專利名稱：礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法
技術領域：
本發明屬于礦山采場的充填技術領域，涉及一種采用膠結充填采礦法的礦山采場的高性能泡沫砂漿充填施工方法。
背景技術：
我國是礦產資源的生產和消耗大國，僅非煤礦山就有11萬多座，年產礦石近50億噸，年產值超過5000億元。采礦是礦產資源開發和利用的基礎，但是采礦在為人類提供原材料的同時，也不可避免地會破壞地表環境。隨著工業的飛速發展，礦產的需求量在迅速增加，礦產資源卻在日趨枯竭，資源開發利用引發的安全、環境問題相當突出，而我國大多數礦山企業生產規模小，工藝技術落后，生產盲目性、被動性大，導致礦山環境嚴重惡化，給自然生態環境和社會經濟生活帶來了很大的負面影響。申請人:位于廣東省韶關市東北約48km處，是我國大型鉛鋅生產基地，國家一級企業。目前，礦山生產能力已從投產初期的40X 104t/a，發展到150X 104t/a以上，礦山具有日產鉛鋅礦石5000 5500噸、年產鉛鋅金屬量13 18萬t的采選生產能力，是我國有色金屬行業的最大的鉛鋅采選企業。凡口鉛鋅礦始建于1958年，1968年正式投產，目前礦山最深已開采至_650m水平。 由于礦石品位高，礦體形態復雜，頂部受含水豐富的壺天灰巖覆蓋和地面部分工業建筑物需保護，采區范圍內不允許地表塌陷。所以凡口礦的采礦方法以充填為主，有普通分層充填法、盤區機械化分層充填法和嗣后充填法(FDQ法)。膠結充填是充填采礦法的核心，它是將砂(包括選礦廢料，即尾砂)、廢石等廢棄物摻入一定比例的膠凝材料和水形成具有一定流動性的充填體，通過管道自流輸送到采場的采空區，達到充填的目的。它既減少尾砂和廢石向地表排放，避免污染環境和占用良田，又能有效地控制采場地壓、維護采場穩定，避免或減少巖爆、突水、巖移、地表塌陷等地質災害，提高礦石的開采效率、有效回收難采礦床資源，是深埋、高地應力礦區和圍巖不穩固采場以及“三下”礦體開采首選的安全和有效的采礦方法。上世紀50年代以來，國內外充填工藝與技術經歷了廢石干式充填、碎石水力充填、分級尾砂水力充填、混凝土膠結充填的發展過程。到上世紀60 70年代，開始應用和研發尾礦膠結充填技術；80 90年代，隨著采礦工業的發展，為進一步降低采礦成本及環境保護的需要，發展了高濃度膠結充填(包括膏體泵充填、塊石砂漿膠結充填和高水速凝膠結充填)新技術。膠結材料主要可分為硅酸鹽水泥類、活性廢料為代表的工業廢棄物制成的膠結材料類和高水類膠結材料。井下輸送工藝分為管路自流輸送與泵送工藝兩大類。硅酸鹽水泥類膠結充填材料在保證管路自流輸送的前提下水灰比大大超過水泥固化所需的用水量，導致固化后強度損失嚴重，且脫水過程中不但導致大量水泥流失，而且固化后沉降嚴重，體積縮小后僅為充填漿體的50 60%。泵送工藝雖然可大幅度提高充填濃度，但存在工藝復雜，設備磨損嚴重、能耗指標高等問題。高水速凝復合材料具有較強的固水能力，但材料成本高、且材料對硫鋁酸鹽水泥熟料質量要求嚴格，由于硫鋁酸鹽水泥熟料生產廠家少，一些小廠生產的硫鋁酸鹽水泥熟料質量不高，導致高水材料性能大幅度下降，材料質量不穩定，制約了該技術的推廣應用。國內現有膠結充填技術還存在成本高、效率低、勞動強度大、充填料輸送濃度低、 充填接頂率低、采場脫水污染作業環境等嚴重弊端。膏體泵送充填技術具有充填質量濃度高和充填效率高的特點，在采場也不需脫水，在國外已獲得較為廣泛應用，但因其系統基建投資高，充填工藝復雜，在國內的推廣應用受到制約。由于尾礦充填的輸送濃度一般在70% 以下，采場脫水不但流失水泥，而且嚴重污染井下作業環境。上述措施雖在一定程度上改善了充填質量，但為確保充填料漿在輸送過程不堵管，到達采場后仍有足夠的流動性，目前充填料漿實際的水灰比仍大大超出水泥發生水合反應所需的水灰比，導致材料離析，井下溢流水增加、作業環境惡化，漏漿，固化后強度損失嚴重，且脫水過程中不但導致水泥流失，而且固化后沉降嚴重，結實率偏低(只有60%)等現象發生，充填成本還有進一步降低的空間。從2008年凡口礦全年井下充填檢測結果的統計分析值來看，無論是首層充填、礦房充填、還是膠面充填，其3天、觀天強度的統計值達到設計值的幾率都偏低，而尤以礦房充填的最低，但三種充填均檢測到強度遠高于設計值的情況。這其中可能有水泥質量(經檢測沒有質量問題)或用量問題等原因，但主要是充填料漿的水灰比過高造成的，過高的水灰比將導致材料離析，整體強度偏低、個別強度偏高等現象的發生。
發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供一種高料漿濃度、低含水率、能降低充填成本、提高充填接頂率和結實率、工藝環境友好的礦山采場的高性能泡沫砂漿充填施工方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方法是一種礦山采場的高性能泡沫砂漿充填施工方法，其工藝步驟是先在發泡混合裝置內用發泡劑加入稀釋水制作發泡液，再在發泡液內通入壓縮空氣，形成氣泡流；
對上部采場進行施工時，按照尾砂流量為45 55t/h、水泥流量為10 14t/h、攪拌水流量為10 14t/h、氣泡流量為10 16m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在混合器內攪拌形成濕密度為1300 1600kg/ m3的泡沫砂漿流，并通過輸送管道對上部采場進行充填施工， 總充填流量達45 55m3/h ；
對深部采場進行施工時，按照尾砂流量為65 75t/h、水泥流量為16 20t/h、攪拌水流量為15 19t/h、灰砂重量比為1:3. 4 4. 0、氣泡流量為6 10m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在管道內混合形成濕密度為1350 1450kg/ m3的泡沫砂漿流，再通過中段減壓站，使管道內的泡沫砂漿流再次發泡，并通過輸送管道對深部采場進行充填，總充填流量達 72 7& 3Λ ；
結束充填時，停止發泡混合裝置的工作，并持續5分鐘以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器內液位接近0時，再向混合器內送洗管水，最終結束充填。在所述上部采場進行施工時，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 7 4. 0。在所述深部采場進行施工時，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 4 4. 0。所述發泡劑的組分及其重量百分比分別是1 8%烷基硫酸鹽、2 13%烷基醚硫酸鹽、10 32%防白水、1 5%穩泡劑、42 86%水。本發明的有益效果是利用互不連通的細密泡沫的潤滑作用，在確保強度、流動性等力學指標滿足采場充填要求的前提下，單方水泥用量可平均降低20%以上，水的用量可降低35%以上，充填效率提高20%以上，結實率由目前的不到70%提高到95%以上，綜合充填成本降低10%以上，且材料的離析現象基本消除，井下充填體中無溢流水產生，將泡沫輕質土應用于采場充填的泡沫砂漿充填體，可達到提高充填體的整體質量、降低充填成本、改善井下作業環境等多重效果，對礦產資源的可持續發展、環境修復及防災減災都大有裨益。
圖1是本發明的工藝流程方框示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明
參見圖1，一種礦山采場的高性能泡沫砂漿充填施工方法，其工藝步驟是先在發泡混合裝置內用發泡劑加入稀釋水制作發泡液，再在發泡液內通入壓縮空氣，形成氣泡流；
然后根據采場位置不同分別施工，對上部采場進行施工時，按照尾砂流量為45 55t/ h、水泥流量為10 14t/h、攪拌水流量為10 14t/h、氣泡流量為10 16m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在混合器內攪拌形成濕密度為1300 1600kg/ m3的泡沫砂漿流，并通過輸送管道對上部采場進行對上部采場進行施工，總充填流量達45 55m3/h，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 7 4.0;
對深部采場進行施工時，按照尾砂流量為65 75t/h、水泥流量為16 20t/h、攪拌水流量為15 19t/h、灰砂重量比為1:3. 4 4. 0、氣泡流量為6 10m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在管道內混合形成濕密度為1350 1450kg/ m3的泡沫砂漿流，再通過中段減壓站，使管道內的泡沫砂漿流再次發泡，并通過輸送管道對深部采場進行充填，總充填流量達 72 78m7h，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 4 4. 0 ；
結束充填時，先停止發泡混合裝置的工作，并持續5分鐘以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器內液位接近0時，再向混合器內送洗管水，最終結束充填。所述發泡劑的組分及其重量百分比分別是1 8%烷基硫酸鹽、2 13%烷基醚硫酸鹽、10 32%防白水、1 5%穩泡劑、42 86%水，其中所述的烷基硫酸鹽 (ROSO3 -M)是指十二烷基硫酸鈉，白色針狀，香波基材，能配制起泡性良好的香波；所述的烷基醚硫酸鹽(RO(CH2CH2O)nSO3 ·Μ)是指烷芳基醚硫酸鈉、十二烷基醚硫酸鈉，淡黃色液體， 香波基材，溶解性、耐硬水性、起泡性能好，能配制起泡性良好的香波。所述的防白水是指乙二醇丁醚、乙二醇單丁醚、異二醇單丁醚，無色透明液，化工產品和助劑/織物整理、后處理助劑。所述的穩泡劑是指十二十四醇、十六十八醇，無色透明液，穩定助劑。本發明所用發泡劑的特性是
1)對環境應無不良影響；
2)在0°C以上的溫度環境，材料不離析；
3)標準泡沫密度40kg/m3 60kg/m3；
4)泡沫細密且互不連通，泡沫孔徑30 100μ m ； 5 )消泡率< 10%。2、料漿制備及充填設備1)原材料自動計量、計量精度高(偏差在2%以內)；
2)實現發泡劑的自動稀釋、連續發泡、料漿的連續制備及輸送；
3)設備生產能力60 80m3/h。3、充填料漿及充填體(礦房)
1)料漿的濕容重(13~ 15) kN/m3 ；
2)料漿中泡沫體積含有率>30% ；
3)充填料漿不離析，溢流水減少；
4)充填體28天抗壓強度(灰砂比1:4；泡沫體積含有率> 30%) 2. 0 2. 8MPa ；
5)充填體接頂率95%以上。
本發明的充填效果是在上部采場的充填過程中，表現出以下特性一是在氣泡流量足夠的情況下，采場出料口泡沫砂漿狀態總體平穩，充填效果良好；二是在接頂充填時，由于泡沫砂漿的流動狀態更接近濱漢姆流體模型，接頂效果良好、接頂率高；三是在充填過程中，砂漿及泡沫砂漿濕密度的波動均較小，表明充填質量穩定；四是井上泡沫砂漿濕密度總體上略高于采場泡沫砂漿濕密度，這說明，上部采場充填仍存在一定程度的管道再次發泡現象；五是當地表普通砂漿濕密度明顯低于2000kg/m3即普通砂漿濃度較低時，泡沫砂漿濕密度則明顯升高，說明普通砂漿濃度偏低時會導致泡沫砂漿的消泡現象。以申請人2009年的產能為例，年采礦量約180萬噸，年充填量約55萬m3，節省的直接材料成本按13. 4元/m3計算，節省水泥約2. 5萬噸/年，節水約22萬噸/年，節省充填材料成本約740萬元/年，參照目前探明的礦石儲量，至礦山開采結束，可節省約1.2 億元的材料成本。此外，我國目前正在開采的各類有色金屬礦就多達5000多家，且大都采用充填采礦法進行開采，年充填總量超過一億五千萬立方米，充填總價達300多億元人民幣，據初步估算，若本發明推廣應用后的5年內，預計可應用到國內30家以上大型礦山的充填，實現近40億元的產值，節省近3億元的充填成本，經濟效益相當顯著。本發明實現高濃度、全尾砂管道自流輸送泡沫砂漿充填漿體的濃度接近于膏體， 但由于高效致密泡沫的潤滑作用，在低水灰比的情況下仍能確保混合料的流動性，較好地解決了高濃度料漿輸送中的流動性、用水量及充填體質量之間的矛盾，避免堵管和管道磨損問題；本發明充填料漿不離析，提高充填質量由于充填體含水率低，無論是輸送過程中還是充填后材料基本不離析，確保充填體質量的均勻性，充填料漿到達采場后能夠自流平， 大大提高了充填體質量；本發明泡沫砂漿充填料漿進入采場后不需或少量脫水，不僅充填體質量好，而且井下無排水排泥污染，有效改善井下作業環境。總之，泡沫砂漿充填技術繼承了一般水力充填中料漿流動性能好，易于實現管道輸送的優點；同時又具有膏體充填濃度高，井下不脫水或少量脫水，充填質量好，接頂率高、強度高等優勢，是一種充填成本較低、具有很大發展潛力的全新的充填技術。
權利要求
1.一種礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法，其特征在于工藝步驟是先在發泡混合裝置內用發泡劑加入稀釋水制作發泡液，再在發泡液內通入壓縮空氣，形成氣泡流；在對上部采場進行施工時，按照尾砂流量為45 55t/h、水泥流量為10 14t/h、攪拌水流量為10 14t/h、氣泡流量為10 16m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在混合器內攪拌或在管道內混合形成濕密度為1300 1600kg/ m3的泡沫砂漿流，并通過輸送管道對上部采場進行充填，總充填流量達45 55m3/h ；在對深部采場進行施工時，按照尾砂流量為65 75t/h、水泥流量為16 20t/h、攪拌水流量為15 19t/h、灰砂重量比為1:3. 4 4. 0、氣泡流量為6 10m3/h的配比，使氣泡流和砂漿流在混合器內攪拌或在管道內混合形成濕密度為1350 1450kg/ m3的泡沫砂漿流，再通過中段減壓站，使管道內的泡沫砂漿流再次發泡，并通過輸送管道對深部采場進行充填，總充填流量達72 78m3/h ；結束充填時，停止發泡混合裝置的工作，并持續5分鐘以后再停止水泥、尾砂及水的供料，待混合器內液位接近0時，再向混合器內送洗管水，最終結束充填。
2.如權利要求1所述的礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法，其特征是在所述上部采場進行施工時，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 7 4. 0。
3.如權利要求1所述的礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法，其特征是在所述深部采場進行施工時，水泥與尾砂的重量比控制在1:3. 4 4. 0。
4.如權利要求1所述的礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法，其特征是所述發泡劑的組分及其重量百分比分別是1 8%烷基硫酸鹽、2 13%烷基醚硫酸鹽、10 32%防白水、1 5%穩泡劑、42 86%水。
全文摘要
本發明涉及一種礦山采場的高性能泡沫砂漿充填方法，先在發泡混合裝置內用發泡劑加入稀釋水制作發泡液，再在發泡液內通入壓縮空氣，形成氣泡流；然后根據礦山采場條件分別對上部采場和深部采場進行施工。本發明利用互不連通的細密泡沫的潤滑作用，單方水泥用量可平均降低20%以上，水的用量可降低35%以上，充填效率提高20%以上，結實率由目前的不到70%提高到95%以上，綜合充填成本降低10%以上，且材料的離析現象基本消除，井下充填體中無溢流水產生，將泡沫輕質土應用于采場充填的泡沫砂漿充填體，可達到提高充填體的整體質量、降低充填成本、改善井下作業環境等多重效果，對礦產資源的可持續發展、環境修復及防災減災都大有裨益。
文檔編號C04B28/00GK102261262SQ20101025240
公開日2011年11月30日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者姚曙, 張木毅, 曾亮, 汪建斌, 田志剛, 譚軍, 陳俊霖, 陳忠平 申請人:廣東盛瑞土建科技發展有限公司, 廣州大學, 深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦