高陡山區長距離穩壓膏體充填技術應用研究

鄭伯坤，鄧高嶺，李向東

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 前 言

甘肅中金黃金礦業有限責任公司，礦山生產能力26.4萬t/a，日處理礦石量為800 t，設計入選平均品位2.46 g/t，選礦回收率92%，年產金600 kg。

大店溝金礦為多層平行急傾斜薄至中厚礦體，礦巖層理發育、較破碎，設計采礦方法為淺孔留礦法和削壁充填法，實際生產中主要采用淺孔留礦法，設計損失率12%，貧化率16%。但開采過程中礦石損失、貧化較大，作業安全條件差。據初步統計，實際損失達18%～28%，貧化達23%～35%。為解決井下安全生產管理難度大，貧化損失高的難題，擬采用充填采礦法。

針對礦山充填條件，甘肅中金和長沙礦山研究院共同開發了超遠距離膏體泵送充填技術，由長沙礦山研究院設計的充填系統于2016年10月建成，于2016年11月調試成功并投產，調試階段完成膏體充填2000 m3，成功產出高品位礦石4000 t。大店溝金礦充填系統投資為780萬元，充填成本33.5元/m3，僅為類似礦山充填成本的2/3，良好的充填效果起到了強力支護上下盤破碎圍巖的效果，成功解決了困擾礦山多年的采礦貧化損失率高等問題，同時大宗量地處理了尾礦，解決了尾礦排放成本高等問題。充填后采礦損失率降低至5%以內，貧化率降至10%以內，尾礦處理成本降低20元/t。

1 充填工藝

該工藝流程采用旋流器+砂倉進行兩段濃密，采用2個小容積立式砂倉，全倉流態化壓氣造漿，高濃度放砂，攪拌機攪拌尾砂漿。該工藝充填系統分為5個子系統，分別為：尾砂濃密放砂系統，水泥儲備給料系統，兩段式攪拌制備系統，充填輸送管網系統，計量控制系統。

1.1 尾砂濃密放砂系統

尾砂濃密放砂系統包括3個工序：尾砂輸送、分級和第一段濃密；尾砂第二段濃密、造漿、放砂；溢流排放處理。

(1) 尾砂輸送、分級和第一段濃密：選廠尾砂漿(濃度約28%)自流進入尾礦渣漿泵站，通過渣漿泵輸送至充填站尾砂倉頂部，由倉頂的旋流器組，進行分級和第一段濃密，旋流器底流(濃度約65%)進入尾砂倉內，即完成尾砂輸送、分級和第一段濃密。

(2) 尾砂的第二段濃密、造漿、放砂：旋流器底流進入砂倉后，當砂倉滿漿后即停止進砂，沉降0.5 h后，通過階梯閥排出砂面上部分清水，使得砂倉內砂漿的濃度控制在70%～72%。

充填開始前10～30 min開始預造漿，采用壓氣造漿工藝，在倉底按照一定密度布置噴嘴，壓縮空氣通過壓氣管道和噴嘴進入砂倉底部，造漿時形成全倉類似“沸騰”的狀態，使全倉的尾砂濃度分布和粒度分布均勻，從而確保放砂濃度的穩定，進而確保充填體質量的穩定。采用小高徑比砂倉，利于砂倉內造漿均勻，利于高濃度放砂。

充填開始后，打開尾砂倉底放砂閥，尾砂料漿通過放砂管自流進入攪拌系統的尾砂進料斗。為保證放砂濃度穩定，壓氣造漿持續至放砂完畢。為避免剛開始放砂時放砂口濃度過高堵塞放砂管，在放砂閥前設置反沖水管。

(3) 溢流排放、處理：旋流器的溢流和階梯閥排放的清水均通過溢流管自流至溢流緩沖池，再自流至現有尾礦泵站，泵送至現有濃密機，濃密壓濾后排放尾礦庫。

由于采用旋流器+砂倉的兩段濃密技術，旋流器濃密效率高，底流濃度達到65%，砂倉起到輔助濃密的功能，因此砂倉利用率大大提高，采用2個容積較小的砂倉即可滿足能力要求，同時可實現充填站連續24 h進砂，充填時間靈活調整，靈活應對小采場的充填，滿足工藝要求的同時降低了系統造價。

1.2 水泥儲備給料系統

散裝水泥罐車將散裝水泥運來后通過風力打入水泥倉，水泥倉中水泥通過雙螺旋給料裝置再經過單管螺旋秤計量放入雙軸攪拌機，雙螺旋通過調節螺旋變速器，從而控制水泥添量。

1.3 兩段式攪拌制備系統

高濃度的尾砂漿自主放砂管進入尾砂進料斗，再進入雙軸攪拌機，同時水泥直接進入雙軸攪拌機，雙軸攪拌機漿尾砂漿及水泥充分混合形成尾砂膠結充填料漿，即第一段攪拌。為避免尾砂漿濃度過高，尾砂進料斗布置調濃水管。經第一段攪拌的膠結充填料漿未能將尾砂和水泥充分混合，進入活化攪拌裝置進行第二段攪拌，以強化水泥水化過程，使水泥在充填體形成過程中發揮最大效應。

1.4 充填輸送管網

充填輸送主管網主要包括：充填泵、井下管道等。針對1650 m以上采場充填采用上向泵送工藝，針對1650 m以下采場充填采用水平泵送+自流輸送的工藝。

上向泵送的高差在100 m范圍內，輸送管徑采用通徑Φ110 mm無縫鋼管，管道由快速接頭連接。最遠泵送距離3 km。豎直管道布置于現有天井。

應急沖洗管網：由于充填泵造價較高，備用泵成本高，且長距離泵送管道堵管故障處理勞動強度大，因此布置高壓水應急沖洗官網。在泵送主管道每100 m布置1個沖洗水管和1個排空閥，沖洗水管與主充填管連接。應急高壓沖洗水主管連接現有高壓水泵。該管網的主要設備設施：高位水池、現有高壓水泵、應急沖洗管道。

1.5 計量控制系統

該系統貫穿于以上各系統，主要實現功能為計量水泥倉倉位、水泥下料量、調濃水量、充填濃度等功能。

2 技術難點與創新

甘肅中金聯合長沙礦山研究院研發的超遠距離膏體泵送充填技術，克服了眾多技術難點：

(1) 由于大店溝金礦地處山區，地表工業場地局限，充填站距離充填采場距離遠，高差大，管道長度達3000 m，向上輸送高差超100 m，大高差長距離的膏體上向泵送在國內外鮮有應用。

(2) 超遠距離膏體上向泵送對膏體的濃度和配比要求苛刻，準確穩定的配比和濃度是膏體泵送技術的關鍵，配比或濃度波動將造成管道堵管，系統無法順暢進行。

(3) 合理地降低輸送阻力，避免過大泵送阻力造成輸送系統投資過大，運營成本過高是另一大難題。

(4) 甘肅中金公司對充填系統投資要求控制在800萬元以內，無疑給技術創新和系統設計帶來巨大挑戰。

經過甘肅中金聯合長沙礦山研究院共同深入研究和技術攻關，超遠距離膏體泵送充填技術以創新思路開展工藝研究和系統設計，最終取得了一系列技術突破：

(1) 壓縮空氣全流態造漿技術，使大店溝金礦充填制備站的尾砂放砂濃度波動控制在±0.25%范圍內，放砂流量控制在±1%范圍內，精確的濃度控制和放砂流量控制成為遠距離泵送的可靠保障。

(2) 尾砂粒徑精確控制技術，為降低充填成本，同時保障遠距離泵送對物料細顆粒含量的要求，采用分級尾砂-全尾砂精準配比使得充填料漿的尾砂粒徑可根據需要正確調整，合理的細顆粒含量降低了充填水泥用量確保了遠距離泵送的可靠性。

(3) 兩段活化制備技術，確保了水泥和尾砂的高速充分混合，相同配比提高充填強度30%以上，降低了水泥用量，同時高速活化攪拌效果提高了料漿的輸送性能，有效降低了輸送阻力，是超遠距離泵送的泵送壓力控制在經濟運行壓力范圍內，降低了充填泵和泵送管道的投資。

(4) 采用集成化設計，減少工藝環節過度，工藝環節緊湊，交替進砂放砂的砂倉工藝，使砂倉容積利用率大幅提高，高效集成化的系統設計，使充填系統

的投資大幅下降。

(5) 穩定的工藝和高效自動化設計減少了充填站人員，從傳統充填站每班15人，降低至每班3人，大幅減低人員成本。

3 應用效果

大店溝金礦超遠距離膏體泵送充填技術最終確定采用大倍線上向泵送高濃度分級尾砂充填工藝。充填作業流程穩定，管道中壓力比較均衡，且不易發生堵、漏現象，故障率低，放砂濃度穩定，波動范圍在3%之內，充填濃度70%左右，充填效率為50 m3/h，采場充填效果較好，濾水少，脫水率低于5%，未出現跑漿、分層離析等現象。膠結充填與非膠結充填相結合，膠結與非膠結厚度比為1∶3，膠結充填成本為80.64元/m3，非膠結充填成本為17.74元/m3，故加權平均充填成本33.5元/m3。良好的充填效果有效降低了采礦貧化損失率，損失率由原來的18%～28%降至5%以內，貧化率由23%～35%降至10%以內，同時大宗量地處理了尾礦，解決了尾礦排放成本高等問題，尾礦處理成本降低20元/t。該充填工藝具備可靠性高、工藝簡單、運行穩定、充填效率高、充填成本低、綜合經濟效益較好等優勢，適用于大部分地下開采礦山，對于礦山安全生產和經濟效益有切實意義。

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