充填胶凝材料的发展与应用

充填胶凝材料的发展与应用

收稿日期:2007-10-08

作者简介:赵传卿(1969—),男,山东临朐人,高级工程师,北京科技大学土木与环境工程学院博士研究生,主要从事矿山管理与技术研究工作;北

京市海淀区学院路30号,北京科技大学土木与环境工程学院394#信箱,100083

赵传卿,胡乃联

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要:胶结材料是充填采矿技术中最为重要的因素,胶结材料的变化有时会引起采矿方法的变革;胶结剂作为胶结充填材料的主要材料之一,在矿山充填采矿工艺中占有重要地位。文中对主要

的几种矿山充填胶凝材料(如高水固结材料、赤泥胶结材料、矿渣胶结材料、全砂土固结材料、矿山尾砂固结材料等)进行了详细阐述。胶凝材料将向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展,胶凝材料具有广阔的研究、发展和应用前景。

关键词:胶结充填采矿;胶凝材料;发展与应用

中图分类号:T D853134 文献标识码:B 文章编号:1001-1277(2008)01-0025-05

0　引　言

充填采矿法具有损失率小、贫化率低、安全性高

等优点,也是能有效控制矿山地压活动的采矿方法。随着采矿逐步向深部发展,地温、地压的增加,以及对环境、资源保护的不断强化,人们越来越注重人与自然环境的和谐发展,充填采矿法得到了更大的发展,

越来越多的矿山采用充填采矿方法[1]

。

、复杂、特殊条件矿床的一种行之有效的开采技术,在世界上还只有半个多世纪的历史。胶结充填技术以其特殊的工艺、突出的优点、可喜的前景而日益广泛地被应用。它能更充分地满足保护资源、保护环境、提高效益、保证矿山可持续研发的要求。胶结充填经历了低强度混凝土胶结充填、低浓度尾砂胶结充填、全尾砂高浓度胶结充填、全尾砂膏体胶结充填、块(碎)石胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填、似膏体胶结充填等模式,每种模式都给充填技术带来了巨大的进步,甚至产生质的飞跃,有的可以说是采矿业的革命。每一种充填模式的诞生,都是和充填材料(包括胶凝材料、惰性材料、各种物料)结合在一起的。

随着充填采矿技术,特别是胶结充填采矿技术的日益发展,使矿山许多复杂的技术问题得到了很好的解决,在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、防止内因火灾、减缓岩爆发生、有效控制地压活动等方面发挥了巨大的作用。

胶结材料是充填技术中最为重要的因素之一,胶结材料的改变会引起充填技术的改变,也能引起采矿方法的变革;胶结剂作为胶结充填材料的主要材料之

一,在矿山充填采矿工艺中占据了重要地位。充填体固化时间及强度是影响采矿周期及损失贫化的重要因素,充填成本的高低直接影响着矿山经济效益。所以研究开发新的适合于矿山充填的胶结材料是国内外采矿界一直共同关注和研究的课题。

1　充填材料概述

充填采矿法采矿经历了几十年的发展,已使胶结充填技术日臻完善,并获得推广应用。在20世纪90年代后充填技术成果主要体现在充填材料、充填工艺和充填体力学等方面。这里仅就充填材料的发展与应用情况作一详细评述。

充填工艺与技术的发展,经历了废石干式充填、分级尾砂和碎石水力充填、混凝土胶结充填、以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填、废石胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填的发展过程。可见,胶结充填材料可随着采矿充填工艺的发展而发生变化。胶结材料在充填采矿中的作用越来越大,其发展速度之快主要是近些年的事情。

废石干式充填采矿法、水砂充填采矿法主要应用于50～60年代为控制地压活动、防止地表下沉,所以比较初级,也没有用胶结充填材料。

20世纪60～70年代,应用和开发尾砂胶结充填

技术。在这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填,即完全按建筑混凝土的要求及工艺制备和输送胶结充填料。所以这一时期的胶凝材料就是建筑行业用的水泥。70～80年代,细砂胶结充填材料的研究与应用得到较大推广与应用。

细尾砂胶结充填以尾砂、河砂、天然砂、棒磨砂

等材料作为胶结骨料,胶结剂主要为水泥。开始应用的矿山主要有凡口铅锌矿、玲珑金矿、焦家金矿等,以后也得到了广泛的推广与应用。

20世纪80～90年代,随着采矿业的发展,原来的充填工艺已不能满足回采工艺和进一步降低采矿成本或环境保护的需要,因而陆续研发了高浓度充填、膏体充填、废石胶结充填、全尾砂胶结充填、高水材料充填、似膏体充填等新技术。这个阶段,充填胶凝材料也得到了采矿业界及矿业专家的重视和空前的发展。

主要的胶凝材料有高水固结材料、赤泥胶结材料、矿渣胶结材料、全砂土固结材料、矿山尾砂固结材料等。其发展趋势向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展,但水泥仍为矿山工程及井下充填应用最广泛的胶凝材料。

矿山充填材料主要由骨料和胶结剂两部分组成,骨料大多就地选取廉价的可用物料,不足部分就近选料破碎加工,而胶结剂绝大多数矿山选用普通硅酸盐水泥或矿渣水泥,少量矿山掺入粉煤灰、赤泥、石灰等物料。为适用于矿山充填特点的专用水泥还不多见。

尾砂作为一种廉价的矿山废料,大量用于矿山充填具有十分重要的意义,一方面可以解决矿山充填材料的来源问题,另一方面解决了矿山工业废料造成环境污染和占用耕地的问题。过去只有分级尾砂被利用,随着高浓度胶结充填工艺的进一步完善和膏体充填工艺、高水充填技术的发展,全尾砂将得到很好的利用,并逐步取代其他充填材料,成为矿山企业主要的充填骨料。

除了常规的充填材料,如砂石集料、水泥、粉煤灰、炉渣以及水之外,在充填料制备之前或混合之后直接加入的材料———外加剂,已在国内外一些矿山开始研究和试用。例如,速凝剂可以用来缩短凝固时间,缓凝剂可以用来延缓凝固时间,减水剂可以用来改善和易性和提高强度,减阻剂可以用来降低高浓度物料的管道输送阻力等,其目的是为了提高充填料的物理性能和改善经济性。包括强度、稳定性、可输送性、可泵性、和易性以及浇注性,这些特性用来满足充填与采矿工程需要。特别是减水技术和水化过程控制技术已在国外矿山生产中应用。许多化学添加剂,如絮凝剂、减水剂、泥浆杂物快速固化剂等在矿山应用还不多,依赖水泥单一品种的局面将会改变。

2　充填胶凝材料的发展与应用

2.1　水　泥

目前,建筑工程及采矿工程中使用的水泥主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。硅酸盐水泥仍然是目前采矿工程中应用最广泛的胶凝材料。

凡以适当成分的生料(氧化钙64%～68%,氧化硅21%～23%,氧化铝4%～7%,氧化铁3%～5%)烧至部分熔融,所得的以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料,加入适量石膏和一定量的混合材料,磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(也叫波特兰水泥)。

硅酸盐水泥是目前矿山充填应用最广泛的胶凝材料,其比表面积一般为3000～3500c m2/g。在矿山充填中,水泥与充填骨料及水混合后,发生物理化学反应形成胶体,进而凝固形成具有一定强度的充填胶结体。

具有代表性的水泥胶结充填材料主要有:低浓度尾砂胶结充填材料、细砂高浓度胶结充填材料、全尾砂高浓度胶结充填材料和膏体胶结充填材料,以上充填材料工艺已广泛应用于矿山的井下充填中。

2.2　赤　泥

赤泥胶结充填剂是利用赤泥的活性,研究开发出的一种低成本和优良性能胶结材料。

由于烧结法特殊的生产过程,从而使赤泥的化学成分、颗粒级配及物理力学性能等方面具有许多特点,其中赤泥的潜在水硬活性是最具利用价值的特性之一。

针对赤泥的潜在活性特点及物理特性,可采用加热活化、添加活性激化剂等方法,使赤泥的活性得到激化和提高。其中添加活性激化剂的方法对矿山充填更具重要意义,它可使赤泥不经煅烧而直接加以利用。同时由于矿山充填时充填料均以浆状输送至井下,含有一定水分的赤泥可满足技术要求,可省去热耗大、成本高的烘干过程。

赤泥活性激化剂使赤泥中原存在的自由水转变为结晶水、胶凝水,最终使赤泥胶结硬化。正是由于赤泥的上述物化特性,构成了被开发为矿山充填用胶结剂的技术基础。

赤泥胶结充填剂的矿山充填性能远优于水泥胶结充填料,主要表现在:

(1)由于赤泥比表面积大、颗粒内部毛细孔发育,其保水性能好,料浆不脱水浓度低,赤泥全尾砂料浆的不脱水浓度为58%,比水泥全尾砂料浆78%的不脱水浓度降低了20个百分点。

(2)由于赤泥含有大量黏粒及胶粒,故料浆稳定性好,赤泥全尾砂料浆在流动性很好的低浓度条件下,亦能保证料浆的稳定性,料浆不产生离析,充入空区具有很好的流平性,这一性能对于窄长的充填工作面及缓倾斜工作面的充填接顶具有十分重要的意义。