充填采矿新技术.docx
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充填采矿新技术
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第五篇
现代矿山充填采矿技术
第一章充填工艺与设备选择
第一节充填材料
充填材料分为干式、水砂及胶结充填材料三种。
一、干式充填材料
采用干式充填采矿法，充填材料一般可利用井下巷道掘时的废石，但来源有限，满足不了充填的需要。
为此或在井下开辟专用采场开采废石，或在地面设置露天采石场满足充填的需要量。
充填材料应是惰性材料，不含挥发有害气体，含硫不应超过!
"#$，以防产生高温和二氧化硫，恶化井下大气或酿成井下火灾。
干式充填材料的块度根据充填设备而定：
使用重力充填时，最大块度的直径一般不超过%&&"’&&（（；使用抛掷机充填时，最大块度直径小于）&"#&（（；使用风力输送时，最大粒径要小于管径的三分之一，一般不大于!
&（（。
二、水砂充填材料
常见的水砂充填材料有：
尾砂、河砂、山砂、破碎砂及水淬炉炉渣等。
在我国采用尾砂充填的矿山占有较大的比重。
*+渗透性能。
水砂充填材料除对化学性质稳定及颗粒本身要有一定强度要求外，对渗透性能有较严格的要求，以期及时脱水便于进行回采作业。
·%!
·
在国外一般要求!
"#条件下的渗透系数!
!
"为$"%&’（，我国水工规范规定，渗透系
数是以$"#为标准。
!
!
"）$"%&*（，折算到$"#时，!
$"）+,+%&*（。
从我国生产矿山的实际渗透系数来看!
$"）-.$/%&*（，变化较大。
某些矿山如凡口铅锌矿及铜绿山铜矿
!
$"）-.0%&*（，即!
$"12%&*（时可用于生产，从而可以认为充填料渗透系数应不低于
2.+%&*（。
我国部分生产矿山实际渗透系数如下：
矿山名称!
$（"
%&’（）
凤凰山铜矿$2牟定铜矿0锡矿山锑矿/,+!
凡口铅锌矿-.2,+黄砂坪铅锌矿$-招远金矿灵山分矿$",0红透山铜矿$/东乡铜矿$3,2铜绿山铜矿-.0招远金矿4.$"
!
尾砂。
全尾砂中细泥含量过多，很难使渗透系数达到2.+%&’（，为此需采用水力旋流脱泥。
尾砂充填矿山脱泥界线可为","!
&&，一般充填用沉砂中","!
&&以下的细粒级含量约占$".$25。
尾砂的渗透性能除与粒级组成（主要是细泥含量）有关外，还与尾砂矿物的物化性质有关。
新设计尾砂充填的矿山，需作渗透试验，按!
$"12.+%&’（确定6","!
&&的含量。
现将我国生产矿山脱泥后沉砂的粒级组成列入表26$6$。
表26$6$国内矿山尾砂充填料的粒级组成
矿山名称
粒级组成粒级（&&）含量（5）
焦家金矿
",322",$!
",$2-
$!
"/
",$
-0,""
","+$
$0,3"
","20
$",20
","2
2,/4
","-
$,""
6","-
+,/2
东乡铜矿
",2",$2
",3
$,"4
",!
$+
3,4!
",$2
$$,3+
",$!
$
$!
!
$
",$"-
3,+!
","++
$-,-3
","2
!
",+3
","-
$",$-
","3
/,+/
6","3
4,2!
凡口铅锌矿
",!
-,!
4
",$3
3",-$
","++
!
-,!
","2
$0,/!
","3+
/,30
","!
$!
!
0
","$
$,-4
6","$
$,!
+
黄砂坪铅锌矿
",!
-,++
",$-+
$!
4/
","+-
3!
+/
","-3
-3,$2
6","-3
0,!
铜绿山铜矿
","23
++,0
","34
$-,/
","!
+
3,0
","$+
$,+
","$",0
·!
0"·
矿山名称
粒级组成粒级（!
!
）含量（"）
凤凰山铜矿
#$#%&
’（$）*
#$#&+
*$（’
#$#（,
#$’’
#$#）’
#$）*
-#$#）’
#$.#
招远金矿
#$）+#
.）#
#$）%#
）&$%
#$）（%
+$#
#$#’#
）,$%
#$#,%
.$&
#$#*&
.$+
#$#%&（$#
#$#..
）$#
-#$#..
#$#
&$山砂、河砂、破碎砂及水淬炉渣。
这类充填材料的粒径较尾砂要大得多。
在输送
时最大粒径要小于管径的三分之一，且接近管径三分之一的颗粒不宜超过）%"。
表%-
）-（列举了国内某些矿山使用这类充填材料的粒级组成及使用的管径。
表%-）-（国内矿山水砂充填料与其粒级组成及充填管径
矿山名称
充填材料
粒级组成粒级（!
!
）含量（"）
充填管径
（!
!
）
凡口铅锌矿
碎石
/.#
）*$&
（#
.%$&
）#
&）$.）
%
%$,,
0%
）$（（
）,+
凡口铅锌矿
卵石
.#（&$.
（#
**$#
）#
’$*）
%
#$++
0%
#$））
）,+
铜绿山铜矿
水淬煤渣
/）#
&$）
）#1%
）%$.%
%1#$’’
%,$%,
#$’’1#$#**（&$%.
0#$#*+
#$&（
）%
（1）#（
湘潭锰矿
碎石
%#1.#
#$%
.#1（#
$.
（#1）#
）*$*
）#1&（*$’
&1）（’
）1#
）’$*
）%（
水砂充填的充填体的沉降率是随孔隙率的减少而降低的。
为了降低孔隙率，改善充
填体的力学性质，可在粗砂中加入一定数量的细砂。
如对抚顺煤矿的充填材料进行试验得知：
在破碎后的页岩中加入&%1.#"的河砂，充填体的孔隙率由&’"降到&）$%"，从而降低了沉降率。
三、胶结充填材料
2$胶结充填体强度一些矿山的胶结充填体强度资料汇总于表%-）-&中。
表%-）-&生产矿山胶结充填体实际强度资料
矿山名称
采矿方法
充填材料
灰砂比
充填体强度（345）
凡口铅锌矿
上向分层充填法
尾砂胶结充填
）6%1）6+
（1.
焦家金矿
同上
同上
）6）#
#$+1）
·（*）·
矿山名称
采矿方法
充填材料
灰砂比
充填体强度（!
"#）
铜绿山铜矿
上向分层充填法
尾砂充填，胶结尾砂铺面
$%&’$%（
）’*
大茶园矿
同上
干式充填，胶结铺面
）++,-./）
&
斯特拉细康拉（加拿大）
同上
尾砂胶结充填
$%）+
+0）&’+0*
金川镍矿二矿区
下向分层充填法
1）/棒磨砂胶结充填
$%*
$%2
）’*
$03’$0（
招远金矿灵山分矿
同上
河砂胶结充填
$%（’$%2
30*&
加彭贝里矿（瑞典）
同上
尾砂胶结充填
$%*
$%$+’$%$3
*0&
$0&’30+
40胶凝材料
（$）水泥。
水泥是胶结充填中主要胶结材料。
常用）3&’*3&号水泥，其物理指标如表&1$1*。
表&1$1*常用水泥的体重与容重
指标
水泥种类
普通水泥
矿渣水泥
火山灰水泥
体重（5./））
容重（5./））
）0+’）0$&
$0+’$0（
302&’）+
$0+’$03
302&’）0+
+02’$0$&
（3）火山灰类。
包括粉煤灰、高炉炉渣、反射炉渣等。
矿渣需经磨碎，一般要求其粒
度为1+0+6*//的不低于*+’&+7。
这类物质视其火山灰活性程度来确定能否部分代替水泥，作为胶凝物质，即取决于二氧化硅及氧化钙的含量。
使用火山灰类物质前需进行实验室实验来确定其效果及加入量。
在我国使用这类材料仅有实验资料，尚未用于工业生产。
从国外资料来看，是可以代替水泥和减少水泥用量，提高强度，降低成本。
图&1$1$为水泥含量的27时，加入不同量磨细的铜反射炉炉渣后的充填体强度与固化时间的关系曲线。
苏联的五一（!
89":
;#!
##）矿用湿磨炉渣全部代替水泥取得了良好效果。
炉渣的化
?
@3=）
学成分为：
<;=3）+7；>#=*60）7；!
-=）0*7；?
@3=）603）7。
活性率
后炉渣的粒级组成如下：
·3（3·
<;=3
为+03。
磨
粒级（!
!
）"#$%&’$#%&（’$%&’$%&（’$）&*’$’）+
含量（,）%’（%&-’（-&%&（%.+-（&’
每立方米充填体中加入%-’’/0砂子、+’’/0湿磨高炉渣、-’/0石膏及#&’（#.’1水。
2
个月后的强度为%-345。
6$尾砂胶结充填料
图&*%*%炉渣对充填体强度的作用曲线
（’，-，+，2，.，%’，%-,为炉渣含量）
尾砂胶结充填在国内外均得到了广泛应用，影响尾砂充填体强度的主要因素有：
水泥含量及其浓度。
在我国实际生产矿山中，用灰量较高，灰砂比多为%7.（%7%’。
在国外可见水泥含量低的尾砂胶结充填，灰砂比达%7-’（%7#’。
为提高顶底柱的回收率，在矿块底部经常采用%7+（%72的灰砂比。
水泥含量及养护时间对充填体强度的影响可见图&*%*-。
胶结充填的浓度对充填体积强度影响较大，浓度较低时，产生严重水泥离析，使充分填体强度大为下降。
充填浓度超过2.（）’,时，水泥离析基本消失。
浓度、水泥含量与充填体
强度的关系，见图&*%*#。
凡口铅锌矿的资料列于表&*%*&中。
图&*%*-水泥含量，养护时间对强度的影响
·-2#·
图!
"#"$充填体强度与浓度的关系
表!
"#"!
凡口矿尾砂胶结充填体的水灰比与强度资料
水泥与尾砂比
输送重要浓度（%）
抗压强度&’（（）*+）
#,$
#,$
#,$
#,0
#,0
#,0
#,0
#,!
#,!
#,!
#,!
-.
-1
2!
-!
-$
-1
21
-!
-$
-1
2!
#’/0
2/.2
2/11（/!
1
-/!
$
-/11
!
/!
$
0/01
$/$1
$/11
$/11
在胶结充填中应力争浓度达到及超过2（3-1%，以解决水泥离析，提高充填体强度。
在受条件限制（如必须泵送，而目前国内胶泵额定输送浓度最高为2!
%）浓度低于2!
%时，可以加入絮凝剂，如每#114水泥砂浆中投放1/05聚丙乙烯酰胺#64，即可达到降低水泥离析的效果。
表!
"#"2为焦家金矿充填采场中取样在井下养生的实际资料，其中离析指数是指两点取样中水泥含量差与平均值的比值。
·’20·
表!
"#"$焦家金矿充填体强度实际资料
采场
灰砂比
输送浓度
（%）
抗压强度（&’（）
离析指数
备注
）天
*+天
-$
-1
-$
#.#-
#.#-
#.#-
$*
!
-/）
$*
-/!
!
-/1#
#/,
-/0）
-/$0
#/+$
*/$*
）/*1
-/）!
加絮凝剂
2/细砂胶结充填料
细砂系指山砂、河砂及棒磨砂等。
我国许多矿山，如金川、凡口、铜绿山等矿均应用过细砂胶结充填，其中金川的经验及资料最为丰富。
含列举金川生产及试验研究资料。
山砂的粒级组成如下：
粒径（33）4-/$,-/$,5-/,!
!
-/,!
!
5#/#!
*-/#0$5-/#!
*含量（%）-/）*$/0*,!
/1$#1/!
*粒径（33）-/#!
*5-/#*#-/#*#5-/#-#-/#-#5-/-+-含量（%）*!
/#00/1+$/1+
粒径（33）-/-+-5-/-$$"-/-$$
含量（%）-/-1#/*1
充填料配比与充填体强度见表!
"#"）。
表!
"#"）山砂胶结充填体配比及强度
浓度
（%）
水泥细砂比
水泥用量
（6783,）
水灰比
试块抗压强度（&’（）
#天
天
）天
*+天
$-天
#*-天
$!
$!
$!
$!
$!
$!
）-
）-
）-
）-
）-
）-
）-
）!
#.*
#.1
#.!
#.$
#.+
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#.*
#.1
#.!
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#.+
#.#-
#.*-
#.*
!
!
-
*$
*$0
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#1*
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,1
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*,-
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）1
!
）+
#/$#
*/$0
/*,
/））
1/+!
!
/0*
#/*+
*/#1
*/!
）
/1-
/+$
1/）#
0/--
#/--
-/1#-
-/*-,
-/-0-
-/-+）
-/-!
-/$,-
-/#!
-
-/#!
-
-/-!
-
-/-1-
-/-,,
-/-#!
#/#-
-/!
*,
-/*0）
-/**）
-/#,-
-/#）-
/）$）
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-/1#-
-/*!
-
-/*--
-/##$
-/-!
-
$/-,-
#/,,,
-/）1）
-/,+）
-/,!
-/*-）
-/#））
）/#+,
-/+#,
-/!
+,
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-/*）,
-/#0）
-/-$,
）/!
!
）
*/0,,
#/*!
-/0!
-/$!
+
-/,）,
-/,,-
##/--
*/0!
-
#/!
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-
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#,/+,,
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#/0$!
#/）--
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0/+,-
/$+,
*/*$$
#/$--
#/-,,
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-
##/1--
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#/!
#$
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$-
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##/#!
/0!
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#/$）!
#/-）!
-/）,
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-
#$/1-
·*$!
·
浓度
（!
）
水泥细砂比
水泥用量
（"#$%&）
水灰比
试块抗压强度（’（））
*天
&天
+天
-天
./天
*,/天
+0
+0
+0
+0
+0
+0
*12
*10
*1.
*1-
*1*/
*1,/
&&0
+*
&*
*+4
*22
+230
*3..
3//
3&&
&3//
&3..
+30-
/3,,.
/3*&&
/3/4.
/3/..
*3/..
/3+,&
/32.&
/3&,+
/3,0/
/3/-&
*30&+
/34.+
/30-&
/32&/
/3,-&
/3**+
23/&/
&32*.
*34*.
*3.//
/340+
/300+
03,0
&34&&
3,./
*3-*.
*3*0/
/3&&/
03&0
3/,0
*3+-0
/34/
/3,/
棒磨砂粒组成如下：
5&%%棒磨砂粒组成
粒径（%%）
6,30,307*3,*307/3./3.7/3&
/3&7/3*0
含量（!
）
&3+,+3+0,*32/,.3,*
&3-0
粒径（%%）
含量（!
）
/3*07/3/+2/3/+27/3/22
*/3+,,32+
5/3/22
&3-4
棒磨砂浆收缩率及抗压强度见表05*5-。
表05*5-5&%%棒磨砂浆收缩率及抗压强度
灰砂比
浓度
物料用量（"#$%&）
砂浆
比重
渗水率
（%%$9）
收缩率
（!
）
抗压强度（’（））
重量
"#
（!
）
容积
!
8
水
水泥
砂
",-
"2/
"*,/
*12
*12
*12
*1.
*1.
*1.
*1-
*1-
*1-
*1*/
*1*/
*1*/
+/
+0
-/
+/
+0
-/
+/
+0
-/
+/
+0
-/
/32./*
/30,&/
/304&+
/32.,&
/30,24
/3040+
/32.&&
/30,.,
/304.-
/32.2/
/30,.-
/304+0
02/3/
2++3&
2/.32
0&+34
2+03/
2/23/
0&.3+
2+23/
2/&3,
0&03-
2+&3&
2/,3.
0/3/
-.32
&,03*
*+43&
/&30
&*3*
*&43,
*0-3/
*+43,
**&3+
*,43*
*2.32
*//-3/
**2032
*&//30
*/+03-
*,,*30
*&-.30
***&3*
*,.23/
*2&&3.
**&.30
**4/3.
*2.23/
*3-
*34/+
3/,,
*3+4&
*34
3/,,
*3+-4
*3-4.
3/*.
*3+-4
*3-4&
3/,&
2/32/
243,/
*,3/,
.3&/
0&3//
&*3.&
&&324
-,3-/
.-3-/
.3/0
+,3//
.,3//
/302
*&3/,
032&
,34,
*,3/0
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*30*
*,32.
.34,
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**34/
032&
23/*/
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+3,./
*30-/
32-/
&3+&/
*3,//
*3&0/
*3.&/
/30+/
/3+./
*3+//
234//
+30//
43/+/
&3///
3-&2
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3,//
30&/
/34&&
*3*,/
3/-&
.32&,
432//
**3*./
&34..
23&0/
03-//
*3.//
3&//
340/
*3,2.
*32//
32*,
:
3充填用混凝土
充填用混凝土的水泥量及水灰比是影响充填体强度及输出性能的主要因素。
小水灰比流动性能差，需要矿车、电耙等方式运送，但在相同水泥含量条件下，可以达到较大的强度。
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