趙案莊鐵礦尾砂充填技術及系統優化

張高飛

(河南安鋼集團舞陽礦業有限責任公司)

近年來，隨著金屬礦山地下開采規模的不斷擴大和深度的加大，采空區也在不斷增大，地壓活動明顯，容易導致井下采場和巷道發生大面積冒頂、片幫事故[1]，此類事故也是最常見的礦山事故之一，約占事故總量的40%以上，對礦山安全生產造成重大威脅。目前，在處理采空區方面主要采用充填采礦法[2-4]。因此，根據礦山的實際生產情況，采用相適應的充填技術工藝，對于治理采空區具有重大意義。本文以河南趙案莊鐵礦充填系統為例，通過分析原充填系統在生產過程中存在的問題，并進行優化，為確保采礦作業的安全提供有力保障。

1 工程概況

舞陽礦區探明鐵礦地質儲量6.6億t，占河南全省鐵礦儲量的80%，平均TFe地質品位為29.12%[5]。趙案莊鐵礦是舞陽礦業公司的主要礦山之一，位于河南省舞鋼市八臺鎮境內，南距舞鋼市9 km，西北距平頂山市55 km，東北距漯河市60 km。礦山設計規模為采選礦石200萬t/a，采用豎井開拓方式，上向水平分層盤區式尾砂膠結充填采礦法，目前開采水平為-200～-400 m，多中段開采。

該礦工程地質環境復雜，屬于復雜難采礦體，礦體呈緩傾斜分布且夾層多，圍巖深度變質，破碎嚴重，礦巖直接頂底板及夾石極不穩固，上盤冒頂嚴重；第四系承壓含水層底板在±0 m水平，極易因開采而導致地下水沿礦體頂板裂隙流入坑道及采區，嚴重威脅礦山安全開采；礦區附近多為村莊、道路及農田，礦床中部地表有河流通過，不允許沉降[6]。

據統計，截止2017年4月30日，采空區量為17.75萬m3。采空區增大的原因主要有以下幾個方面：尾砂利用率[7]長期不足；-360，-400 m充填系統形成較晚，前期一直處于一層采礦狀態未充填，進入全面回采階段后，空區較多，充填欠量較大；選礦系統過磨導致尾砂顆粒較細(含細泥)，經旋流器拋走。

2 原充填系統及存在的問題

趙案莊鐵礦充填站現有4個立式砂倉，2個立式灰倉，1個φ30 m濃縮池，1臺水隔離泵，設計2套充填系統，每套系統都能獨立實現不同工藝操作的尾砂充填。

選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵將尾礦輸送至充填站，尾礦通過砂倉上部旋流器進行分級，粗砂沉入砂倉，細砂溢流進入φ30 m濃縮池，沉淀后的細砂經水隔離泵輸送至羅寺溝尾礦庫，灰倉中的C料與砂倉中的粗砂按照1∶6灰砂比進入攪拌桶，攪拌后的料漿通過管道自流進入井下充填礦房。充填采用DCS自動化控制系統，達到精細化控制，實現料漿配比優化和充填的連續性[8]。

原充填系統存在的問題：

(1)尾砂利用率不足，未進行技術改造前，尾砂利用率為50.5%，若要達到采充平衡，尾砂利用率須達到65.25%。

(2)未有效利用充填站1#、2#砂倉，3#、4#砂倉沉砂量較小，沉砂濃度低。

(3)沒有嚴格控制水隔離泵運行時間，造成尾砂外排量增大。

(4)Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵輸送至充填站的尾礦濃度較低，砂倉儲砂量減小。

3 充填技術及系統優化

為防止采空區體積增大，減小地壓活動的影響，提高采礦作業的安全性，采用的技術方案為將微細粒尾砂用于分層充填下部1.5 m的打底層，粗粒尾砂用于分層充填上部1.5 m的澆面層，同時結合原充填系統存在的問題進行系統優化。

3.1 充填系統優化措施

(1)全面投入使用1#、2#砂倉。在1#、2#砂倉上部安裝濃縮型旋流器，將φ30 m濃縮池底流泵抽出的細顆粒尾砂輸送至1#、2#砂倉；粗顆粒沉入砂倉，分級后的最細顆粒溢流至φ30 m濃縮池。濃縮旋流器可提高進入1#、2#砂倉沉砂濃度。

(2)合理改造、利用3#、4#砂倉。初步將4#砂倉旋流器沉砂嘴規格變大，更換為φ45 mm，增加進入砂倉的尾砂量；利用4#砂倉一直儲存粗砂，3#砂倉用于儲存選礦來砂，經實踐運行，摸索出沉砂時間段，保證沉砂濃度(60%以上)的前提下，首先使用4#砂倉放砂至井下充填。

(3)改造砂倉溢流口，排放砂倉清水。在3#、4#砂倉上部約17.5 m處開口制作溢流口，尾砂沉淀一定時間后，將砂倉上部清水放出，提高沉砂濃度及儲存空間。1#、2#砂倉利用管道虹吸原理排水蓄漿，濃度達到35%以上，具備放砂充填條件。

(4)重點運行底流泵，嚴格控制水隔離運行時間，降低尾砂外排量。根據選礦水質情況，允許φ30 m 濃縮池有一定溢流，前提是不能造成選礦生產水渾，導致精礦品位波動；禁止長時間啟用水隔離泵，造成φ30 m濃縮池無溢流，尾砂過量排放至羅寺溝；需結合充填站和選礦，通過實踐摸索出運行規律，從而確定水隔離泵運行模式。

(5)有效確立4個砂倉的使用方式。充填期間根據井下采空區情況，采用分層充填方法，使用1#、2#砂倉將微細粒尾砂充填至井下空區一層進行打底；使用3#、4#砂倉將粗粒尾砂充填至井下空區二層進行澆面。

(6)更換選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵葉輪。將Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵葉輪由φ470 mm更換為φ450 mm，提高選礦輸送至充填站的尾砂濃度，增加砂倉儲砂量。

3.2 充填技術及工藝優化

選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵將濃度30%尾砂輸送至充填站，尾砂通過3#、4#砂倉上部旋流器進行分級，粗砂沉入砂倉，底流濃度達到63%；濃度18%細砂溢流進入φ30 m濃縮池，將濃度25%沉淀后的細砂輸送至1#、2#砂倉上部旋流器，較粗顆粒進入砂倉，底流濃度達到40%；溢流濃度20%尾砂再次進入φ30 m濃縮池，濃度18%尾砂經水隔離泵輸送至羅寺溝尾礦庫(表1)。井下標準礦房長50 m,寬5 m，高4 m,每分層充填高度要求3 m,留有1 m左右的控頂，作為下分層回采的爆破自由面和通風通道。因此，在充填時，灰砂比依然按照1∶6進行分層充填，將1#、2#砂倉微細粒尾砂用于分層下部的1.5 m打底層；將3#、4#砂倉粗粒尾砂用于分層上部的1.5 m澆面層。

上述方案立足于充填站現有設施，只需進行充填工藝與技術改造，投資小，可實施性強，能夠最大限度回收微細粒尾砂，增大充填量，提高尾砂利用率。重點部位尾砂粒度篩析結果見表1。

表1 重點部位尾砂粒度篩析結果

為了保證此方案的可行性，根據礦山生產實際情況，要求充填體表面抗壓強度為0.8～1 MPa。因此，對微細粒和粗粒尾砂不同配比的充填體進行了單軸抗壓強度試驗，試驗結果見表2。

表2 微細粒與粗粒尾砂不同配比的

由表2可以看出，微細粒尾砂充填體表面的抗壓強度能夠滿足生產安全性的要求；濃度和灰砂比對膠結充填體強度的影響都非常顯著。因此，在相同灰砂比的條件下，為了提高膠結充填體的質量，盡量采用高濃度尾砂充填。

4 應用效果

自趙案莊鐵礦微細粒尾砂充填技術應用于實際生產以來，運行效果良好，提高了尾砂利用率，減少采空區總量，2018年1月采空區總量為13.9萬m3，2017年5月采空區總量為17.2萬m3，采空區總量減少3.2萬m3；每年微細粒尾砂利用量為8萬m3，減少尾礦堆存量，從而減少征地及尾礦庫管理、維護費用592萬元；實現采充平衡，提高礦石產量18萬t/a，精礦量7.2萬t/a，按全年精礦平均價格計算，每年經濟效益為3 960萬元；2項共計每年可增加收入4 552萬元，經濟效益非常顯著，保證了礦山安全、經濟、高效生產。

5 結 語

為防止采空區體積增大，減小地壓活動的影響，確保趙案莊鐵礦采礦作業的安全性，分析原充填系統存在的問題，并進行充填系統優化，提出了將微細粒尾砂用于膠結充填打底層，粗粒尾砂用于膠結充填澆面層的技術方案，并通過微細粒與粗粒尾砂不同配比的充填體單軸抗壓強度試驗結果論證方案的可行性。實踐表明，該技術應用后，井下采空區總量減少，減小了地壓活動影響，提高了采礦作業的安全性，同時帶來了非常顯著的經濟效益，可供同類礦山參考。