大紅山銅礦銅鐵合采礦柱廢石膠結充填工藝技術研究

吳東旭,曾慶田,魏仁旭

(玉溪礦業有限公司,云南玉溪 653100)

充分利用低品位礦產資源,實現礦產資源綜合利用,已成為我國礦業進入新世紀發展的必由之路[1]。經過近半個世紀的大規模開發,我國礦產資源中大量的優質資源已開采完畢,留下的主要是一些低品位資源[2]。隨著經濟社會的不斷發展,對資源的需求呈現不斷增加的趨勢,可見,開采低品位礦產資源將是我國采礦工業必須長期面臨的客觀現實[3]。

銅鐵合采就是為了解決低品位銅資源和鐵資源的回收利用問題,銅鐵合采后,礦石品位下降,但是,礦體的厚度增大,使得開采具備大型化、規模化開采的基礎條件,是回收利用低品位銅資源和鐵資源的一種有效方法[4,5]。

1 銅鐵合采工藝技術

1.1 概 述

大紅山銅礦為緩傾斜、多層、中厚銅鐵共生礦床,共有三層銅礦體,四層鐵礦體,礦區內Ι號礦體群含礦地層,屬大紅山群曼崗河組第三巖性段(Ptdm3)中上部地層,礦區范圍東起B2(A192)線,西至F3(B75線)斷層連續分布,呈緩傾斜產出,傾角22°～35°。依據其含礦特性,I號礦帶主要含礦層大致可劃分Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1、Io等7個層位。含鐵銅礦層與含銅鐵礦層交錯產出,由上到下分為Ic含銅鐵礦體、I3含鐵銅礦體、Ib含銅鐵礦體、I2含鐵銅礦體、Ia含銅鐵礦體、I1含鐵銅礦體、Io含銅鐵礦體等7個主要層位。I3、I2、I1以富銅礦為主,Ic、Ib、Ia、Io以貧鐵礦為主。

但是,長期以來由于礦山建設初期受投資、設備、技術,特別是銅金屬市場價格低迷的限制,設計只回采其中的I3和I2兩層富銅礦(伴生有鐵),其中留下的4層鐵礦及1層低品位銅礦未考慮回采。銅資源綜合利用率僅為43.2%,鐵資源僅利用了伴生在銅礦體中的部分,由于資源利用程度很低,開采強度的增加,礦山資源緊張的狀態已逐漸顯現。

根據礦山礦體賦存特點,要提高資源利用率,采用銅鐵合采工藝,將過去的單層礦體開采變為多層銅鐵礦體一次性開采,無疑是唯一能從根本上提高資源利用率,延長礦山服務年限的有效辦法。

1.2 采場布置及其結構參數

銅鐵合采擯棄了傳統單層礦體分別開采的理念,將大紅山銅礦的多層緩傾斜中厚礦體,看作一層緩傾斜極厚礦體來開采。也就是將礦床內的多層低品位銅鐵資源一次性回采,使得大紅山銅礦床的所有銅鐵資源都能夠一次性回收。

采礦方法具體布置方式如圖1所示,為提高礦石的回收率應不留或少留礦柱,采礦方案中僅留一條10 m寬的中段隔離礦柱。盤區(礦房、礦柱)沿礦體走向布置,礦房寬36 m,礦柱寬5 m,礦房長軸垂直礦體走向布置。

圖1 銅鐵合采采礦方法圖1-385中段下礦柱;2-塹溝鑿巖巷道;3-裝礦進路;4-出礦運輸巷道;5-中段隔離礦柱;6-435中段充填體;7-切頂巷道;8-聯絡道;9 -尾砂充填體;10-未采礦體;11-膠結充填體;12-已崩礦體;13-切割槽;14-切頂礦柱;15-充填聯絡道

1.3 采準切割及回采工藝

回采順序是先采礦柱后采礦房,由于礦柱寬度小且沿傾斜布置,可利用現有底部結構采用留礦法開采。回采完畢后,用廢石膠結充填并用長錨索與頂板巖層錨固,形成廢石鋼筋混凝土隔離礦柱。

礦房回采分兩步進行,先留下12 m作為臨時礦柱與塊石膠結充填體一起支撐采空區頂板,為余下的24 m礦房回采提供安全保障,使其能夠盡可能多而且是安全地回收崩下的礦石。

切割槽沿傾向布置寬4 m,將預留礦柱與先回采的礦體分離開。礦房采用下向大直徑深孔崩礦,鏟運機出礦底部結構與原有方案布置形式相同,只是由過去的多層布置改為單層布置了,大大節省了采切工程量。

當回采工作面到達相臨礦房的廢石膠結充填礦柱時,第一步礦房就回采完畢,余下就是回采12 m臨時礦柱,此時要求在鋼筋廢石膠結充填礦柱,與另一邊的鋼筋廢石膠結充填礦柱和原生礦體的共同支護下,快速將崩下的礦石運出。臨時礦柱回采完畢(礦房全部采完)用全尾砂充填采空區。

通過研究分析可以得出,決定本銅鐵合采方案是否能夠順利實施的關鍵技術就是高隔離礦柱的充填工藝。一要通過充填工藝,保證礦柱充填體的充填質量達到設計要求;二要通過充填工藝實現礦柱充填料漿的連續高效輸送,實現高強度充填,滿足工業化生產的要求。

2 礦柱廢石膠結充填工藝

2.1 不同輸送充填工藝對比分析

通過對充填工藝技術的分析研究,提出了如下一些不同輸送和充填方式的工藝技術:

方案一:混凝土攪拌車運輸水泥漿,鏟運機攪拌充填。這種充填方案的基本思路是不使用攪拌機對廢石膠結充填料進行攪拌,而是利用鏟運機反復裝卸使水泥漿與廢石進行充分混合,然后再卸入采空區充填。具體做法是,首先在待充空區附近建設廢石儲存場地,外地運來的廢石集中堆放在廢石儲存場內,然后利用混凝土攪拌運輸車,從地表膠結充填站運送水泥漿到充填現場,將水泥漿按預先計算好的量撒在廢石堆上,利用鏟運機反復裝卸使廢石與水泥漿充分混合,隨后將攪拌好的廢石膠結充填料鏟裝到空區進行充填。多次重復上述作業,直到一車水泥漿用完為止。之后,下一車水泥漿運到,再次重復上述作業,直到廢石儲存場內的廢石用完,就完成了一次廢石膠結充填工作。下一次外地運來的廢石再次堆放在廢石儲存場內,又重復上述的作業循環,直到最后將采空區充滿為止。

方案二:建立井下攪拌站,汽車運輸混凝土到充填現場卸入采空區充填方案。該方案的基本思路是,在井下建立一個能力較大的混凝土攪拌站,將攪拌好的混凝土用混凝土攪拌車送入采空區充填。這樣既可保障廢石與水泥漿充分混合,保障廢石膠充填體的質量,又可減少混凝土攪拌站數量,以達到節省混凝土攪拌站建設費用的目的。混凝土攪拌站主要結構如圖2所示。

圖2 混凝土充填攪拌站示意圖

方案三:建立井下攪拌站,利用混凝土輸送泵將混凝土輸送到采空區進行充填方案。為了提高充填效率,降低混凝土充填料的輸送成本,采用泵送混凝土是一個全新的充填工藝方案。

通過對上述三種充填工藝對比分析后,可以得出如下結論:方案一充填工藝最大的問題是無法保障廢石與水泥漿的均勻混合;由于鏟運機是運載礦石的設備,而非專業的攪拌設備,因此,希望利用鏟運機實現廢石與水泥漿的均勻混合是很困難的,如果廢石與水泥漿不能均勻混合,將嚴重影響到廢石膠結充填體的質量。

方案二優點在于混凝土充填料輸送方式靈活,適用于充填點距離充填攪拌站較遠,充填量小,充填點分散的情況。但是,混凝土攪拌運輸車運輸混凝土方式,在井下道路狹窄、視線差的條件下,車速必然較低,加上采空區邊上混凝土攪拌運輸車的卸載條件差等問題,都將嚴重影響混凝土充填料的輸送能力,因此,采用車送混凝土方案的充填能力有限。此外,汽車運輸方式成本高,根據大紅山銅礦2011年的承包單價,井下汽車運輸2 km范圍內就達到7.7元/t,這在一定程度也上限制了這種充填方式的使用范圍。

方案三根據相關廠家提供的數據,在300 m的輸送范圍內采用泵送混凝土,其輸送成本僅為2.17元/t。由于泵送混凝土可采用垂直向上輸送方式,這樣就大節省了輸送距離,混凝土的輸送距離往往只是車送方式的1/3到1/4。此外,泵送混凝土輸送方式是連續的,輸送能力很大,根據某廠提供的數據,采用HBT60C-1816Ⅲ型電動拖泵,其混凝土的輸送能力也能達到45～70m3/h。因此,方案三為最適合大紅山銅礦礦柱廢石膠結充填的工藝技術方案。

2.2 泵送廢石膠結料充填工藝

2.2.1 充填能力分析

在泵送混凝土充填方案中,振動給料機的生產能力在40～100 t/h之間;鄂式破碎機的生產能力在40～100 t/h之間;反擊式破碎機的生產能力在50～80 t/h之間;JS1000型雙臥軸式攪拌機生產能力大于50 m3/h;混凝土拖泵生產能力也在45～70 m3/h左右。從系統的配置上看,采用泵送混凝土充填系統,能夠保證45 m3/h的充填能力。每天只要4.4 h的純工作時間,就能夠完成200 m3充填量,如果每天有6.6 h的純作業時間,就能夠完成300 m3的充填量,具備工業化大規模生產的條件。

2.2.2 充填成本及經濟效益分析

采用泵送混凝土充填,直接成本為5 230 425.45元,每立方充填體直接成本為209.81元/m3,采出礦石充填直接成本66.38元/t。考慮管理費、稅收及承包單位應得利潤等費用,充填的綜合成本為6 969 018.87元,按立方量計算的充填綜合成本為279.55元/m3,單位礦石綜合成本88.43元/t。礦柱開采銷售收入合計2 321.36萬元,采選綜合加充填綜合成本為 1 959.69萬元。兩項費用相抵盈利361.67萬元,采出1 t礦柱礦石盈利45.90元。

3 結 論

提高資源綜合利用率,開展低品位資源的利用,越來越成為一種趨勢,通過對大紅山銅礦礦體賦存條件等開采技術條件分析,開展銅鐵合采具有十分重要的意義。

將建筑行業的混凝土輸送工藝技術規模化應用到井下礦柱充填作業,滿足礦柱充填對充填體質量、充填能力、充填成本和安全性的要求,能夠實現井下礦柱充填的工業化大規模生產,為銅鐵合采的順利實施提供保障。

[1] 馬洪志,楊莉莉.低品位礦石資源回收利用研究[J].中國資源綜合利用,2011,(8):14-16.

[2] 張軍勝,楊樹.金礦低品位礦石開采可行性研究[J].黃金, 2010,(4):28-31.

[3] 杜海青.大型低品位有色多金屬礦山高效開發對策[J].黃金, 2012,33(2):1-3.

[4] 余健,黃興益,吳東旭,等.緩傾斜中厚礦體機械化采礦理論與技術[J].中南大學學報:自然科學版,2005,36(6):1 107-1 111.

[5] 張旭升,余健.節理裂隙對大紅山銅礦中深孔爆破效果的影響[J].江西有色金屬,2005,19(4):10-13.