充填材料

充填材料組分主要有集料、膠凝料和水，以及改善充填料性能的輔料。充填材料的物理力學性質和化學性質對於充填材料的製備、輸送和所形成的充填體的物理力學性質和化學性質具有重要影響。對充填體的物理力學性質和化學性質的主要要求是：(1)能迅速具有一定強度，而且沉縮率小，以便有效地支撐周圍礦巖;當側面出現採空區時充填體不向採空區大量片落，並允許在充填體表面進行回採作業。(2)不產生污染環境或引起發熱甚至發火的物質。

按充填材料有無膠凝成分和是否以水為輸送介質等，充填材料可分為乾式充填材料、水砂充填材料和膠結充填材料三種。 ^[1] 

用重力、機械設備或人力輸送到採空區的含水分極少的固體材料。常用的乾式充填材料有塊石、砂石、土壤、工業廢渣等惰性材料。通常建立露天採石場，以提供乾式充填材料。當開採極薄礦體時用崩下圍巖充當乾式充填材料。有時在井下用掘進井巷的廢石或專門開採的廢石充當乾式充填材料。

輸送乾式充填材料的方式與材料的最大塊度間的關係是：用重力和人力輸送時，最大塊度小於200～300mm;用電耙時，適宜的塊度為150～200mm;使用拋擲充填機時，最大塊度應小於70～80mm;用風力充填機時，最大塊度應小於輸送管道直徑的1/3，通常，適宜的塊度為40～50mm。用風力管道輸送乾式充填材料時，為了防止堵管，充填材料的含水率不宜超過5%～10%，為了減少粉塵危害，粉塵含量不宜超過10%～15%。

以水為輸送介質的固體充填材料。常用管道輸送。水砂充填材料是山砂、河砂、破碎砂、尾砂或水淬爐渣等。尾砂在金屬礦山中來源豐富，價格低廉，但如果含粒徑<0. 02mm的細顆粒含量大於10%～15%，其脱水性不好，不能迅速形成有一定強度的充填體。通常認為，表示脱水性的充填材料滲透係數K20應不低於10cm/h。為此，需對尾砂用水力旋流器進行脱泥。山砂、河砂、破碎砂和水淬爐渣等的粒徑比尾砂要大得多。

為了避免輸送這些材料的過程中管道被堵塞，需要使這些材料的最大粒徑小於管道內徑的1/3，含最大粒徑顆粒的含量不超過15%。為了減少充填體中的空隙，以降低充填體的沉縮率，增加充填體的支撐能力，有時需向粗砂中加入 一定數量的細砂，使這些材料的粒級均勻度係數Cu增加到5左右，Cu的計算式為Cu=d₆₀/d₁₀，式中d₆₀和d₁₀分別為60%和10%的水砂充填材料能通過的篩孔直徑。水砂充填用的碎石、山砂和尾砂的最大粒徑分別是60、3 和0.5mm左右。

含膠凝材料的充填材料。膠結充填材料形成的膠結充填體的支撐能力較大，而且在其邊界的約束被全部或部分解除後都不會片落或冒落。常用的膠結充填材料分為混凝土和水泥砂漿兩種類型，前者是由粗細骨料和水泥漿混合成的，可以用輸送普通混凝土的方式輸送，不需要在充填區脱水，後者是由細砂或尾砂和水泥漿混合成的，常用管道水力輸送，需要在充填區脱去多餘水分後形成膠結充填體。水泥含量相同時，混凝土充填體的強度較高，一般超過3或4MPa，而水泥砂漿充填體的強度不超過2或3MPa。普通硅酸鹽水泥是廣泛使用的膠凝材料，通常，1m膠結充填體中大約含150～350kg水泥。為了降低膠結充填成本，需要從包裝和運輸等方面降低水泥的成本，減少膠凝材料的使用量，以及用代用膠凝材料。

混凝土膠結充填材料中的粗骨料，可將塊石經兩段破碎形成的50～5mm碎石自然級配而成。細骨料的粒徑為0.15～5mm。用分級後的粗尾砂作為細骨料時，最小粒徑可取0.037mm。水泥砂漿膠結充填材料中細砂的粒徑一般為0.25～0.35mm。用尾砂作為水泥砂漿膠結充填材料時，需使粒徑大於0.037mm的顆粒達90%。否則水泥消耗多，不易脱出多餘的水分，並且所形成的充填體的強度低。尾砂中的含硫量若超過1%或3%時，充填體後期強度受到有害影響。尾砂中含有已氧化的硫化礦物時，充填體後期強度受到的有害影響更大，甚至充填體會自行崩解。尾砂膠結充填材料的配比，一般用水泥對尾砂的重量比和固體物料重量所佔百分比表示。這兩個指標對於通過管道用水力輸送這種充填材料的難易程度和所形成充填體的強度都有很大影響。

尾砂膠結充填材料的灰砂比通常為1：8～1：10，個別情況下為1：20～1：30，用來構築將來回採充填體下部礦石的假頂時為1：5～1：6，構築人工柱時為1：3～1：4。

20世紀80年代，高濃度全尾砂膠結充填材料的製備和輸送工藝的研究已取得初步成果。該項研究的目標是提高尾砂利用率並且使充填材料在形成充填體時不需要脱水。其他不脱水的新型充填材料正處於研究開發之中，尋求降低充填成本chong 充是今後努力的方向。 ^[2] 

將充填材料按採礦充填的要求進行採集加工成合格的充填料。通常是將破碎篩分後的物料按規定的粒度組成和摻人材料的配合比例混合成待輸送的充填材料。充填材料製備按以下三種方式進行。

採集加工好的乾式充填材料用重力自溜，或用礦車、鏟運機、電耙等輸送。這些輸送方式對充填料塊度組成的要求不嚴格，用拋擲充填機或風力充填機輸送和堆放充填材料時，為防止磨損膠帶或管道，防止堵管，以及防止粉塵危害，常常對破碎篩分過的材料按規定的塊度組成進行調配。

使用碎石和爐碴等顆粒大的固體材料時多在注砂室中製漿。常用的注砂室是混合溝式的。這種注砂室上接砂倉，下接充填管道，注砂室設有三段混合溝。放砂量和放水量分別用放砂門和供水管閥調節。三段混合溝的坡度 一段比一段陡，這是為了增加漿體流速，使漿體混合均勻然後流入充填管道。沉鐵窩和箅子分別用於避免鐵塊和不合格大塊岩石進入充填管道。使用細砂或尾砂等顆粒小的固體材料時多在注砂池或攪拌筒中製作漿體，或從立式砂倉放砂過程中用高壓噴嘴噴水製漿。

水泥砂漿膠結充填材料多用雙層葉片螺旋槳攪拌筒製作砂漿。混凝土膠結充填材料，多用類似建築業用的滾筒式攪拌機制作漿體。全尾砂膠結充填漿體制備則需要採用強力攪拌機。

將製備好的充填材料沿管道輸送到充填地點。充填材料管道輸送可按輸送動力、固體顆粒在流動漿體中的分佈和流動漿體中切應力是否符合牛頓切應力定律等分類。

按輸送動力，將充填材料管道輸送分為自流輸送、泵壓輸送和風力輸送。如果條件允許，則應優先使用自流輸送。使用自流輸送的條件是管道垂直部分的漿體柱的高度，即自然壓頭，能使管道全長中漿體以合適的速度移動。泵壓輸送用於自然壓頭不夠或需要向高處輸送漿體時。風力輸送是以壓縮空氣為動力將充填材料輸送到充填地點，多用於輸送混凝土膠結充填材料。輸送方式的選擇主要決定於充填材料粒度組成和漿體濃度等。當輸送水砂充填材料或普通濃度即質量濃度為65%～70%的膠結充填材料和接近極限沉澱濃度的高濃度即質量濃度為70%～75%的膠結充填材料時，採用自流輸送或離心泵輸送。對於大於極限沉澱濃度的全尾砂膏體充填材料，採用高揚程柱塞泵輸送、自流輸送或自流風力聯合輸送。