鏡鐵山礦銅礦充填分層離析原因分析及控制措施

陳治國

（甘肅鏡鐵山礦業有限公司，甘肅，735100）

鏡鐵山礦銅礦設計年生產能力30 萬噸，服務年限20 年，礦體厚度5m～20m 的礦體，采用沿走向布置的分段空場嗣后充填采礦法。近年來，隨著開采的推進，在充填過程中充填體分層離析現象，影響充填體內巷道的掘進，嚴重制約了礦山生產能力的提高和達產，也給井下安全生產造成威脅。

1 充填體分層離析的危害

充填體分層離析是指充填采礦中充填料漿拌和物組成材料之間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，膠凝劑與其它拌和物成分相互分離，造成內部組成和結構不均勻的現象。通常表現為粗骨料與漿體相互分離，密度大的顆粒沉積于采場底部。充填體發生分層離析，可能產生以下危害。

（1）充填體離析分層致使充填體局部強度降低、整體性變差，引發人工假頂脫層、片幫冒落等質量問題。

（2）充填體強度大幅度下降。嚴重影響充填體結構承載力，破壞結構的安全性。

2 充填分層離析原因分析

充填體產生分層離析，除攪拌方法、攪拌時間長短因素外，主要受料漿濃度過低、尾砂級配不合理、采場充填方式等因素影響。

（1）充填料漿濃度不合理。試驗表明，隨著濃度的降低，膠結充填料漿的流態特性逐漸發生變化。在料漿濃度較低時，充填料漿為非均質的固液兩相流時，可在管道輸送或采場中自然產生離析；當濃度逐步升高并穩定為似均質的結構流體，即“臨界流態濃度”時，漿體均勻無離析現象。

（2）充填料漿級配不合理。尾砂是充填料漿中用量最大的材料，尾砂的質量直接影響充填料漿的質量，尾砂級配的波動容易造成充填料漿的離析。尾砂中的粗顆粒量過大，將嚴重影響料漿的和易性，導致嚴重離析[1]；含泥量過大將使水泥漿同骨料的粘結力降低，水泥漿對骨料的包裹能力下降，導致骨料分離，產生料漿離析現象。因此，尾砂粒徑增大、級配變差、單一級配都容易造成料漿離析現象，在采場產生離析分層現象。

（3）采場充填方式。采場充填方式所造成的分層離析，其從根本上來說也是因為充填方式對充填濃度的影響而引起的。充填系統啟動之前，需要先向管道放引路水潤濕管道，充填結束時需要放水沖洗管道，引路水及洗管水均直接進入采場，對充填料漿產生稀釋作用，降低了充填料漿的濃度。如果充填系統連續工作時間足夠長，開關機頻率足夠小，引路水及洗管水所引起的充填料漿濃度降低可以忽略；如果充填系統連續工作時間短，單次充填量小，則引路水和洗管水對充填料漿濃度的影響將起到決定性的作用。充填料漿濃度降低，勢必造成充填料漿分層離析。

3 充填分層離析原因確定

鏡鐵山礦設計采用結構流體膠結充填工藝，選廠全尾砂經濃密后底流排放濃度為45%，泵送輸送至充填料制備站的臥式尾砂池。充填站設置兩個臥式砂池，兩個砂池交替使用。進砂時通過倉頂溢流口進行溢流，進砂完畢后經自然沉降脫水達到最大沉降濃度，充填前打開排水設施，排除砂面以上的澄清水。溢流水和澄清水由溢流水倉短暫存儲后，泵送輸送至選礦廠回用。砂倉內飽和砂漿經壓氣造漿、管道放砂，放入攪拌機中攪拌，水泥和調濃水經過各自的供料設施添加到攪拌機中。充填料漿采用兩段連續攪拌制備，攪拌好的充填料漿進入料斗供給充填輸送泵（活塞泵），經井下充填管網泵送輸送至井下采空區進行充填。充填料漿制備濃度為68%～72%。

根據上述工藝流程，尾砂濃密主要是依靠兩個臥式砂池交替使用，即一個進砂、沉降、脫水，另一個壓氣造漿充填，可實現連續充填。單個砂池容積為840m3，有效容積為750m3，沉降排水后的可用于充填的高濃度尾砂為400m3～500m3。

但是在實際充填過程中，未添加絮凝劑加之尾砂粒度較細，臥式砂池沉降效果較差，即使較長時間的濃縮，仍然有大量的細顆粒隨溢流水排走，實際充填濃度都在68%～69%，因此臥式砂池沉降效果較差，導致放砂濃度低，進而造成充填料漿的濃度較低是充填料漿分層離析的原因之一。

此外，充填過程中，因沉降時間較長，難以達到兩個臥式砂池交替使用的目的，經常出現一個臥式砂池的尾砂已經充填完畢，而了另一個砂池的尾砂尚未沉降結束，導致必須停機，一次充填只有一個砂倉的量。2017 年～2018 年各月的充填量可以看出，充填料漿制備輸送量主要在300m3/d～500m3/d，而充填系統運行前后都要放水沖洗管道，流量一般為50m3/h，沖洗時間約30分鐘～40分鐘，每次約25m3～30m3沖洗水進入采場，使得采場內的充填料漿濃度降低約5%～10%，即采場的實際料漿濃度只有60%～65%，充填料漿濃度稀釋降低，必然引起充填料漿分層離析。

由上述可見，鏡鐵山礦充填料漿在采場發生分層離析的原因主要是：由于臥式砂池濃密效果差，造成放砂濃度過低和連續充填時間過短，導致充填料漿制備濃度低，進入采場后又被引路水和沖洗水稀釋，濃度進一步降低所造成的。

4 防范措施

基于上述造成充填料漿分層離析原因的分析，根據鏡鐵山礦銅礦充填系統的實際情況，提出以下措施。

4.1 優化充填系統工藝流程

尾砂的濃密存儲工藝由原來的雙臥式砂池濃密存儲改為由高效深錐濃密機配臥式砂池濃密存儲。一方面，提高了穩定放砂濃度，保證充填濃度達到74%；另一方面可以邊濃密邊充填，實現充填系統連續運行18 小時以上，極大限度的降低洗管水對充填濃度的影響。通過提高充填料漿濃度和延長連續充填時間，減少分層離析現象。

4.2 引路水及洗管水外排

充填引路水和洗管水均屬于系統運行的必須環節，不能取消。但是洗管水和引路水直接排入采場，對充填料漿的濃度進行稀釋，是充填料漿在采場產生分層離析的主要原因之一，必須加以控制。為了控制引路水及洗管水對充填料漿濃度的影響，在通往采場的分支管道上安裝三通閥，將充填引路水和洗管水排至采場外，有效避免引路水和洗管水對充填料漿濃度的稀釋。

三通閥必須滿足以下要求：①閥體在換向過程中管路中的流體不允許瞬間流量有太大變化，以避免形成應力波造成管道堵塞；②閥芯的活動不能受到管道中兩相流的影響，即閥芯不被固相砂粒卡死；③因為通過閥體的流體流量大、流速高、壓力大，要求閥門有很高的強度，故閥門應采用耐磨性和抗沖刷性好的材料；④閥體要安裝在采場充填管路上，高空中進行安裝，閥體重量要盡可能輕，以便于安裝和操作；⑤閥芯在充填過程中可以任意換向，操作簡單，由一人可完成，即要求閥芯操作簡單靈活。

4.3 優化自動控制系統

充填站原設計有完善的自動控制系統，可對充填系統運行各參數進行實時檢測、反饋與自動調節。對現有充填站控制系統進行全面的自動化升級，實現充填生產全過程的自動控制，減少人工操作對料漿配比及濃度造成的影響，保證穩定的充填料漿濃度，以降低充填體分層離析程度，確保充填體質量。

4.4 加強充填管理

除了先進的充填工藝和完善的自動控制系統外，充填系統運行過程中的管理也對充填質量也起到至關重要的作用。因此，解決充填分層離析問題，除了從技術上采取措施提高充填料漿濃度之外，還要加強充填管理，提高操作水平和操作質量，排除人為因素對充填料漿濃度的影響。

（1）根據采礦方法的要求進行采場充填設計是控制充填質量和充填成本的關鍵，在充填之前，必須有標準的采場充填單體設計，含充填地點、充填量、充填濃度、灰砂比、擋墻設計等主要內容。

（2）根據充填單體設計進行采場充填，嚴格按照采場充填設計的濃度及灰砂比進行充填，并保證充填料漿的濃度及配比穩定，不得隨意降低充填料漿濃度和改變灰砂比。

（3）充填前，架設好采場充填擋墻和充填管道，并對充填系統主要設備和主要充填管道進行仔細的檢查，在確保一切完好，井上井下聯絡暢通之后再開始充填，做好充填準備工作，降低停機次數，提高連續充填時間。

（4）在充填系統運行過程中，及時取樣進行充填料漿濃度及強度的檢測。填料漿濃度取樣檢測時間間隔不小于1 小時，每班至少取一次樣澆筑試塊進行強度檢測，如有多種灰砂比，應對不同灰砂比均取樣進行強度檢測。

（5）在充填系統運行過程中，每隔一定的時間（一般10～30 分鐘）對充填系統運行情況（如放砂流量、放砂濃度、水泥給料量、充填料漿濃度及流量等）進行記錄，以保證充填系統運行情況有據可查，為事后充填質量檢驗與評價提供依據。

（6）對于充填系統運行過程中所發生的事故及故障，進行仔細的記錄，進行經驗總結，防止類似事故的再次發生，及時總結經驗，可提高系統的運行質量和效率。

（7）加強交流與學習，借鑒先進的操作及管理經驗。目前我國采用充填采礦法進行開采的礦山已經非常多，許多礦山都不同程度的存在著充填分層離析現象，各礦山在各自的充填作業過程中，對于處理類似問題均積累了豐富的經驗。鏡鐵山礦應多與兄弟單位進行走訪交流，通過交流學習，可開拓視野、增長了見識、交流經驗，提高自己的管理水平。

5 結語

一步驟的采場充填體的強度是否滿足設計要求，關系到二步驟礦柱能否順利開采，也是降低開采損失率和貧化率的關鍵。充填體分層離析現象，嚴重影響充填體質量，通過對其分析研究，采取防范措施，目前，經過對應灰砂比的強度測試值，均達到了充填體強度要求的標準；而且，從日常充填料漿取樣檢測結果看，也達到了充填體強度標準，鏡鐵山礦充填體質量滿足要求。