用骨料填充空穴的方法

专利名称：用骨料填充空穴的方法
技术领域：
本发明是申请号为09/015374，题目为“地下空穴的回填”，申请日为1998年1月29日的专利申请的部分继续申请，而专利申请09/015374又是以申请号为60/036174，题目为“地下空穴的回填”，申请日为1997年1月29目的临时申请为基础的。
本发明总的涉及用颗粒或骨料，如碎石或碎砾石填充空穴的方法，尤其涉及一种用采矿或类似操作中产生的尾矿和类似骨料填充地下和地上空穴的改进方法。
在采矿，挖掘和建筑施工过程中都会在洞穴或空穴等中沉积有大量骨料。
例如，采矿时一般都需从地质地层中挖出含矿的岩石或土，由此在地层中产生一个或多个空穴。挖掘出的岩石一般经粉碎和加工而提炼出矿石，留下作为尾矿的碎石的残渣。如果在未指定的地面上遗留采矿操作产生的大量尾矿会产生一系列空间和环境问题。但是，尾矿一般会被运回矿场以回填地下地层中出现的空穴，而在其它操作中，尾矿会堆积在地上矿坑中或占用地表区域。
例如在一般的地下采矿中，先形成一竖直的提升井或螺旋隧道，再在不同的标高上挖掘水平延伸的隧道。接着，通过从每个隧道的远端向后朝中心轴线地向上爆破一系列的回采工作面或地下空穴，经过水平隧道运出大量矿石。为了使采矿过程安全，必须回填因部分爆破和运出矿石而形成的每个地下空穴或采场，以便使采场上部的“顶”得到支撑，由此允许不会有塌陷危险地爆破紧邻的矿土体积。
一般通过将适量的粒状固体骨料，如一般的尾矿与水泥和水混合，然后将回填混合物运送，搬运或泵送至空穴的位置以进行回填。必须将从回填混合物中排出的过剩的水从矿场中抽出，并使回填混合物凝固以形成回采工作面中的固体充填料。
回填的费用相当大并可多达采矿过程总费用的20％。回填的费用直接与回填混合物中水泥含量的成本有关，但将骨料运送到空穴要花费相当大的费用。最常用的方法为用泵通过管道将骨料运送到空穴处，但这需要在回填混合物中加入很多水。尤其是在有很多尾矿时就是这种情况，一部分原因为碎石的骨料大小基本一致而导致高的空穴量。
一个有冲突的要求是，为了防止泥浆滑入地下(即部分回填料滑陷)，填料中固体的推荐百分比应高于74％。将该混合物(以该固体比例)泵送经过很大距离往往有困难，但增加水的含量以提高其泵送性能的措施增加了泥浆下滑的危险，同时也增加了混合物中所需水泥的体积和成本，加入的水泥用于使混合物固化并达到特定的强度，该强度通常约为1Mpa。水泥用量根据回填料和水含量而变化，但一般在6％左右，以使填料达到一定的强度。
在一些采矿操作中，不象上面所述地将尾矿用于回填矿场，而是将它们放置于地上较大的矿坑中或类似的容纳场地。除了由于不要求结构强度而可省去水泥或其它粘结剂成分之外，其它均类似于上述过程。甚至在地上置料的情况下，为了泵送骨料所需的大量的水继续存在严重问题。例如，经常需要建立一些隔墙，挡墙或类似构筑物以防止泥浆下滑和喷溅。另外，水由于与尾矿(不论是天然形成的矿石，还是用于提取矿石的化学制品)接触而经常被严重污染，其结果是大量的用水导致在存水和处理水上产生严重的问题。
由此需要提供一种骨料填料，它易于泵送并因而可经济地安置，无需大量的水，以免增加泥浆下滑的危险，或避免增加水泥含量从而又增加操作的费用。希望这种填料可用于各种采矿状况，如采场回填，填充废弃的矿场以避免在随后的露天开采操作中由坍塌而带来的灾难危胁或其它类似情况。另外，该填料最好可用于其它采矿和非采矿工程，不论在地上还是在地下。
由此，本发明提供了一种在采矿或其它过程中用骨料填充空穴的方法，该方法包括下列步骤通过混合粒状固体材料与液态的泡沫材料而形成液态的填料，该泡沫材料的用量足以形成可泵送的充气砂浆，使充气砂浆流入空穴，并使砂浆凝固于其中。粒状固体材料可以包括尾矿。
液态的泡沫材料可以包含粘结剂与泡沫的混合物。粘结剂可为水凝水泥。泡沫材料可由水和起泡剂构成。
使充气砂浆流入空穴的步骤最好包括从混合点将砂浆泵送到空穴的过程。
使充气砂浆流入空穴的步骤还包括将消泡剂加入砂浆，从而当砂浆进入空穴时破坏其中的泡沫的步骤。将消泡剂加入充气砂浆中的步骤可包括当将砂浆喷入空穴时使消泡剂与砂浆混合的步骤。
附图的简要说明

图1为横截面示意图，示出了根据本发明的作为示例的采矿工作面的回填；以及图2为用于在将砂浆喷入空穴时混合消泡剂与充气砂浆的喷嘴组件的略为示意的透视图。
下面参照附图仅以举例的方式描述本发明的一个较佳实施例，但不排除可能落入本发明范围的任何其它方式。在附图中示出了一个典型的采矿操作，其中可采用本发明。图示例子中的空穴为地下空穴，而在其它实施例中，所示空穴为地上保留区。
说明书与所附权利要求书中所述的术语“空穴”包括所有形式的洞穴、矿坑、孔洞和类似物，不论是地上的还是地下的，也不论是人工挖掘的还是天然形成的。另外，虽然下述实施例涉及采矿过程中基本为“废料”的尾矿的放置，但是可以理解本发明也可用于骨料的泵送和安置，以达到将填料放置在选定区域内或构建工程构筑物的特殊目的。
在可采用本发明的典型的采矿操作中，如图1所示，从地面14向地下12挖掘一条竖直的通路，如一提升井或一螺旋隧道10。在所需深度或以不同的间隔挖掘从竖井10向外延伸到其远端18的水平隧道16。为了挖掘到矿体，在隧道18的端部上方的区域20中钻孔，放置炸药并引爆，以崩落区域20中的矿料，从而使其落到隧道16中，再用现有的采矿技术将其运走。
为了通过下一次的爆破并崩落相邻区域22而进行采矿操作，必须首先填充由于崩落并运走区域20的矿材而形成的空穴24(空穴24在图1所示的采矿操作的特定形式中一般被称为采场)。一般通过从地面14向采场24的上部中钻出一小孔洞26并以适当的方法在点28处(隧道从该处进入采场)填堵隧道来完成该过程。
然后根据本发明如下所述地制备回填材料，即，在混合装置30中，使适当的粒状材料(通常由处理从矿井中运出的矿石而得到的尾矿)与充气砂浆混合。在许多实施例中，砂浆包含预定量的粘结剂，如波特兰水泥。将粘结剂与通常由适当的起泡剂形成的成型的泡沫混合以适当地形成充气砂浆；在那些没有使用粘结剂的实施例中，骨料可与成型的泡沫本身混合。
如图1所示，该设备最好包括用于提供粘结剂，如水泥砂浆32，尾矿或其它粒状材料34以及泡沫材料36并将这些用料送进混合器38的装置。
粘结剂可以是任何用于在放置后粘结骨料的适合的材料，包括波特兰水泥和其它水硬水泥，熔渣水泥，C型飞灰水泥和其它飞灰，以及适合的非水硬性粘结剂。另外，如需要的话，还可以粉碎尾矿或其它固体材料以提供粒状组份；但是由于包含有泡沫组分，所以通常不对骨料或其它微粒严格分级。
泡沫组分可以是由任何适合的泡沫材料或起泡剂，如各种水成和非水成泡沫材料，和相关领域中所属技术人员公知的化学起泡剂。一般由于水成泡沫材料所具有的经济性，稠度和易于使用而优先选用该水成泡沫材料，通常通过下述方式形成水成泡沫材料，即将液态泡沫浓缩材料(例如泡沫浓缩材料的适当例子包括由Mearl公司(Roselle Park，NJ)生产的“Mearl Geocell Foam Liquid”和由Elastizell公司(Ann Arbor，MI)及其它供应商生产的类似产品)与水混合以形成泡沫溶液，然后再混合该泡沫溶液以形成带有稳定泡沫组织的成型泡沫(这种类型的适当的泡沫发生器可由Mearl公司和太平洋国际砂浆公司(Bellingham，WA)获得)。用于产生大量用于混合砂浆的泡沫材料的适当装置也是由太平洋国际砂浆公司生产的，并且在美国专利US5803596中公开，该文献在这里作为本申请的参考。
在一些实施例中可能要求设置有送料装置，以便能使操作人员控制放入混合器中的组成的量和相关比例；例如使用变速计量泵控制水泥砂浆和泡沫溶液的相关比例，并可用可控制速度的传送带或旋转计量阀从料斗中供给尾矿颗粒。
但是，可以理解，本发明中可以使用任何适合的送料和混合机构，机构的选择将在很大程度上取决于供给填料组分的形式。例如，图1示出了为一水平的叶片式搅拌机的混合器38，它在水泥已经是料浆的形式并且所加入的泡沫组成也是成型的水成性泡沫时可提供一定的优点。但在其它实施例中，可在混合器本身中进行水和水泥灰的混合，并且所加入的泡沫组分可以是干燥的或者液态的化学起泡剂，它或是在放入混合器之前或是在混合器中与水混合。另外，在一些实施例中可以优选一竖直的吊桶式混合器或其它形式的混合器。
同样，图1示出了一系统，它包括一具有大的正排量的逐步空腔的螺旋型泵，这种泵可从俄亥俄州Dayton的Robbins&Meyers买到，其商标为MoynoTM，该泵具有几个优点(包括效率，泵速的精确控制和避免损及充气填料中的泡沫组织)，但同时还应该理解，可以使用任何适当型号的泵来起到上述作用。
由于泡沫成分，最终的流体填料包含大量的夹杂空气。如图1所示，例如通过使用泵40和管道42使该填料从混合器38流到空穴24中。
已经发现，通过使用充气砂浆(与传统的水-骨料砂浆不同)，填料中的泡沫组织使充气砂浆比现有技术中水与微粒状固体材料的混合物更具有流动性并可更容易泵送，由此用泵40和管道42可相对容易地泵送很长的距离，甚至当填料中的固体的比例保持超过避免砂浆滑入采场24中的危险所需的最小值时。另外，当混合物中含有水泥时，充气砂浆中相对比较低的水含量使得水泥的用量远远少于非泡沫材料时的水泥用量成为可能；例如为达到可比较的强度，现需加入大约4.5％～5％的水泥，而不使用泡沫时需要加入至少6％的水泥。
在混合过程中使用的和在起泡剂中加入的泡沫的额外消耗量多于通过减少水泥用量(通过减少水的含量)，改进可泵送性能，增加总体积和增加混合物中固体的比例而弥补的量。
尽管当填料中含有水泥时上述实施例指出了本发明的优点，但可以理解，在一些应用中本发明的填料可以含有少量或不含有水泥或其它粘结剂。例如，如果不要求充填具有很强的结构强度，流态的填料可仅主要地包括骨料(如碎石)和成型的泡沬。因此，根据应用场合和对特殊工作的技术要求，水泥或其它粘结剂成分的用量可以为零或可以足够大以便与水成分反应并使充填料在固化时有最大的有效强度。
所需的泡沫用量，即泡沫与固体的比例将随颗粒(如粉碎的尾矿)的大小和粗度，颗粒的形状，所用泡沫材料的稳定性，材料被泵送的距离和其它由特定工作确定的因素略微变化。但是从实践中看，通过泡沫成分加入到填料中的水量总是远小于没有泡沫时使颗粒可泵送所需的水量；例如，在实验中本申请人发现，与没有泡沫时的用水量相比，用于使破碎尾矿可泵送所需的泡沫中包含的水量约为1～18。
充气砂浆可直接流入空穴中，并且允许不再经过进一步处理地固化，如图1所示。但在许多应用中希望一旦它进入了空穴，便压破材料中的泡沫组织，并且不再需要其可泵送性。例如，在采矿回填过程中，通常要处置大体积的尾矿，而在矿场中仅需有限量的空穴空间以容纳尾矿。甚至在地上处置时，减小的最终体积一般允许采用更小、更经济的占地区域。
为了压碎填料中的泡沫组织，当将填料排入空穴时，可以在喷射点处向流体材料中加入适当的“消泡”剂。例如，图2示出了一个喷嘴组件50，通过该组件在填料即将进入空穴中之前将消泡剂加入填料中。
如图所示，喷嘴组件50装在管道42的排放端，以便接收如箭头52所示地流入的充气砂浆。消泡剂沿如箭头56所示的方向以液体状态经过第二管道54送入喷嘴组件。为了提高效率，消泡剂可以对应于充气填料的流动速率的测量速率进入喷嘴组件；例如美国专利US5803665中公开了一种适于以测量速率将添加剂供给一排放喷嘴的设备，该专利在此处引作为参考。
由安装在位于第二管道54下游的组件中的静电搅拌器58混合消泡剂和填料，然后使混合后的材料从此处经输出管60沿箭头62所示的方向排放空穴。
一旦已放置材料，已经与填料混合的消泡剂极快速地压破泡沫组织，而不会影响在喷嘴组件上游的填料的可泵送性。但应注意，图2所示部件的关系仅仅为其中的一个实施例。例如，静电搅拌器可不在所有实施例中出现，并可将加入消泡剂的管线进一步连接到主管道42上，从而在管道本身中进行简单的混合。另外，使用分离的管线或容器，可以简单地将消泡剂的管线排入在主管道端部的物质中，或可使消泡剂在已将填料放入空穴之后加入填料中。
尽管消泡剂的用量将随实际的成分和操作情况而变化，但一般仅需很少的量就可完全去除泡沫组织。尽管可使用任何适当的有效去除泡沫组织的消泡剂，但一般优先使用硅油和其它硅基消泡剂，因为它们具有良好的初始作用，可以快速去除泡沫组织，并且在较大的PH值范围中都有效力；硅油消泡剂的一个实施例为由Dow-Corning供应的“ANTIFOAM-A”。其它适当的消泡剂(其中的某些在一定的PH值范围内具有效力)包括脂肪酰胺基制品(如Diamond Shamrock生产的“NOPCO 198”)，脂肪酸基制品(如Diamond Shamrock生产的“NOPCO KF”)，和脂族酯与烃蜡基制品(适当的例子是也由Diamond Shamrock生产的)。
由于消泡剂在注入填料时或之后极短的时间内快速去除泡沫组织，操作员可以加入使材料具有可泵送性所需的足够多的泡沬，而不用增加接收端处的最终体积。当破碎时释放出的较少量的水可用于水合存在于混合物中的水泥或其它水成粘结剂。其结果是在比石渣的体积或最初存在于填料中的其它微粒的体积稍大的空穴中得到致密的充填。此外，需要去除、处理或否则在充填处需要处置的多余水很少或根本没有。
需要注意，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的基础上，可对本发明上述部分的构成和布置进行各种更改，修正和/或添加。
权利要求
1.一种用于利用颗粒状固体材料充填空穴的方法，该方法包括下列步骤通过混合下列材料而形成液态的充气填料颗粒状固体材料；泡沫材料，其量足以使上述填料从遥远的放置位置流过预定的距离，流到所述空穴处；以及使上述液态的充气填料流入所述空穴。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述液态的充气填料的步骤包括使一种粘结材料与预定量的所述颗粒和泡沫材料混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，混合粘结材料与所述颗粒和泡沫材料的步骤包括混合水硬水泥材料与所述颗粒和泡沫材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述填料的步骤还包括混合起泡剂与水以形成所述泡沫材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述填料的步骤还包括混合水成性泡沫溶液与空气以形成所述泡沫材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述填料的步骤还包括用尾矿形成所述颗粒状固体材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述填料的步骤还包括在远离所述空穴的所述地方形成所述填料。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述填料流入所述空穴的步骤还包括将所述充气填料泵送到所述空穴中。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤当所述填料位于所述空穴中时，破坏所述填料中的所述泡沫材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，破坏所述泡沫材料的步骤包括当使所述填料流入所述空穴中时，混合消泡剂与所述充气填料。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述消泡剂为硅油基消泡剂。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤当所述填料位于所述空穴中时，破坏所述填料中的所述泡沫材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，破坏所述泡沫材料的步骤包括当使所述填料流入所述空穴中时，混合消泡剂与所述充气填料。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空穴为地下空穴。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述地下空穴为采场。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述空穴为地上的容纳场地。
全文摘要
一种用骨料,如尾矿填充空穴的方法,该填料从远离空穴的地方被泵送过来。通过混合颗粒状固体材料与成型的泡沫而形成液态的充气填料。该充气填料还可包括水泥或其它用于要求结构强度的场合的粘结剂。因包含泡沫组成而形成的泡沫组织使填料具有更大的流动性和可泵送性,由此允许所用的固体与水的比例远大于不含有泡沫时的比例,同时还可将填料泵送过相当长的距离。这减小了空穴中填料流化塌陷的可能性,并且还产生了其它优点。
文档编号C04B28/02GK1264784SQ0010450
公开日2000年8月30日 申请日期2000年1月27日 优先权日1999年1月27日
发明者帕特里克·J·斯蒂芬斯 申请人:帕特里克·J·斯蒂芬斯