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磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝背景
2007年1月之前的空場法采礦，由于采出礦石后未對采空區進行有效處理，經過長時間的開采，會形成大量的采空區，導致采空區頂板巖石垮落，上覆巖層沉降，破壞，直至引起地表山體坍塌和滑坡，形成地質災害，礦山生產不安全，給地表工業設施、公路及房屋帶來極大的威脅；還會造成耕地破壞，占用大量的耕地排矸，帶來許多環境問題。截至2007年1月，人們針對礦山空場法采礦的這一頑疾開發了一些充填采礦方法，例如中國02109245.1號“切割落礦干式充填人工礦柱采礦方法”、03100050.9號“一種充填留礦采礦法”、03124720.2號“階梯式分段擠壓崩礦跟隨充填連續采礦法”、200510074429.6號“上向間隔進路充填采礦方法”等。這些方法均對上述環境問題的解決有一定的效果，但有的只適用于某種礦體，有的只能解決部分問題，有的還會造成伴生礦體的損失。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝發明內容
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝目的
該發明的目的在于提供一種磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝，不僅可以克服2007年1月之前技術的缺點，還能夠充分利用磷化工產生的數量巨大的磷石膏廢渣，更好地保護生活環境。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝技術方案
《磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝》的具體內容包括：
（1）劃分礦房：將傾角為20-90度礦體沿走向劃分為若干個長度為600-800米的盤區礦塊，每個盤區劃分為若干個分層（段），每個分層（段）高度據傾角定為8-10米；盤區斜坡道布置在每個盤區礦塊的中部，當盤區斜坡道施工到每個分層標高后，掘布置在礦體頂板內離礦體頂板線為15米左右的脈外分層平巷，然后按每20米左右掘一條礦房聯絡道進入礦房的礦體；每個礦房不留頂柱，只留連續間柱或點柱；
（2）充填準備：當每個礦房回采完畢后，在下分層礦房聯絡道處施工充填體隔離擋墻，在上下分層礦房聯絡道之間穿過空場安裝脫水管；當充填體隔離擋墻和脫水管安裝好之后，就可進行充填，即在上分層礦房聯絡道向采空區充入充填料漿和矸石；
（3）制備漿料：地面充填站將磷石膏、粉煤灰、水泥和水按一定的配比和濃度要求制備成料漿通過垂直管道或料漿泵站經充填管輸送進入平巷，再通過充填管線井和脈外分層平巷內的連結管道，將料漿輸入采空場；在充填的過程中，為提高充填體的強度和對矸石的利用，還用鏟運機向采空場內充填生產過程中產生的矸石；
（4）回采充填：由于充填料漿的最終凝固時間為3個月，因此，回采和充填礦房的順序為：走向上先對偶數/奇數礦房進行回采和充填，然后待偶數/奇數礦房充填體達到凝固要求后，再對奇數/偶數礦房進行回采與充填，傾向上，先回采充填完最下一個分層，再依次往上進行；充填過程中，要充分利用充填料漿的壓力，將矸石和料漿攪拌均勻，使充填料向采空區兩邊流動，直到充滿采空區。
該發明人在對膠結充填材料及配比進行了大量試驗后得出結論：①磷石膏作為膠結充填骨料用于井下嗣后充填是可行的，固結體的終期強度可達到1.3～3兆帕，能夠滿足生產要求；②磷石膏膠結充填混合料中添加粉煤灰可降低水泥消耗，降低充填成本，同時也能提高固結體的終期強度；③為便于鏟運機作業，粉煤灰磷石膏膠結充填的適宜配比為：水泥:粉煤灰:磷石膏＝1:1:4～1:1:10；漿體質量濃度：57％～63％；輸送方式采用管道自流輸送或料漿泵輸送；④粉煤磷石膏膠結充填漿體具有良好的制備和水力輸送性能，充入采場后，水泥不易離析，泌水率低，這對于嗣后充填采礦工藝極為有利；⑤為進一步降低充填成本，可以利用掘進矸石進行塊石膠結充填，塊石與料漿分開輸送，利用料漿的滲透性固結塊石；⑥磷石膏是一種緩凝劑，其膠結充填體早期強度偏低，可以利用水泥粉煤灰巖粉混合料澆筑層面，配比和漿體質量濃度同上。
根據上述結論，該發明人提供的制漿工藝是以磷石膏、粉煤灰或白云巖和水泥為填充料漿的材料，磷石膏和粉煤灰由料倉經皮帶輸送至雙軸攪拌機，同時水泥由水泥倉經螺旋輸送機進入雙軸攪拌機，加水再經強力活化攪拌機最終制成充填料漿；制備的充填料漿經充填鉆孔進入采準水平，再經充填管線斜井進入充填采場的上分層脈外分層平巷，由充填采場的上分層礦房聯絡道充入采場。
上述工藝中，采用粉煤灰磷石膏膠結充填時，各材料的重量配比為：水泥:粉煤灰:磷石膏＝1:1:4～1:1:10，漿體濃度為57％～63％，輸送方式為管道自流輸送，矸石用鏟運機運輸。上述工藝中，所用層面膠結充填的材料重量配比為：水泥:粉煤灰:巖粉＝1:1:4，漿體濃度和輸送方式與上相同。
上述工藝中，由于磷石膏膠結充填混合料粒徑極細、粘性大、充填料漿濃度高、攪拌非常困難，因此采用雙軸攪拌機與強力活化攪拌機組成的成套攪拌設備。雙軸攪拌機對充填料進行初步攪拌，混合料達到基本均勻的目的，為下一步強力活化攪拌制備出流動性好、混合均勻的高濃度充填料漿創造有利條件；強力活化攪拌機進行強力活化攪拌，從而制備出流動性好、濃度高的均質充填料漿。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝改善效果
《磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝》有如下特點：①在磷石膏供料系統中，采用打散破碎技術，解決了磷石膏料中大塊處理難的問題，使磷石膏的利用率從90％提高到100％；②采用了帶破拱架的振動放料技術，解決了磷石膏和粉煤灰在放料過程中由于粘性大而產生的結拱現象，確保磷石膏和粉煤灰能連續均勻地供料；③采用了雙軸攪拌和強力活化攪拌技術，解決了磷石膏膠結充填料極細、攪拌困難等難題，使制備出的充填料漿呈似膏體狀態、并且混合均勻、流動性好、采場脫水量少；④采用了計算機控制技術和電視監視技術，整個系統由計算機控制調節，能確保充填料配比符合充填的要求，并大量減輕了人工強度；⑤磷石膏膠結充填系統與傳統的膏體充填系統相比，具有工藝簡單、操作容易、基建投資少等優點，該系統的基建投資不到傳統膏體充填系統基建投資的1/10。
該發明提供的磷石膏膠結嗣后充填采礦法克服2007年1月之前技術的缺點，保證礦山達產和穩產，并且能使礦石回收率從65％提高到80％左右，我國寶貴的優質磷礦資源得到充分的回收利用，經濟效益十分顯著；有效地保護了礦山的環境，解決了空場法采礦形成地質災害、礦山生產不安全，給地表工業設施、公路及房屋帶來威脅的問題；使用磷石膏作為充填料，可以防止磷石膏占用大量的耕地和對周圍環境產生的污染。該發明適用于采用空場法采礦的礦山，尤其適用于磷礦及其他非金屬礦山開采企業。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝附圖說明
圖1為磷石膏膠結充填料制漿工藝流程示意圖，其中，1為水泥罐車，2為水泥倉，3為水池，4為水源，5為電磁流量計，6為電動調節閥，7為1#膠帶輸送機，8為電子皮帶秤，9為振動放料機，10為粉煤灰料倉，11為破拱架，12為裝載機，13為粉煤灰堆場，14為磷石膏堆場，15為磷石膏料倉，16為2#膠帶輸送機，17為打散破碎機，18為磷石膏2#中間料倉，19為3#膠帶輸送機，20為料漿漏斗，21為強力活化攪拌機，22為雙軸攪拌機，23為螺旋電子秤，24為雙管螺旋喂料機；圖2為采場結構俯視圖；圖3為B-B剖視圖；圖4為C-C剖視圖。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝權利要求
1.《磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝》其特征包括：
（1）劃分礦房：將傾角為20°～90°的礦體沿走向劃分為若干盤區礦塊，每個盤區劃又分為若干個分層；盤區斜坡道布置在每個盤區礦塊的中部，當盤區斜坡道施工到每個分層標高后，掘布置在礦體頂板內離礦體頂板線為15米左右的脈外分層平巷，然后按每20米左右掘一條礦房聯絡道進入礦房的礦體；每個礦房不留頂柱，只留連續間柱或點柱；
（2）充填準備：當每個礦房回采完畢后，在下分層礦房聯絡道處施工充填體隔離擋墻，在上下分層礦房聯絡道之間穿過空場安裝脫水管；當充填體隔離擋墻和脫水管安裝好之后，就可進行充填，即在上分層礦房聯絡道向采空區充入充填料漿和矸石；
（3）制備漿料：地面充填站將磷石膏、粉煤灰、水泥和水按一定的配比和濃度要求制備成料漿通過垂直管道或料漿泵站經充填管輸送進入平巷，再通過充填管線小井和脈外分層平巷內的連結管道，將料漿輸入采空場；在充填的過程中，為提高充填體的強度和對矸石的利用，還用鏟運機向采空場內充填生產過程中產生的矸石；
（4）回采充填：由于充填料漿的最終凝固時間為3個月，因此，回采和充填礦房的順序為：走向上先對偶數/奇數礦房進行回采和充填，然后待偶數/奇數礦房充填體達到凝固要求后，再對奇數/偶數礦房進行回采與充填，傾向上，先回采充填完最下一個分層，再依次往上進行；充填過程中，要充分利用充填料漿的壓力，將矸石和料漿攪拌均勻，使充填料向采空區兩邊流動，直到充滿采空區。
2.如權利要求1所述的磷石膏膠結嗣后充填采礦法，其特征在于所述礦房的劃分是沿走向劃分為若干個長度為600-800米的盤區礦塊，每個盤區劃又分為若干個分層，每個分段高度據礦體傾角確定8-10米。
3.如權利要求1所述的磷石膏膠結嗣后充填采礦法使用的制漿工藝，其特征在于該工藝以磷石膏、粉煤灰和水泥為填充料漿的材料，磷石膏和粉煤灰由料倉經皮帶輸送至雙軸攪拌機，同時水泥由水泥倉經螺旋輸送機進入雙軸攪拌機，加水后，通過強力活化攪拌機制備成充填料漿；制備的充填料漿經充填鉆孔或泵站輸入采準水平，再經充填管線斜井進入充填采場的上分層脈外分層平巷，由充填采場的上分層礦房聯絡道充入采空場。
4.如權利要求3所述的制漿工藝，其特征在于采用粉煤灰磷石膏膠結充填時，各材料的重量配比為：水泥:粉煤灰:磷石膏＝1:1:4～1:1:10，漿體濃度為57％～63％，輸送方式為管道自流或經泵站輸送；采用矸石膠結充填時，各種材料的重量配比為：水泥:粉煤灰:磷石膏＝1:1:4-1:1:10，漿體濃度為57％～63％，輸送方式為漿體管道自流或泵站輸送，矸石由鏟運機運輸。
5.如權利要求3所述的制漿工藝，其特征在于所用層面膠結充填的材料重量配比為：水泥:粉煤灰:巖粉＝1:1:4。
6.如權利要求3所述的制漿工藝，其特征在于漿料的制備采用雙軸攪拌機與強力活化攪拌機組成的成套攪拌設備。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝實施方式
實施例開磷（集團）用沙壩礦是貴州開磷集團公司礦業總公司的下屬礦山，其保有地質儲量為5000多萬噸。該礦原來的采礦方法為空場法。中段高度為50米，分段高度為10米，采場長度為10～12米，采場與采場之間留4米的間柱。
改用該發明的磷石膏膠結嗣后充填采礦法，將走向長度為1100米的礦塊沿走向劃分為兩個盤區，每個盤區劃分為5個分層，每個分層垂高為10米。盤區斜坡道布置在每個礦塊的中部，當盤區斜坡道施工到每個分層標高后，掘布置在礦體頂板內離礦體頂板線為15米的脈外分層平巷，然后按每20米一條掘礦房聯絡道進入每個礦房，每個礦房不留頂柱，只留3米的連續間柱或4米×4米的點柱。
采場出礦完畢，在上分層脈外分層平巷的充填主管中接入3時柔性增強塑料軟管，然后通過礦房聯絡巷直達采空區頂端。充填軟管用鐵絲每隔5米固定在施工于巷道幫上的管縫式錨桿的托盤上。在緊臨采場空區的出礦進路架設充填擋墻。充填擋墻由木立柱、木板與金屬網構筑而成。木立柱直徑200毫米，長度依隔離墻架設高度而定。木板厚度30毫米，木板與木板之間留50毫米左右的間距。隔離墻骨架筑好后，在其內側用麻布袋敷設好，用鐵釘或帶速凝的水泥系緊封嚴，防止充填時跑漿、漏漿。在上下分層礦房聯絡道之間（穿過空場）安裝脫水管，脫水管一端安裝于充填擋墻外，采場內充填脫水管安放于上盤一側，為了不使脫水管被充填廢石砸壞，脫水管布置在角落，鋼絲繩一側靠外，并且用廢木板或廢鋼板保護脫水管。之后進行充填。地面充填站將磷石膏、粉煤灰、水泥和水按一定的配比和濃度要求制備的料漿通過垂高為218米的垂直管道進入1170平巷，再通過充填管線井和脈外分層平巷內的連結管道，將料漿輸入采空場，還用鏟運機向采空場內充填白云巖廢渣。回采和充填礦房的順序為：走向上先對偶數或奇數礦房進行回采和充填，然后待偶數或奇數礦房充填體達到凝固要求后，再對奇數礦房進行回采與充填，傾向上，先回采充填完最下一個分層，再依次往上進行。礦房內分層平巷掛礦體頂板掘進，每個礦房掘進長度為17米，分層平巷掘進斷面積為14.7平方米，支護型式為錨桿與金屬網聯合支護。每個礦房內布置兩條切割上山，每條切割上山中心線離分層平巷末端3米。切割上山沿礦體頂板掘進。掘進斷面規格：寬×高＝3米×2.8米，面積為8.4平方米，支護型式為管縫式錨桿與金屬網聯合支護。
具體采場結構參數如下：①礦體傾角為25～45°，②中段高度為50米，③分層高度為10米，④礦塊長度為500～600米，⑤礦房尺寸為寬×斜長＝20米×20米，⑥礦柱為連續間柱2個，一邊一個，長為3米；點柱一個，位于礦房中部，長×寬＝4米×4米。所用的磷石膏膠結充填系統工藝流程有五條生產線，即磷石膏供料線、粉煤灰供料線、水泥輸送線、供水線、充填料漿制備及其輸送線。磷石膏膠結充填系統工藝流程如附圖1所示。
磷石膏供料線：磷石膏用自卸汽車運到充填站磷石膏堆場14堆存，充填時，用裝載機12將磷石膏裝載卸至1#中間料倉15，通過帶破拱架11的單臺板振動放料機9放料，經2#膠帶輸送機16送入打散粉碎機17，粉碎后的磷石膏落入2#中間料倉18，再經帶破拱架11的單臺板振動放料機9放料，然后由3#膠帶輸送機19送入雙軸攪拌機22。磷石膏干料供料能力為28～60噸/小時，磷石膏濕料供料能力為38～84噸/小時，磷石膏采用皮帶電子秤8自動計量，并通過調節單臺板振動放料機9的變頻調速器的頻率來實現磷石膏給料量的調節。
粉煤灰用自卸汽車運到充填站粉煤灰堆場13儲存。充填時，粉煤灰用裝載機12上料卸至中間料倉10，然后通過帶破拱架11的單臺板振動放料機9放料，再經1#膠帶輸送機7送入雙軸攪拌機22。粉煤灰干料供料能力為4～13噸/小時，粉煤灰濕料供料能力為5～15噸/小時，粉煤灰采用皮帶電子秤8自動計量，并通過調節單臺板振動放料機9的變頻調速器的頻率來實現粉煤灰給料量的調節。
水泥采用水泥罐車1送至充填站，經壓氣自動卸入100噸水泥倉2。充填時，水泥由型雙管螺旋喂料機24放料，再經單螺旋電子秤23計量后輸送到雙軸攪拌機22。水泥供料能力為4～13噸/小時，并通過調節雙管螺旋喂料機24的變頻調速器的頻率來實現水泥給料量的調節。
充填站建有水池3。充填時，水池3中的水通過水泵4供給，經電磁流量計5計量，并通過調節水泵4變頻調速器的頻率來實現給水量的調節。正常供水流量為24～36立方米/小時，沖洗管道的用水流量為90立方米/小時左右。
磷石膏、粉煤灰、水泥、水按照水泥:粉煤灰:磷石膏＝1:1:4～1:1:10，漿體濃度為57％～63％的工藝要求，先經雙軸攪拌機進行初步攪拌后，再經強力活化攪拌機進行活化攪拌，攪拌均勻的充填料漿由充填管經充填鉆孔和井巷自流輸送到井下各充填采場。
雙軸攪拌機22與強力活化攪拌機21組成成套攪拌設備。雙軸攪拌機22的主要技術參數：制漿能力50～80立方米/小時，攪拌轉速46轉/分鐘，骨料粒徑＜15毫米，電機功率45千瓦。強力活化攪拌機21的主要技術參數：制漿能力50～80立方米/小時，攪拌轉速980轉/分鐘，骨料粒徑＜15毫米，電機功率30千瓦。充填站的平均充填能力達到40～42立方米/小時。[2]
磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝榮譽表彰
2015年11月27日，《磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝》獲得第十七屆中國獎優秀獎。[1]
參考資料
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