0 概述

胶结充填技术, 是近三四十年来在水砂充填技术的基础上发展起来的。应用较早的国家有加拿大、澳大利亚、瑞典、日本、法国、美国和德国。目前, 胶结充填技术正在获得愈来愈广泛的应用。

选择充填材料的一个基本原则是就地取材, 化废为利。因此。矿山最常用的充填料就是废石和尾砂。国内外一些矿山为了节省胶结充填料或设法使松软的充填料固结以便回采矿柱, 研究和采用了砂浆块石胶结充填料和压力灌浆固结充填料。如澳大利亚的芒特艾萨(Mount Isa)矿和加拿大的基德克里克(Kidd Creek)矿。在我国, 红透山铜矿于70年代首先用尾砂胶结料充填采空区, 掺入掘进废石以节省胶结料, 既提高了充填质量, 又降低了充填成本。苏联选格加尔矿为了回采矿柱, 将矿房中已充填废石用压力灌浆的方法使之固结, 工业试验获得成功。^[1]

土耳其伊斯坦布尔大学的阿勒尼卢(Arioglu)在乌卢达(Uludag)钨矿进行过试验, 证明在尾砂内加进粗粒大理石集料到60%(重量)时, 可使充填体密度增大, 强度提高, 成本降低。

块石胶结充填工艺, 可以在待充填的空间里先充填块石, 然后灌入水泥砂浆(灌浆法); 也可以先充填水泥砂浆, 再倾入块石(填石法); 当然也可以让块石和砂浆同步坠入以形成块石胶结充填体。井下运输块石的设备有胶带输送机、汽车和铲运机等。因为是大体积充填, 对块石(或废石)的要求愈来愈低。块石与水泥砂浆的混合也简单, 一般是按一定配比采用自由跌落式混合。国外几个有代表性矿山的块石胶结充填料参数见附表。^[2]

块石胶结充填工艺多用于空场法(包括留矿法)采矿后, 采空区一次性阶段充填; 也有一部分分段充填采矿法采用块石胶结充填。

1 块石胶结充填在国内外几个矿山的应用情况 1.1 澳大利亚芒特艾萨矿的块石胶结充填

芒特艾萨矿位于昆士兰州的西北部, 矿床走向长4000m, 宽900m, 延深1000m以上, 矿体急倾斜, 倾角7°左右。矿体上下盘均为硅化白云岩、层状页岩, 矿石、围岩均比较稳固。

该矿采用两种基本采矿方法之一的分段空场法, 矿石出空后立即进行块石胶结充填^[3]。采用块石胶结充填的采场, 是在采场中央通向上部充填中段有一充填井。在充填中段, 块石用1.2m宽的皮带运送至充填井口, 尾砂胶结料用管道输送至充填井口。块石与尾砂胶结料通过充填井坠入采空区(图 1)。块石与尾砂胶结料的比例是2:1。一般情况下, 先充填10~20m高的尾砂胶结料浆作垫层, 然后再充填块石, 使尾砂胶结料包裹和淹没块石。由于料浆小部分作为块石胶结料, 大部分流向四周, 与相邻矿柱胶结, 所以充填体强度较大, 充填体垂直暴露面可达1800m², 暴露高度最大达230m。该矿采用块石胶结充填料充分显示了以下优越性: (a)减少了价格较贵的水砂胶结料的用量, 节省了水泥, 弥补了水砂充填料的不足; (b)充填速度有较大幅度的提高, 因此能较快地回采间柱; (c)减少了排水量。

该矿实践说明, 尽可能多采用块石胶结充填料, 在生产工艺上和经济效益上都是有利的。

1.2 加拿大基德克里克矿的块石胶结充填

基德克里克矿位于安大略省蒂明斯市以北27km处, 系一急倾斜厚矿体, 走向长670m, 矿体最大厚度168m, 已知延深1525m, 矿体赋存产状复杂, 金属品位变化大。^[4]

该矿从上到下划分为第一阶段(露天矿)、第二阶段(地下1号矿)和第三阶段(地下2号矿)进行开采。露天开采到200m的深度于1977年告结束, 地下1号矿开始投产, 但生产能力仅能达到月产矿石27.3万t, 与选矿厂年处理能力450万t不相适应。于是在1号矿之下建设了2号矿, 以便使井下矿石生产能力达到月产36.4万t。2号矿采用深孔空场法从矿体中央开始采矿, 拉底和拉槽用φ54mm炮孔崩矿, 回采用φ114mm炮孔崩矿, 潜孔凿岩机凿岩, 5m³铲运机出矿。由于暴露面积大, 要求充填体强度达到5~7MPa, 采用水泥浆胶结的块石充填料。块石取自上部露天矿开采时的废石, 将其破碎并筛分成集料块度, 筛出－150+10mm粒级作粗骨料, －10mm作细骨料, 两者之比为3:1, 能获得骨料的最小孔隙率, 即充填体最密实。再将粗细骨料与水泥浆配合。1982年用湿磨矿浆代替部分水泥, 后来又用粉煤灰代替部分水泥。水的用量对胶结体强度影响较大, 如果用水量增加，则从充填体中排出的拌合水也随之增加, 这些排出的水必然会带走骨料表面的水泥成分, 从而降低胶结体的强度。上部的1号矿体是采用胶带输送机输送石料。下部的2号矿体, 采用11t自卸汽车运输石料, 当给料机将石料卸在汽车上时, 水泥浆洒在石料表面, 经过溜井的下放而混合。每个矿房采完并用块石胶结充填料充填后, 再回采相邻的矿房。由于充填料性质好, 矿房的大小和形状合适, 开采顺序合理, 这一采矿工艺是成功的。

1.3 "杰柯采矿法"

所谓"杰柯采矿法", 是加拿大诺兰达(Noranda)矿业公司杰柯(Geco)铜锌矿所采用的一种特殊的阶段留矿充填采矿法。^[5]该矿位于安大略省西北部, 系急倾斜厚矿体。矿体与围岩的界限不明显。矿体节理裂隙不很发育, 较稳固。采用VCR法或普通深孔留矿法回采矿石, 在大量放矿过程中, 边放矿边充填废石, 以避免形成空区而引起上下盘片帮。废石取自地表采石场, 是通过沟槽下放到井下采场崩落矿石上方的。矿石要均匀放出, 以防止上部已充填的废石经矿石间的缝隙漏下, 使矿石贫化。当这种类似于阶段强制崩落法的覆盖岩层下放矿结束后, 再用灰砂比为1:30的水泥尾砂浆灌入废石中, 以填满废石的空隙, 使充填体粘合成有一定强度的整体。据报导, 暴露直立的充填体壁达到60m高而不垮。这样做获得了良好的效果:(a)周围岩帮和相邻矿体保持了稳定性; (b)铜和锌的回采率几乎接近100%, 贫化率保持14%以下(两帮围岩有品位)。

加拿大矿山是把"杰柯采矿法"作为一种标准的充填法使用的。澳大利亚芒特艾萨矿的1100铜矿体中, 有3个矿房、矿柱也是采用这种特殊形式的采矿法充填的。

1.4 锡矿山北矿的块石胶结充填

锡矿山北矿从70年代初期就开始试用块石胶结充填工艺。已建成了较完善的块石胶结充填系统, 积累了许多经验。

北矿童家院矿床沿走向长1200m, 沿倾斜延伸300~400m。矿体呈似层状产出, 从上至下有两个主要含矿层。1号矿体平均厚度2~3m, 平均品位4~7%;2号矿体平均厚度0~10m, 厚者达20~30m, 平均品位3 ~5%。矿石坚硬稳固, 底板稳固, 顶板不稳固。矿体倾角一般为10°~20°。沿矿体走向交替布置矿房和矿壁。矿房宽10~12m, 矿壁宽8m, 矿块斜长40~60m。在一个矿块中, 先采矿壁, 后采矿房。在一个盘区中, 沿一定方向推进, 待两侧矿壁都采完并用块石胶结充填后, 再回采中间的矿房。矿房采完后, 用尾砂充填。

块石采用选矿厂手选废石(粒度在25~150mm之间); 将选矿厂浮选尾砂经旋流器分级脱泥, 选用0.037mm以上的分级沉沙为细集料；胶凝材料则采用矿山自产300号矿渣硅酸盐水泥。水泥、尾砂、块石的配比大致为1:3:6，充填体的试块抗压强度5~7MPa, 大体积强度一般为2~4MPa。^[6]

充填时, 一边用矿车将块石通过充填天井卸入采场中, 一边住入水泥尾砂浆, 然后开动电耙耙运充填料, 以达到搅拌和运搬之双重目的。当该采场将要充满时, 撤除采场内的电耙, 用纯水泥尾砂浆进行接顶。

充填前, 用块石或红砖在采场与下部中段交界处砌筑密闭墙。由于围岩透水性较好, 所以一般采用自然渗透脱水法。

该矿生产实践表明, 块石胶结充填工艺有以下优越性:(a)充填能力大, 可达100m³/班以上; (b)骨料不需用机械破碎; (c)可降低水泥消耗, 水泥单耗为135~150kg/m³; (d)可利用井下掘进废石作块石; (e)充填体质量好, 强度较高, 作业安全, 有较好的技术经济指标(采矿回采率85%~95%, 贫化率8%~10%); (f)充填成本较低。

1.5 德国萨赫特勒本公司重晶石矿的分段废石胶结充填法

萨赫特勒本(Sachtleben)采矿公司经营的重晶石矿有三个:沃尔法赫(Wolfach)重晶石-萤石矿(17万t/a)、德莱斯拉尔(Dreislar)重晶石矿(10万t/a)和沃尔肯许格尔(Wolkenhügel)重晶石矿(10万t/a)。这三个矿都采用分段废石胶结充填采矿法, 方案大同小异。^[7]

分段胶结充填采矿法的实质是分段空场法与胶结充填法的组合。此法将阶段划分为若干分段, 分段高主要取决于矿岩的稳固性, 一般7~15m, 也有超过20m的。分段推进方向可以是由下而上, 也可以是由上而下。在各分段内按一定的采宽和回采步距回采矿石, 凿岩、爆破、出矿和充填各工序以回采步距为单位循环。它采用凿岩台车钻凿中深孔, 在空场状态下一般采用铲运机端部出矿, 随即用无轨设备运料端部充填。由于充填及时, 因而可以在稳定的采矿环境中进行立体作业, 即凿岩、爆破、出矿、充填可以分别在几个分段同时进行, 互不干扰。此法多数不留矿柱, 连续回采。

德莱斯拉尔重晶石矿开采两条彼此相交30°的矿脉。上部倾角45°, 深部增至70°~90°。1号矿脉走向长约300m, 其中150~200m长的平均可采宽度约1.5m。2号矿脉走向可采长度150m, 平均厚度4~5m, 最大7m。将一个阶段(高度48.5m)分成三个分段(倾角70°以上时则分为两个分段)。采矿顺序是从上到下, 凿岩、爆破和出矿工艺分别在各分段进行(图 2)。采矿步距5~6m。每采完一个步距, 便对大约1000m³的空区集中进行充填。充填时, 将掘进产出的废石与选厂尾砂一道卸入充填井。充填井附近有一水泥仓和一个自动搅拌站, 用来制备水泥浆。水泥浆通过人行天井内的管道溜放到各个水平, 喷入卸出的废石中, 用1.5m³铲运机将充填料运往上水平, 卸入空区, 在运输和卸料过程中, 废石和水泥得到充分混和。1m³废石加入水泥40kg, 充填体抗压强度约2~4MPa。在下水平, 用木材和金属网构筑简单的挡墙, 以免充填料涌出。

由于可以在几个分段同时进行凿岩、爆破、出矿和集中进行充填, 与一般分段充填法相比, 该法效率相对较高。

2 块石胶结充填体的力学作用机理

南非的布莱特(Blight)等人将尾砂胶结充填料称为"软性"充填料, 而将块石胶结充填料称为"刚性"或"硬性"充填料。这是因为两者不仅在力学特性上明显不同, 而且在制备和输送工艺上也不一样。软性充填料和刚性充填料都能给承载的矿柱提供横向的支撑作用。软性充填料提供剩余阻力, 限制矿柱的横向应变；刚性充填料不仅限制矿柱的横向变形, 而且可以明显地增强矿柱的力学强度。这就是两种刚度不同的充填料对矿柱的不同作用机理。布莱特提出了两种充填料对矿柱的侧压力的计算公式:

式中:σ_v——受充填料包围的矿柱的垂直应力;

  Δσ_h——充填料提供给矿柱的横向应力;

, 为原始的水平应力与垂直应力之比, v为充填料的泊松比。

一般而言, 在压缩率相同的条件下, 刚性充填料的有侧限抗压强度比软性充填料大3~4倍。有侧限抗压强度比无侧限抗压强度(单轴抗压强度)又要大得多。空场法嗣后充填所形成的胶结充填体, 当它处于受力状态时, 受四周围岩(或矿柱、充填体)的限制, 应认为其中心部分处于有侧限压缩状态。基德克里克矿曾测得块石胶结充填体在固结过程中, 使侧向和垂直应力增至10MPa。固结后胶结充填体底部所承受的压力, 一般并不等于充填体自重所引起的压力。因为胶结充填体和它的四周围岩(或矿柱等)有胶结力和摩擦力, 凭借这种胶结力和摩擦力产生的"拱"的作用, 会将胶结体上部的自重转嫁到四周去。如芒特艾萨矿块石胶结充填体40×40m, 高200m, 底部最大垂直应力3.5~4.5MPa, 约相当于自重的9.5%。

3 块石胶结充填的应用前景及其在脉钨矿床深部开采中应用的设想 3.1 块石胶结充填的应用前景

块石胶结充填是干式充填和水泥砂浆充填的综合。它具有充填工艺简单、充填能力大、充填体强度高, 水泥用量低, 能最大限度利用井下废石的优点, 是当前胶结充填工艺发展的方向之一。在条件适合的矿山, 可以试用。

3.2 块石胶结充填工艺在脉钨矿床深部开采中应用的设想

我国钨矿资源极为丰富。目前开采仍以急倾斜脉钨矿床为主, 采矿作业面已逐渐向深部转移, 矿山地压活动日趋剧烈。

笔者认为, 脉钨矿床深部开采的采空区处理, 可采取综合措施, 即在低应力区, 可以不充或只采用块石充填(部分充填或全部充填); 而在高应力集中的地区, 则采用块石胶结充填, 以提高夹墙与矿柱的强度和稳定性, 将地下开采对围岩和地表的影响减小到最低程度, 防止冲击地压的发生。就钨矿山来说, 掘进及选别的废石不少; 尾砂颗粒一般较粗, 含泥分较少, 脱水条件好, 是理想的充填料; 不少钨矿山附近或自身就有水泥厂。因此采用块石胶结充填的条件基本具备。

3.3 "杰柯采矿法"应用于脉钨矿床深部开采中的设想

基于脉钨矿床的赋存特点, 留矿采矿法目前和今后仍是钨矿主要的采矿方法。笔者认为, 部分钨矿山可借鉴加拿大"杰柯采矿法"的经验。为了更有效地防止废石混入矿石, 最大限度地降低矿石贫化损失, 在矿房落矿结束、大量放矿之前, 可以在留矿堆表面铺设一层柔性的金属网, 相当于崩落法的"假顶", 然后边放矿边充填废石。矿石要切实做到均匀放出, 尽量使柔性金属网"假顶"平整下移, 从而避免已充填的废石经矿石间的缝隙漏下。

笔者认为, 在"杰柯采矿法"大量放矿阶段, 尽管留矿堆和充填的废石堆不断下移, 对两帮围岩会有扰动和挤压, 但仍可起着支撑作用, 避免夹墙垮塌或使片帮少发生或不发生。

当这种类似于崩落法的覆盖岩层下放矿结束后, 及时使用低灰砂比的水泥尾砂浆灌入废石中。必要时，可以借鉴苏联选格加尔矿的做法, 采用压力灌浆。在高应力区可以加大压力多灌浆, 灰砂比也可以高些; 在低应力区, 灰砂比可以低些, 可以少灌浆或不注浆。