多泡沫，即泡沫变大或消泡现象严重。此阶段采用的灰砂比为(1∶4.5)～(1∶5)，采场充填体7 d抗压强度平均约为0.7 MPa，28 d抗压强度平均约为1.1 MPa，不能满足凡口矿矿房采场充填强度质量标准。

图2 高性能泡沫砂浆充填工艺流程

第一阶段充填试验结束后，经过认真分析、总结，该技术工艺的应用主要存在以下问题:

(1)要生产出更加细密稳定高质量的气泡，防止混合及输送过程中消泡，因此必须改良发泡剂的配方，增加其中的稳泡成分;

(2)由于水对高性能泡沫砂浆的质量影响很大，必须先制备高浓度的水泥砂浆，才能制备出高质量的高性能泡沫砂浆，因此必须对制备站计量系统及自动控制系统进行改造;

(3)对发泡混合设备的电控系统进行改造，根据砂浆流量的变化对细密泡沫的流量进行实时自动控制，确保泡沫含有率的准确。

经过设备、工艺的改造及发泡剂配方改良，第2阶段工业试验于2009年11月开始，2010年2月结束，计划充填量为5000 m3，实际充填量为6700 m3。本试验阶段实现了分级尾砂、水泥、水、泡沫的供给量的实时精确控制，砂浆浓度能稳定在75%以上，灰砂比为(1∶3.5)～(1∶4)，采场充填体7 d抗压强度平均约为1.4 MPa，28 d抗压强度平均约为2.5 MPa，基本能满足凡口矿的矿房充填体强度要求。充填效果良好，充填输送流量稳定，充填管口出料声音小，管口摆动很小，采场泡沫砂浆湿密度和地表泡沫砂浆湿密度基本一致，基本上没有消泡现象，泡沫砂浆的体积浓度达到了膏体充填料浆的浓度状况，没有气泡分离上浮现象。

按充填类型分别进行了矿房胶结充填和底柱接顶充填，在进行接顶充填时，效果良好，接顶率达到95%以上，高性能泡沫砂浆结实后收缩极小。

工业充填试验第二阶段主要采场泡沫砂浆充填的有关技术数据见表5。

表5 采场泡沫砂浆充填的技术数据

5 高性能泡沫砂浆充填适用条件研究

通过泡沫砂浆室内配比试验和采场工业充填试验，可以得知，要达到比较理想的充填效果，满足矿山井下采矿的充填体强度和接顶率要求，使用泡沫砂浆进行充填时，在技术标准上需满足以下几个条件。

(1)泡沫砂浆质量浓度尽可能达到74%以上。高浓度泡沫砂浆与低浓度泡沫砂浆相比，充填体强度会显著提高;泡沫在高浓度砂浆中混合得更均匀，更不易逸出，不会产生刨沫上浮和消泡现象;高浓度充填，充填过程更稳定，充填管口不会较幅度摆动。

(2)当泡沫砂浆质量浓度≥74%，灰砂比≥1∶4时，泡沫含有率需控制在20% ～30%之间。

(3)泡沫砂浆尽量做到满管充填。在非满管充填时，会有大量空气进入充填管，在充填管内泡沫砂浆产生二次发泡，增大砂浆泡沫含有率，降低充填体强度。

(4)采场充填前的试管水和充填结束后的洗管水不能直接排在采场内存积，必须在充填管上连接三通，将水排到脱水井里，否则将有可能造成泡沫上浮和消泡现象，影响泡沫砂浆充填效果。

(5)在冬季低温条件下充填时，由于发泡剂是一种混合物、会结晶离析，影响发泡质量，需将发泡设备放入一恒温房内，温度控制在20℃以上。

6 泡沫砂浆与普通砂浆的充填工艺、技术经济比较

泡沫砂浆与普通砂浆的充填工艺比较见表6。

表6 泡沫砂浆与普通砂浆的充填工艺比较

从目前技术上讲，在胶结充填中，泡沫砂浆比较适合矿房充填，故经济比较以矿房充填参数进行比较。

假定机械、能耗和人工成本相等，以主要材料的采购成本作为主要比较指标，而主要材料的采购价按以下标准计算:水泥单价0.41元/kg;发泡剂单价40元/kg;分级尾砂单价15元/t。在强度基本相等的前提下，两种充填体的经济比较见表7。

由表7可知，采用泡沫砂浆充填，单位成本可节约大约17.71元。

表7 泡沫砂浆与普通砂浆充填的经济性比较

7 结论

(1)在凡口铅锌矿，泡沫砂浆充填目前只应用在矿房充填和接顶充填。在矿房充填中，泡沫砂浆用于VCR大爆破空场的充填优点更为明显。众所周知，大爆破空场因为充填排水条件恶劣，充填料长时间浸泡在水中，极大地影响了充填体的强度。而泡沫砂浆充填过程中没有明水排出，只有少量砂浆渗出水，有利于水泥的水化作用，充填体的强度能得到较快增长。在矿房底柱接顶充填中，因泡沫砂浆的接顶率高，在回采间柱底柱时，顶板充填体就不会连成一片，减少了顶板充填体大面积冒落的可能性，极大地提高了间柱底柱回采时的安全性。

(2)对充填体强度要求较低的间柱采场，泡沫砂浆也可大量应用。这样可以减小充填过程中水患影响，也可大大减少充填骨料的使用量。特别是在矿山生产后期，随着掘进废石的急剧减少，矿山充填骨料会大量短缺，泡沫砂浆充填减少充填骨料的优点将更加明显。凡口铅锌矿下一步将对另外一个充填系统进行设备改造，以便建立一个用于间柱开采的泡沫砂浆充填系统。

(3)高性能泡沫砂浆充填系统相当于一个简化的膏体泵送充填系统，因其高质量、低能耗、低成本、高安全性，将会在矿山充填中得到推广应用。

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