全尾砂結(jié)構(gòu)流充填工藝在內(nèi)蒙某多金屬礦的研究與應(yīng)用

康瑞海，王 旭，彭 亮

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

內(nèi)蒙古某多金屬礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗境內(nèi)，該礦礦石中富含銀、鉛、鋅等多種有用成分，地質(zhì)儲量為1228.67萬t，生產(chǎn)規(guī)模為45萬t/a。礦區(qū)地表海拔標(biāo)高約1000 m，目前開采水平為+700～+850 m。根據(jù)開采范圍內(nèi)礦體賦存條件分為3個采區(qū)進(jìn)行開采。由于圍巖條件良好，2012年以前一直采用淺孔留礦法進(jìn)行開采，同時留有頂?shù)字?、間柱及采區(qū)礦柱。隨著探礦的深入，礦區(qū)礦石遠(yuǎn)景儲量及品位良好，如繼續(xù)采用淺孔留礦法開采且隨著開采深度及井下空區(qū)面積的增加，將存在以下問題：

(1) 采礦“點多面廣”，造成開采無序，采礦方法單一，區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模無法擴大，效率較高的生產(chǎn)工藝和作業(yè)設(shè)備無法大量采用，特別是機械設(shè)備的工作效率無法得到正常發(fā)揮。

(2) 開拓系統(tǒng)是由各自分散，相對獨立的3個采區(qū)組成(井下3個采區(qū)完全處于隔離狀態(tài))，每個采區(qū)是多中段生產(chǎn)，出礦效率低，生產(chǎn)管理復(fù)雜，開采成本大。

(3) 由于采空區(qū)及開采深度的增加，加上采空區(qū)長時間未得到充填處理，已有多處上覆巖層產(chǎn)生不同規(guī)模的坍塌冒落，有的地表甚至出現(xiàn)了塌陷，破壞了地表的生態(tài)環(huán)境。

(4) 由于空區(qū)礦柱、圍巖塌落，造成了出礦貧化、損失率高，大量存窿礦石出不出來，并遺留有大量的頂?shù)字?、間柱及采區(qū)礦柱等。若不對采空區(qū)實行充填將會丟失大量礦石，造成巨大經(jīng)濟損失。

(5) 礦區(qū)位于草原腹地，征地代價較大，所以為了延長尾礦庫的服務(wù)年限，降低征地成本，將尾砂充填至井下將是一個有效的辦法。

為了實現(xiàn)該礦安全正常開采及長遠(yuǎn)健康發(fā)展，必須對采礦方法進(jìn)行研究，其最佳途徑是采用全尾砂結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填[1-4]并實現(xiàn)充填法采礦。為此，該礦與長沙礦山研究院有限責(zé)任公司合作開展采礦方法研究及充填工藝研究，本文介紹了該礦充填工藝研究及應(yīng)用情況。

1 充填材料實驗室試驗

為了給充填系統(tǒng)總體規(guī)劃及充填系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)，對該礦現(xiàn)有選廠的全尾砂取樣，在試驗室進(jìn)行充填材料試驗研究，通過試驗確定充填材料基本物理化學(xué)特性，包括全尾砂粒徑組成、強度試驗及全尾砂料漿流動性等方面。

全尾砂粒徑[5]分析結(jié)果表明：全尾砂平均粒經(jīng)d平均=127 μm，其中-75 μm顆粒含量約為57.83%，-20 μm細(xì)顆粒含量為39.8%，全尾砂較細(xì)，不均勻系數(shù)a2=d60/d10=42.45，級配極不均勻。實際充填過程中，水泥能夠有效改善充填料漿的級配，增強其和易性?？傮w上全尾砂粒徑表現(xiàn)為對充填料漿輸送性能有利的特征。

坍落度[6]試驗結(jié)果表明：料漿濃度為70%～68%時，坍落度為22～24.5 cm，料漿流動阻力大，料漿流動性差。料漿濃度降至66%時，坍落度為26 cm，料漿流動性得到改善，但料漿粘度依然較大，料漿流速慢。料漿濃度64%～60%時，料漿坍落度范圍27.7～28.2 cm，料漿流動性能良好，無離析、泌水現(xiàn)象發(fā)生。

料漿自流[7-9]輸送試驗表明：尾砂料漿濃度為64%～60%左右時尾砂充填料漿流動性較好，在管道中表現(xiàn)出良好的流動性，料漿未產(chǎn)生離析分層及堵管現(xiàn)象。若在管道內(nèi)徑110 mm，流量80 m3/h情況下，充填料漿的流動倍線分別為2.7～7.8之間。

強度配比試驗結(jié)果表明：水泥-尾砂漿濃度為60%～64%，灰砂比1∶4～1∶8時，28 d試塊強度為3.2～0.7 MPa，試塊強度滿足采礦方法要求。

根據(jù)礦山采礦方法對充填的要求，結(jié)合實驗室試驗結(jié)果，確定充填系統(tǒng)運行參數(shù)如下：

(1) 充填站設(shè)置2套充填制備系統(tǒng)；

(2) 單套系統(tǒng)充填料漿流量為60～80 m3/h；

(3) 充填料漿濃度為60%～64%；

(4) 灰砂比為1∶4～1∶8可調(diào)。

2 充填系統(tǒng)建設(shè)與運行效果

2.1 設(shè)計原則

根據(jù)礦山各采區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景，結(jié)合現(xiàn)有選廠尾砂排放及尾礦庫設(shè)置，充填系統(tǒng)方案設(shè)計遵循以下原則：

(1) 充填系統(tǒng)建設(shè)分臨時充填[10]系統(tǒng)和永久充填系統(tǒng)。臨時充填系統(tǒng)是為盡快充填-150 m(一、二采區(qū))以上遺留的空區(qū)而建設(shè)的，并且三采區(qū)處于相對獨立狀態(tài)，與一、二采區(qū)相互隔離。所以臨時充填系統(tǒng)可作為永久充填系統(tǒng)的補充。

(2) 采用各選廠生產(chǎn)流程產(chǎn)生的全尾砂作為充填料。

(3) 充填系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)能力滿足新采場空區(qū)及遺留空區(qū)的充填能力要求。

(4) 充填料漿采用全尾砂集中制備、分區(qū)充填。由于各采區(qū)空區(qū)分布不一，所以采用分區(qū)充填的方式。其中二采區(qū)淺部由于距地表過淺，充填倍線大，在15#井附近布置一個鉆孔，三采區(qū)為獨立的采區(qū)，井下暫未與一、二采區(qū)貫通，所以在三采區(qū)地表移動范圍外布置2個充填鉆孔，將制備好的充填料漿由混凝土攪拌車運輸至該鉆孔，然后自流至采空區(qū)，或者在其鉆孔附近建立臨時充填站，將尾礦庫經(jīng)過自然分級后的尾砂篩分后，加入攪拌系統(tǒng)中，將制備好的料漿自流輸送至采空區(qū)。二采區(qū)下部(距地表120 m以下)及一采區(qū)空區(qū)充填倍線較小，可由充填站內(nèi)的鉆孔下料，自流輸送至空區(qū)進(jìn)行充填。

(5) 充填系統(tǒng)建設(shè)周期短、投資省、便于管理。

2.2 臨時充填系統(tǒng)建設(shè)方案

臨時充填系統(tǒng)主要采用混凝土攪拌站的形式建設(shè)，由攪拌系統(tǒng)、水泥給料系統(tǒng)、壓氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)所組成。充填工藝各環(huán)節(jié)如下：

(1) 采集充填集料。采用尾砂作為充填集料，在老尾礦庫用鏟運機和卡車將尾砂運至堆料場，然后將尾砂過篩去除大塊和雜質(zhì)，最后用2 m3鏟運機將合格的尾砂鏟運至攪拌機配料斗內(nèi)。

(2) 膠凝材料準(zhǔn)備。膠凝材料采用PC.32.5水泥，水泥罐車將散裝水泥運至臨時充填站后，用罐車自帶高壓風(fēng)系統(tǒng)將水泥吹入水泥倉中。充填時水泥將通過單管螺旋給料機向中間倉給料，通過調(diào)節(jié)單管螺旋轉(zhuǎn)動的頻率可以增加或減少水泥的給料量。

(3) 充填站用水。在充填站安裝有流量為60 m3/h的管道泵(一用一備)為攪拌機供水，管道泵與礦山供水池用DN80管道連接，保證水量充足。

(4) 充填料漿制備。根據(jù)充填相關(guān)參數(shù)(充填流量、充填濃度、灰砂比)計算出配制1 m3充填料漿所需的干尾砂量、水泥量、水量，然后在控制室內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù)。啟動按鈕后，充填系統(tǒng)自動將尾砂、水泥、水計量后輸送至攪拌機中。

臨時充填站全景如照片1所示。

照片1 臨時充填站

2.3 永久充填系統(tǒng)建設(shè)方案

充填系統(tǒng)由尾砂集中輸送系統(tǒng)、充填料漿制備系統(tǒng)、充填料漿攪拌運輸系統(tǒng)、充填鉆孔及井下管網(wǎng)系統(tǒng)等設(shè)施組成。永久充填站正面如照片2所示。

2.3.1 尾砂集中輸送系統(tǒng)

礦山3個選廠日礦石處理能力合計為3000 t/d，各選廠均安裝有6PNJ襯膠砂泵及尾砂輸送管向尾礦庫輸送尾砂，尾砂輸送濃度一般為15%～18%。為了將各選廠尾砂輸送至充填站，新建尾砂揚送泵站，將各選廠尾砂由已有的襯膠砂泵輸送至新建泵站的料池，然后由新建尾砂揚送泵站的渣漿泵集中輸送至充填站的立式砂倉中(見照片3)。

照片2 永久充填站正面照

照片3 渣漿泵

來自3個選廠的尾砂漿進(jìn)入尾砂池后，經(jīng)2臺渣漿泵加壓進(jìn)入集料箱，然后通過Φ328 mm×(8+6) mm陶瓷復(fù)合管輸送至充填站立式砂倉頂部的進(jìn)砂緩沖箱并與絮凝劑混合后進(jìn)入立式砂倉進(jìn)行絮凝沉降。當(dāng)3個選廠合計尾砂產(chǎn)量為2600 t/d、尾砂漿濃度為15%～18%時，尾砂漿流量為654～534 m3/h，尾砂輸送管內(nèi)料漿流速為2.097～2.571 m/s。

2.3.2 充填料漿制備系統(tǒng)

(1) 全尾砂存儲給料。充填站設(shè)置2個直徑Φ12 m、容積1540 m3的立式砂倉儲存全尾砂漿。濃度為15%～18%的尾砂漿在立式砂倉中進(jìn)行沉降脫水并溢流，使其達(dá)到最大沉降濃度。溢流水通過Φ400 mm×6 mm鋼管自流輸送至新建尾礦庫中進(jìn)一步沉降，尾礦庫清水再由回水泵加壓返回選廠循環(huán)使用。

為了加快全尾砂中細(xì)顆粒沉降，充填站設(shè)置1臺自動加藥機，由該設(shè)備對聚丙烯酰胺型絮凝劑進(jìn)行自動配藥、攪拌、輸送絮凝劑溶液，絮凝劑選用法國愛森6000 s絮凝劑，配藥濃度0.3%。

(2) 水泥存儲給料。充填站設(shè)置2個直徑為Φ6 m、容積360 m3的水泥倉。水泥倉底部安裝有電液閘門、雙管螺旋給料機及螺旋電子秤。雙管螺旋電機采用變頻調(diào)速，改變螺旋轉(zhuǎn)速即可改變水泥給料量，以滿足不同灰砂比及生產(chǎn)能力的要求。

(3) 充填料漿制備與輸送。全尾砂漿、水泥經(jīng)各自的供料線進(jìn)入攪拌機。攪拌機選用雙臥軸攪拌機+高速活化攪拌機兩段攪拌。充填站設(shè)置2個充填鉆孔及混凝土攪拌運輸車裝料設(shè)施。制備好的充填料漿根據(jù)充填地點的不同而分為兩路，當(dāng)需充填二采區(qū)深部及一采區(qū)空區(qū)時，將其引入充填鉆孔而自流輸送至充填地點。而當(dāng)需充填二采區(qū)淺部及三采區(qū)空區(qū)時，則由1#充填系統(tǒng)引向混凝土攪拌運輸車裝車，運至二采區(qū)上部充填鉆孔或三采區(qū)充填鉆孔，并卸入鉆孔上部的下料斗，最終通過鉆孔及井下管道自流輸送至充填地點。

(4) 系統(tǒng)自動控制。充填站設(shè)立較完善的自控系統(tǒng)，以對充填系統(tǒng)各運行參數(shù)進(jìn)行檢測和調(diào)節(jié)，運行參數(shù)包括放砂濃度、放砂流量、水泥給料量、充填流量及充填濃度等。這些參數(shù)由大容量計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模擬顯示及存貯，以便于對充填系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行有效監(jiān)控和管理。

充填系統(tǒng)運行狀況實現(xiàn)了實時監(jiān)控，在尾砂倉頂、放料平臺、攪拌平臺及鉆孔下料斗等位置設(shè)置攝像頭，生產(chǎn)畫面實時顯示在操作室顯示器上。操作室及電腦界面見照片4。

照片4 自動控制操作室

2.4 運行效果

礦山永久與臨時充填系統(tǒng)經(jīng)過幾年的使用實踐，證實有以下幾方面的特點：

(1) 充填料漿流量、濃度、灰砂比穩(wěn)定且可調(diào)，實現(xiàn)了全尾砂“結(jié)構(gòu)流”充填(見照片5)，充填系統(tǒng)各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計能力，滿足生產(chǎn)要求。

(2) 根據(jù)充填站取樣及采空區(qū)現(xiàn)場勘察結(jié)果，充填料漿在24 h內(nèi)均已凝固，充填體表面平整、整體性好(見照片6)。

照片5 充填料漿(永久充填站取樣濃度在64%左右)

照片6 井下充填體

(3) 根據(jù)充填料漿取樣試塊強度測試結(jié)果統(tǒng)計分析，永久充填站灰砂比按1∶4～1∶6要求充填，臨時充填站灰砂比按1∶8要求充填，充填體強度普遍在2.8 MPa以上，強度滿足生產(chǎn)要求。

(4) 采用臨時充填站與永久充填站相結(jié)合的建設(shè)方案，有效解決了礦山急需充填與永久充填站建設(shè)周期長的問題。

(5) 大倍線條件下充填料漿采取集中制備、分區(qū)充填[11-12]的方式，相較泵送方式其投資及運營成本低，料漿輸送能力有保障。

(6) 永久充填站投入使用后，充填能力大大提高，井下采空區(qū)得到了及時充填，極大地提高了井下生產(chǎn)效率，減少了安全隱患。

3 結(jié) 語

充填采礦法及充填工藝日趨成熟，結(jié)合礦山實際情況，因地制宜地設(shè)計礦山充填系統(tǒng)才能實現(xiàn)充填效率與充填效益的最大化，才能為礦山所認(rèn)同。永久充填站與臨時充填站結(jié)合，集中制備與分區(qū)充填結(jié)合是該礦充填系統(tǒng)設(shè)計的顯著特點，可以在類似礦山推廣應(yīng)用。