编制说明-磷资源磷石膏充填技术规范--

1、贵州省地方标准磷资源开发磷石膏充填采矿技术规范/T ××××××编制说明贵州开磷集团股份有限公司中南大学2015.12目次1任务来源12编制标准目的和必要性13 编制过程14标准的主要内容与依据11范围12规范性引用文件23一般规定24采矿系统布置35磷石膏充填系统36 采场充填87 磷石膏充填水质监测85标准水平分析116标准作为强制性或推荐性标准的建议111任务来源×××××××下达×××号文件，委托贵州开磷集团股份有限公司、中南大

2、学负责起草磷资源开发磷石膏充填采矿技术规范。2编制标准目的和必要性为规范、推广并发展磷矿山磷石膏充填技术，实现磷资源的综合开发利用，降低资源损失率，减少地质灾害与环境破坏，促进绿色矿山建设。根据磷矿山开采技术条件和回采工艺要求，合理选用磷石膏等充填材料、布置充填加工制备设施、设计磷石膏充填输送系统、磷石膏充填水质监测等，实现磷石膏资源的二次利用。3 编制过程编制单位贵州开磷集团股份有限公司、中南大学，按照任务计划开展了国内外相关标准的检索，对国家标准研究所、中国标准化出版社及标准咨询网等相关标准进行了查询工作。本标准参照及引用的相关标准有： 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差（GB/T 173

3、95）、流体输送用不锈钢无缝钢管（GB/T 14976）、工业金属管道设计规范（GB 50316）、GB 3838 地表水环境质量标准、水质pH值的测定玻璃电极法（GB/T 6920）、水质氟化物的测定离子选择电极法（GB/T 7484）、水质总磷的测定钼酸铵分光光度法（GB/T 11893）等。另外还参考了金属矿山充填采矿法设计参考资料、采矿设计手册、现代采矿手册等设计资料。4标准的主要内容与依据1范围磷石膏，简称PG，其主要化学成分为CaSO4·2H2O，是工业湿法生产磷酸时产生的固体废渣，生产1t磷酸大约产出4.55t磷石膏。近年来随着高效复合肥工业的迅猛发展，我国磷石膏的年排

4、放量超过5000万t，尽管磷石膏的利用途径较多，但实际利用效果并不理想，我国磷石膏的资源化利用率很低，仅为4.3%4.5%。磷石膏由于含有磷及氟等较多有害物质，如果任意排放，会造成环境污染。筑坝堆存，不仅占地多、投资大、堆渣费用高，而且对堆场的地质条件要求高，长期堆积会引起地表水及地下水的污染。而采用磷石膏作充填料充填井下，不仅可提高磷矿资源回收率；而且可有效控制地压，防止地表变形与下沉，减少磷矿空场法开采引起的地质灾害与环境问题，开采资源开采贫化率等优点,加之采空区可以用工业废料磷石膏来充填,地面不需构筑大面积的磷石膏库,从而可以很好地改善矿区周围环境。目前国内用磷石膏作为骨料进行矿山充填的

5、例子并不多，对磷石膏料浆的充填材料选择、料浆浓度与配比、料浆管道输送特性研究等内容都鲜有资料可参考，另外磷石膏充填体渗滤水的水质情况未知，磷石膏充填体渗滤水随充填时间的动态变化规律也未知，同时渗滤水对地下水体的影响也未做过相关的评价与标准。鉴于上述情况，有必要制定本规范，以便磷石膏充填技术的应用与发展，促进磷资源矿山的资源充分利用。本规范适用于磷石膏充填采矿法，可供磷资源矿山企业参考。2规范性引用文件规范中引用的文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注明日期的引用文件，仅注明日期的版本适用于本文件，凡是不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有修改单）适用于本文件。3一般规定3.1充填体要起到

6、如下几个方面的作用：保护矿柱；减少围岩的移动与地表的下沉；减少采场上下盘围岩片冒；回采矿柱时要避免充填料的混入；充填体要支撑矿山地压。3.2考虑到磷石膏充填采矿活动对附近地表及地下水体的影响，选择以下指标作为主要监测指标：pH、总磷、氟化物等。以上监测指标均按照国家标准检测方法进行。4采矿系统布置采矿系统的布置包括矿块的采准、切割、回采等工程，这部分的内容在相关的采矿技术手册与生产法规上都有详细的叙述，所以本规范不再赘述。5 磷石膏充填系统5.1 充填料制备5.1.1 磷化工企业湿法生产磷酸的过程中会产生大量的磷石膏，磷石膏充填体流动性能强，管道输送时浆体不易沉降，容易实现满管运输，输送过程中

7、也不易堵管，管道磨损小，可作为充填骨料。粉煤灰SiO2含量高达52.42%，Al2O3达21.84%，具有一定的潜在胶结性能，可作为胶凝材料替代部分水泥，提高充填体后期强度。5.1.25.1.3磷石膏料浆的配比与浓度选择是建立在详细的实验数据分析的基础上的，以磷石膏为试验原材料，做了磷石膏与普通硅酸盐水泥胶结充填体强度实验，结果分别列入表1。表1 磷石膏+水泥胶结充填体强度试验结果序号灰料比浓度（%）抗压强度(MPa)泌水率(%)7d14d28d90d11:6600.420.711.201.324.2621:8600.320.620.901.103.9331:10600.210.320.360

8、.874.2041:6630.550.821.291.563.9351:8630.400.681.021.342.4461:10630.270.430.691.022.87分析表1，可以得出以下结论：1）磷石膏充填体90天单轴抗压强度一般不超过1.5MPa。灰料比1:6、浆体浓度为60%的磷石膏胶结充填体体重为1.33t/m3，单位充填体水泥消耗达190kg/m3，按吨水泥价格300元计算，仅水泥一项，每立方米充填体成本即达57元。因此单纯磷石膏与水泥胶结充填材料成本偏高。2）浓度越高，充填体强度越大。例如，如果浆体浓度由60%提高至63%，90天单轴抗压强度可提高20%左右。但由于磷石膏胶结

9、充填体和易性强、粘性大，过高的浓度会使管道输送困难。因此磷石膏胶结充填时最优的浆体浓度为60%63%。因单一采用磷石膏与水泥制成的充填体强度不高且成本昂贵，又考虑到水煤灰也具有一定的胶凝性，所以考虑在磷石膏充填料浆中再加入粉煤灰。将水泥、粉煤灰、磷石膏按一定配比充分搅拌混和后，在不同龄期下测试其强度，结果如表2所示。表2 水泥+粉煤灰+磷石膏胶结充填体强度试验结果序号水泥：粉煤灰：磷石膏浓度（%）抗压强度(MPa)泌水率(%)7d14d28d90d111:1:6600.320.390.812.005.45121:1:8600.240.320.461.564.20131:1:10600.210.

10、300.441.38141:1:6630.440.690.992.79151:1:8630.330.480.721.72161:1:10630.330.410.641.54从表2中，可以发现：1）添加粉煤灰后，磷石膏胶结充填早中期强度并没有提高，但其后期强度（90d）增加明显，这是因为与水泥不同，粉煤灰在初期阶段几乎不发生水化反应或参与水化反应的程度较低，因而粉煤灰胶结充填体早期强度不高，粉煤灰的主要作用是提高充填体的终期强度。如水泥：粉煤灰：磷石膏=1:1:8的胶结充填体，与28d抗压强度相比，其90d强度可以提高1.5倍至2.5倍；2）浆体浓度由60%提高至63%，单轴抗压强度可提高10%

11、60%。3）水泥：粉煤灰：磷石膏=1:1:8的胶结充填体90d抗压强度可达1.56-1.72MPa，满足嗣后充填需要；另外，从图1中可见充填体达到强度极限破坏后，仍可维持相对较高的残余强度。综上所述，磷石膏充填可选用的配比为水泥：粉煤灰：磷石膏=1:1:21:1:10，料浆浓度可在55%63%。图 1 水泥：粉煤灰：磷石膏=1:1:6、浆体浓度63%的充填体应力-应变曲线5.1.4磷石膏充填体强度采用单轴抗压强度表示，可在实验室用标准试件进行测试，采用70.7mm×70.7mm×70.7mm或100mm×100mm×100mm试模，按7d、28d、90d

12、强度，每组3个试块取其单轴抗压强度的平均值。在现场取样时，可在充填生产过程中于采场内预埋试模，按相应龄期取出试样，同样每组三个试块为一组进行单轴压缩试验，对取得的单轴抗压强度进行对比。采场充填时，可从采场充填管下料口位置直接取充填料浆若干，浇灌至置于充填采场附近的充填强度试模中，或者将试模置于采空区，充填料浆充满试模，待充填结束料浆初凝后挖模脱模，试件继续置于井下养护，待相应龄期后试件拿至地表压力机上进行充填体强度实验。根据表2所示的数据，浓度60%，粉煤灰、水泥与磷石膏配比1:1:10的情况下，充填体90d强度可达到1.38Mpa，而上述料浆浓度可在55%63%,故充填体90d强度不得小于0

13、.9Mpa。5.1.5据统计每生产1t磷酸就会产生5t磷石膏，然而这些磷石膏的利用率不到20%，大部分都是被堆放在堆场，所以可以直接利用这些堆场作为磷石膏的储存地。而水泥作为胶凝材料因为暴露空气中容易板结，所以需要另建水泥仓进行储存。磷石膏堆场的有效容积是指磷石膏堆场应有的有效容积，也就是指按本充填系统所负担的充填量，而要求磷石膏堆场具有的合理有效容积。它与充填制度、磷石膏的堆存和运输条件、回采方案所要求的一次连续充填量等因素有关。水泥仓的有效容积应根据水泥的堆积角和陷落角来计算：式中：V料仓的有效容积，m3；K料仓的有效容积利用系数，一般可取0.9；某种型式的料仓由材料的堆积角、陷落角与仓壁

14、组成的各段理论有效容积，m3；水泥仓、粉煤灰仓的有效容积要保证满足连续一次最大充填量是参考金属矿山充填采矿法设计参考资料以及采矿工程师手册。磷石膏充填料在双螺旋搅拌机中充分搅拌是水泥、粉煤灰在叶片高速转动时，其颗粒尽可能地水化吸收水量，同时生成的凝胶体尽可能能使料浆的黏度增加。但搅拌机不单是一个保证简单的料浆浓度问题，对于高浓度料浆的搅拌桶，还需要注意密封筒身，抽风或排气，增加进料口和清洗口，使用高强度和耐腐蚀的材料。5.2 充填料浆的输送工艺5.2.1无缝钢管强度较高且耐磨性好，但成本较高。普通钢管成本低但是抗内压强度低、耐磨性差，适用于短距离料浆输送。管道具体材质类型的选择要视矿山的实际条

15、件，综合生产安全与经济合理进行选择，结合矿山生产的实际经验，磷石膏充填料浆充填主要管道可选用无缝钢管、充填支管为了便于拆卸可用普通钢管（支管与充填采场下料口之间因为与外界相通可用PE管连接）。充填料浆的输送还需要充填管件的协助，但充填管件的使用方法可参考其他类似矿山充填采矿法，故未在正文中再列章节叙述，常用的充填管件有：1. 短管。一种辅助管，大多是铸铁制成。短管管径、管厚、接口均与干管之直管相同，一般安设与管路或三通管下端（直管之前）。2. 弯头。在干管系统中有10°、15°、及30°三种。管路拐弯时，可通过几个弯头和短管及偏口组合而成。弯头多用高碳钢或铸铁制成

16、，外部厚度一般要比内壁大1.52倍。曲率半径不可太小，一般为7001500mm。3. 三通。一般常用30°、45°两种。4. 平口。制作材料为高碳钢，其两端直径不等，一端较大，另一端较小，管壁厚度向小直径端加厚。一般平口加在弯头与短管之间，以减轻充填料浆对短管的磨损。平口壁厚磨损到6mm左右时，即应拆下更换。5. 偏口。高碳钢制成，用来调节管道弯度，特别是30以下弯时，组合一部分偏口与短管即可解决。偏口夹角有3°、6°、8°三种，安装方法与平口相似。6. 法兰盘。铸铁和铸钢的法兰盘多与充填管整体铸造。由于充填管在磨损后需更换，故法兰盘厚度和所用

17、的螺栓数量较通常的供水管为少。7. 伸缩管。在竖井主干管道安装中，当有通向水平段的三通时，在三通和短管间可安设伸缩管。8. 掏泥管。常设置在水平管段、转弯处以及易于堵管的地点，一般用铸铁管或钢管制作。9. 安全阀。为了充填工作的安全，在通往充填工作面的支管上安设安全阀。10. 闸板。每一条注浆干管不允许同时向两个充填工作面供料，闸板起切断同时供浆的作用，它与常与安全阀一起使用。当向两个工作面同时供料时，放下闸板，安全阀的一条通路即切断，另一条通畅供浆。11. 管垫。管垫有油浸马粪纸、木制的及橡胶制的。纸垫装在采场管道内，充填过程中多不回收。胶垫多装于主干管，一般用厚34mm软胶板制成。12.

18、快速接头。5.2.2通常采用矿山充填能力选择充填管道的直径（内径），充填管道在工作时间内要足够保证采场空区获得足够的充填料浆。但是磷石膏充填料浆输送至采场形成充填体的过程中会发生泌水与沉降现象，也就是说实际形成的充填体体积要比事先由料浆体积估算的要小些。所以确定充填管的内径，要考虑充填料浆泌水与沉降的影响，以及充填料流失的影响，确保充填的料浆能足够充满采场，即管道供应的充填料浆量要比实际采场需求量略大些，可以参考采矿设计相关资料进行估算。标准正文中的矿山充填能力与管道充填内径的关系数值，是结合实际矿山的生产能力和管道选用情况，在年充填工作时间330天，一天充填工作12小时的背景下计算所得。5.

19、2.3充填主管是指位于竖井、斜井、石门等场所的主干管线，充填主管的壁厚为延长使用期限应适当加大些。基于不同理论，管道壁厚计算公式有很多，参考金属矿山充填采矿法设计参考资料，对于充填料浆输送管道壁厚的计算可用下式计算：(2)式中：t-管道公称壁厚，mm；p管道允许最大工作压力，Mpa；管道抗拉许用应力，Mpa，通常取最小屈服应力的80%；E焊缝系数；F地区设计系数；T服务年限，a；C1年磨蚀量，mm/a；C2附加厚度，mm；k压力系数；D管道内径，mm。基于上式，以管道服务年限10年的时间为背景，可以计算出不同内径范围内的管道在不同的管内最大静压下的壁厚选择范围。5.2.6 管道防磨损措施是参考

20、金属矿山充填采矿法设计参考资料以及深井矿山充填理论与管道输送技术等资料。5.2.7 实际生产过程中，充填倍线是个经常变化的值，但最大的充填倍线要满足充填输送要求，应采取措施尽可能做到满管运输。5.2.8 充填泵的选择方法是参考充填采矿技术与应用上的工程实例以及金属矿山充填采矿法设计参考资料上有关充填料输送的相关内容。6 采场充填6.1采场充填前的准备工作在采场天井、小充填平巷或回采进路中运输、吊放、安装或维修管路时，因受断面限制作业条件差，因此采场充填所架设的管道尽量重量轻、长度小，选用直径为3 6吋管。同时由于采场充填工作面随着回采的进行而经常移动，故充填管的安装、拆卸频繁，并要求迅速完成，

21、因此，最好采用快速接头。充填主干管要用专用的充填井架设。充填井的支护形式主要依穿凿岩层的物理机械性质、井筒服务年限等因素而定，常用的支护方式有混凝土支护，在岩层坚硬的地方不需要支护。由于刚刚进入充填采场的充填料成似流体状态，具有较强的流动性，所以需要砌筑挡墙将充填区与巷道隔离开来，一是防止料浆流失造成井下污染，同时，利用充填挡墙将充填料浆与相邻工作面隔开，以免造成料浆涌入采场造成事故，造成矿石损失贫化；二是由于充填料浆下放到充填采场后，需要脱水，以使充填体尽快达到预期强度，所以充填挡墙应具有滤水作用。6.2采场充填矿房采场充填以及矿柱采场充填的配比是按照表2所得的充填体强度结果以及矿房充填强度

22、更高要求而来的。另外，整个采空区的充填流程是参考金属矿山充填采矿法设计参考资料上有关采空区充填的叙述内容。7 磷石膏充填水质监测依据不同的采矿方法、水文地质条件，结合当地充填水的实际排放情况，选取最有代表性的取样点、力求以最低的采样频次，取得最有时间代表性的样品，达到反映环境区域受磷石膏充填活动影响程度和规律的目的。7.1样品监测项目参照国家标准GB 3838-2002 地表水环境质量标准，磷相关工业水污染物监测指标，结合磷石膏的相关化学特性，选择能反映磷石膏充填区域环境的污染特征，并且考虑实际采样时的可行性和方便性，选择以下项目进行监测：pH、总磷、氟化物等。以下采样方法和项目监测方法也可按

23、照国家推荐的其他标准进行。表3磷石膏充填水质监测指标和方法监测指标监测方法取样及保存测定范围国标编号注意事项pH玻璃电极测定法最好现场测定，否则采样后应把样品保持在0-4，并在采样后6h之内进行测定0-14GB/T 6920总磷钼酸铵分光光度法采取500mL水样后加入1mL硫酸调节样品的pH1，或不加任何试剂冷冻保存0.020 -1.00mg/LGB/T 11893含磷量较少的水样，不要用塑料瓶采样氟化物氟离子选择电极法样品用聚乙烯瓶采集和贮存，并且尽量现场测定0.05-1900 mg/LGB/T 74847.2 标准值磷石膏吨产品最大排水量按照磷石膏充填料浆泌水率10%计算，即100 m3/t（充填体）。磷石膏充填料浆进入井下后发生水化反应，会导致泌水水pH进一步上升，经实验室分析，充填泌出水pH约为11-13。所以建议企业在平硐出口设置污水处理系统对污水相关项目进行净化处理，经处理后水污染物排放浓度按排放方式应满足受纳水体对水污染物排放控制要求。7.2监测点的布设7.2.1监测点布设要求a) 监测点须能反映矿山充填区域水系的环境质量状况和质量空间变化；b) 为了解磷石膏充填区域水体未受人为影响条件下的水质状况，需在研究区域的非污染地段设置水体背景值采样点；c) 渗坑、渗井和固体