陈治国

（甘肃镜铁山矿业有限公司，甘肃，735100）

镜铁山矿铜矿设计年生产能力30 万吨，服务年限20 年，矿体厚度5m～20m 的矿体，采用沿走向布置的分段空场嗣后充填采矿法。近年来，随着开采的推进，在充填过程中充填体分层离析现象，影响充填体内巷道的掘进，严重制约了矿山生产能力的提高和达产，也给井下安全生产造成威胁。

1 充填体分层离析的危害

充填体分层离析是指充填采矿中充填料浆拌和物组成材料之间的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，胶凝剂与其它拌和物成分相互分离，造成内部组成和结构不均匀的现象。通常表现为粗骨料与浆体相互分离，密度大的颗粒沉积于采场底部。充填体发生分层离析，可能产生以下危害。

（1）充填体离析分层致使充填体局部强度降低、整体性变差，引发人工假顶脱层、片帮冒落等质量问题。

（2）充填体强度大幅度下降。严重影响充填体结构承载力，破坏结构的安全性。

2 充填分层离析原因分析

充填体产生分层离析，除搅拌方法、搅拌时间长短因素外，主要受料浆浓度过低、尾砂级配不合理、采场充填方式等因素影响。

（1）充填料浆浓度不合理。试验表明，随着浓度的降低，胶结充填料浆的流态特性逐渐发生变化。在料浆浓度较低时，充填料浆为非均质的固液两相流时，可在管道输送或采场中自然产生离析；当浓度逐步升高并稳定为似均质的结构流体，即“临界流态浓度”时，浆体均匀无离析现象。

（2）充填料浆级配不合理。尾砂是充填料浆中用量最大的材料，尾砂的质量直接影响充填料浆的质量，尾砂级配的波动容易造成充填料浆的离析。尾砂中的粗颗粒量过大，将严重影响料浆的和易性，导致严重离析[1]；含泥量过大将使水泥浆同骨料的粘结力降低，水泥浆对骨料的包裹能力下降，导致骨料分离，产生料浆离析现象。因此，尾砂粒径增大、级配变差、单一级配都容易造成料浆离析现象，在采场产生离析分层现象。

（3）采场充填方式。采场充填方式所造成的分层离析，其从根本上来说也是因为充填方式对充填浓度的影响而引起的。充填系统启动之前，需要先向管道放引路水润湿管道，充填结束时需要放水冲洗管道，引路水及洗管水均直接进入采场，对充填料浆产生稀释作用，降低了充填料浆的浓度。如果充填系统连续工作时间足够长，开关机频率足够小，引路水及洗管水所引起的充填料浆浓度降低可以忽略；如果充填系统连续工作时间短，单次充填量小，则引路水和洗管水对充填料浆浓度的影响将起到决定性的作用。充填料浆浓度降低，势必造成充填料浆分层离析。

3 充填分层离析原因确定

镜铁山矿设计采用结构流体胶结充填工艺，选厂全尾砂经浓密后底流排放浓度为45%，泵送输送至充填料制备站的卧式尾砂池。充填站设置两个卧式砂池，两个砂池交替使用。进砂时通过仓顶溢流口进行溢流，进砂完毕后经自然沉降脱水达到最大沉降浓度，充填前打开排水设施，排除砂面以上的澄清水。溢流水和澄清水由溢流水仓短暂存储后，泵送输送至选矿厂回用。砂仓内饱和砂浆经压气造浆、管道放砂，放入搅拌机中搅拌，水泥和调浓水经过各自的供料设施添加到搅拌机中。充填料浆采用两段连续搅拌制备，搅拌好的充填料浆进入料斗供给充填输送泵（活塞泵），经井下充填管网泵送输送至井下采空区进行充填。充填料浆制备浓度为68%～72%。

根据上述工艺流程，尾砂浓密主要是依靠两个卧式砂池交替使用，即一个进砂、沉降、脱水，另一个压气造浆充填，可实现连续充填。单个砂池容积为840m³，有效容积为750m³，沉降排水后的可用于充填的高浓度尾砂为400m³～500m³。

但是在实际充填过程中，未添加絮凝剂加之尾砂粒度较细，卧式砂池沉降效果较差，即使较长时间的浓缩，仍然有大量的细颗粒随溢流水排走，实际充填浓度都在68%～69%，因此卧式砂池沉降效果较差，导致放砂浓度低，进而造成充填料浆的浓度较低是充填料浆分层离析的原因之一。

此外，充填过程中，因沉降时间较长，难以达到两个卧式砂池交替使用的目的，经常出现一个卧式砂池的尾砂已经充填完毕，而了另一个砂池的尾砂尚未沉降结束，导致必须停机，一次充填只有一个砂仓的量。2017 年～2018 年各月的充填量可以看出，充填料浆制备输送量主要在300m³/d～500m³/d，而充填系统运行前后都要放水冲洗管道，流量一般为50m³/h，冲洗时间约30分钟～40分钟，每次约25m³～30m³冲洗水进入采场，使得采场内的充填料浆浓度降低约5%～10%，即采场的实际料浆浓度只有60%～65%，充填料浆浓度稀释降低，必然引起充填料浆分层离析。

由上述可见，镜铁山矿充填料浆在采场发生分层离析的原因主要是：由于卧式砂池浓密效果差，造成放砂浓度过低和连续充填时间过短，导致充填料浆制备浓度低，进入采场后又被引路水和冲洗水稀释，浓度进一步降低所造成的。

4 防范措施

基于上述造成充填料浆分层离析原因的分析，根据镜铁山矿铜矿充填系统的实际情况，提出以下措施。

4.1 优化充填系统工艺流程

尾砂的浓密存储工艺由原来的双卧式砂池浓密存储改为由高效深锥浓密机配卧式砂池浓密存储。一方面，提高了稳定放砂浓度，保证充填浓度达到74%；另一方面可以边浓密边充填，实现充填系统连续运行18 小时以上，极大限度的降低洗管水对充填浓度的影响。通过提高充填料浆浓度和延长连续充填时间，减少分层离析现象。

4.2 引路水及洗管水外排

充填引路水和洗管水均属于系统运行的必须环节，不能取消。但是洗管水和引路水直接排入采场，对充填料浆的浓度进行稀释，是充填料浆在采场产生分层离析的主要原因之一，必须加以控制。为了控制引路水及洗管水对充填料浆浓度的影响，在通往采场的分支管道上安装三通阀，将充填引路水和洗管水排至采场外，有效避免引路水和洗管水对充填料浆浓度的稀释。

三通阀必须满足以下要求：①阀体在换向过程中管路中的流体不允许瞬间流量有太大变化，以避免形成应力波造成管道堵塞；②阀芯的活动不能受到管道中两相流的影响，即阀芯不被固相砂粒卡死；③因为通过阀体的流体流量大、流速高、压力大，要求阀门有很高的强度，故阀门应采用耐磨性和抗冲刷性好的材料；④阀体要安装在采场充填管路上，高空中进行安装，阀体重量要尽可能轻，以便于安装和操作；⑤阀芯在充填过程中可以任意换向，操作简单，由一人可完成，即要求阀芯操作简单灵活。

4.3 优化自动控制系统

充填站原设计有完善的自动控制系统，可对充填系统运行各参数进行实时检测、反馈与自动调节。对现有充填站控制系统进行全面的自动化升级，实现充填生产全过程的自动控制，减少人工操作对料浆配比及浓度造成的影响，保证稳定的充填料浆浓度，以降低充填体分层离析程度，确保充填体质量。

4.4 加强充填管理

除了先进的充填工艺和完善的自动控制系统外，充填系统运行过程中的管理也对充填质量也起到至关重要的作用。因此，解决充填分层离析问题，除了从技术上采取措施提高充填料浆浓度之外，还要加强充填管理，提高操作水平和操作质量，排除人为因素对充填料浆浓度的影响。

（1）根据采矿方法的要求进行采场充填设计是控制充填质量和充填成本的关键，在充填之前，必须有标准的采场充填单体设计，含充填地点、充填量、充填浓度、灰砂比、挡墙设计等主要内容。

（2）根据充填单体设计进行采场充填，严格按照采场充填设计的浓度及灰砂比进行充填，并保证充填料浆的浓度及配比稳定，不得随意降低充填料浆浓度和改变灰砂比。

（3）充填前，架设好采场充填挡墙和充填管道，并对充填系统主要设备和主要充填管道进行仔细的检查，在确保一切完好，井上井下联络畅通之后再开始充填，做好充填准备工作，降低停机次数，提高连续充填时间。

（4）在充填系统运行过程中，及时取样进行充填料浆浓度及强度的检测。填料浆浓度取样检测时间间隔不小于1 小时，每班至少取一次样浇筑试块进行强度检测，如有多种灰砂比，应对不同灰砂比均取样进行强度检测。

（5）在充填系统运行过程中，每隔一定的时间（一般10～30 分钟）对充填系统运行情况（如放砂流量、放砂浓度、水泥给料量、充填料浆浓度及流量等）进行记录，以保证充填系统运行情况有据可查，为事后充填质量检验与评价提供依据。

（6）对于充填系统运行过程中所发生的事故及故障，进行仔细的记录，进行经验总结，防止类似事故的再次发生，及时总结经验，可提高系统的运行质量和效率。

（7）加强交流与学习，借鉴先进的操作及管理经验。目前我国采用充填采矿法进行开采的矿山已经非常多，许多矿山都不同程度的存在着充填分层离析现象，各矿山在各自的充填作业过程中，对于处理类似问题均积累了丰富的经验。镜铁山矿应多与兄弟单位进行走访交流，通过交流学习，可开拓视野、增长了见识、交流经验，提高自己的管理水平。

5 结语

一步骤的采场充填体的强度是否满足设计要求，关系到二步骤矿柱能否顺利开采，也是降低开采损失率和贫化率的关键。充填体分层离析现象，严重影响充填体质量，通过对其分析研究，采取防范措施，目前，经过对应灰砂比的强度测试值，均达到了充填体强度要求的标准；而且，从日常充填料浆取样检测结果看，也达到了充填体强度标准，镜铁山矿充填体质量满足要求。