全尾砂充填技術(shù)在東際金礦采空區(qū)治理中的運(yùn)用

李廣華，鮑軍濤，王琳青

（福建省政和縣源鑫礦業(yè)有限公司，福建 南平 353600）

礦山采用地下開采方式，斜坡道、豎井聯(lián)合開拓，初期為空?qǐng)龇ā\孔留礦法采礦，后期技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)為上向水平機(jī)械化分層充填法采礦，選礦方法為一般浮選法。主要產(chǎn)品有金精礦（含鉛、鋅）、銀精礦（含鉛、鋅）。礦山現(xiàn)有采空區(qū)約16萬m3，在用尾礦庫(kù)于2004年6月投入使用，目前尾礦庫(kù)庫(kù)容已達(dá)到峰值，尾砂主要靠車輛運(yùn)輸至指定堆場(chǎng)進(jìn)行外排[1]。為消除采空區(qū)安全隱患，回收高品位礦柱，同時(shí)減少尾礦外運(yùn)費(fèi)用，減少地表土地資源占用，打造新型綠色礦山[2]。

1 礦山面臨的大量采空區(qū)處理，高品位礦柱回收及尾砂排放等問題

公司最早使用的采礦方法主要是淺孔留礦法及空?qǐng)龇ú傻V，截止2014年底，經(jīng)過近10年的開采，采出礦石量約68萬t，形成空區(qū)約16萬m3，并且空區(qū)存留大量的高品位礦柱（10g/t，局部50g/t～100g/t）具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，由于工藝、技術(shù)的落后[3]。不能及時(shí)回采，對(duì)國(guó)家資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)。采空區(qū)治理采用加水泥膠結(jié)和不加水泥非膠結(jié)兩種料漿進(jìn)行充填。回收后，采用1：4配比進(jìn)行充填；當(dāng)僅需回填采空區(qū)不回采礦柱時(shí)，采用不添加水泥的非膠結(jié)料漿進(jìn)行充填。

2 全尾砂充填工藝技術(shù)及參數(shù)研究分析

根據(jù)空區(qū)情況，擬用本礦選廠浮選全尾砂對(duì)I#礦體采空區(qū)進(jìn)行尾砂充填治理。全尾砂充填要求最大限度地利用堆存尾砂，做到技術(shù)先進(jìn)適用、工藝流程簡(jiǎn)潔、施工及充填(過程)安全可靠、操作管理方便、投資經(jīng)濟(jì)合理[4-7]。

2.1 尾砂物理性質(zhì)分析

全尾砂的物理特性，尤其是粒徑組成對(duì)充填體的力學(xué)性質(zhì)有決定性影響。測(cè)試試樣為源鑫礦業(yè)旋流分級(jí)沉砂、旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂、壓濾全尾砂和全尾砂，測(cè)試方法為水篩篩分法，如圖1所示。水篩篩分法由100目、200目、325目、400目篩網(wǎng)組成，實(shí)驗(yàn)前將待測(cè)尾砂在鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，每次取樣500g，采用水洗的方法對(duì)尾砂過100目～400目篩，實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)禁對(duì)篩網(wǎng)震動(dòng)等其他施加外力的方式加快過篩，每一級(jí)篩網(wǎng)必須水洗至清澈為止，最后將所有分級(jí)后的尾砂收集分類、干燥，計(jì)算收率，結(jié)果見表1～表4。

表1 旋流分級(jí)沉砂粒級(jí)分布測(cè)試結(jié)果

表2 旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂粒級(jí)分布測(cè)試結(jié)果

表3 壓濾全尾砂粒級(jí)分布測(cè)試結(jié)果

表5 全尾砂動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同濃度全尾砂對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力

表4 全尾砂粒級(jí)分布測(cè)試結(jié)果

2.2 尾砂動(dòng)態(tài)濃密沉降試驗(yàn)

2.2.1 樣品分析及預(yù)處理

給料礦漿以及每次得到的底流固體樣品，經(jīng)過抽濾，水洗，烘干后，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)再進(jìn)行濃度分析。溢流樣固體含量分析首先用真空過濾裝置過濾溢流樣，同樣經(jīng)水洗烘干再進(jìn)行固含量分析。

2.2.2 動(dòng)態(tài)濃密沉降試驗(yàn)裝置

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用4個(gè)蠕動(dòng)泵，分別用于泵送稀釋水、絮凝劑、尾砂礦樣進(jìn)入濃密試驗(yàn)裝置的給料系統(tǒng)中，從試驗(yàn)裝置底部泵出底流礦樣。

稀釋水采用自來水；絮凝劑通過兩個(gè)不同的給藥點(diǎn)添加，添加量由靜態(tài)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為參考；配成質(zhì)量濃度為6.5%（全尾砂）或4.5%（旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂）的礦漿，然后置入100L的桶內(nèi)用電動(dòng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆颍詈蟊萌牍艿馈?/p>

通過計(jì)算調(diào)整蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，使絮凝劑、尾礦礦樣達(dá)到靜態(tài)試驗(yàn)的最佳添加比并模擬不同情況下的濃密試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)泥層高度為120mm時(shí)開始取樣測(cè)溢流水，當(dāng)泥層高度為240mm時(shí)開始取樣測(cè)底流濃度。

2.2.3 流變測(cè)試

所有流變特性的測(cè)試均采用賽默飛世爾公司生產(chǎn)的VT550型哈克流變儀，傳感器采用FL星形轉(zhuǎn)子，如圖3所示。

采用恒剪切的方法對(duì)底流樣品進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)定，記錄剪切應(yīng)力對(duì)時(shí)間的曲線并分析，其中曲線峰值為最大屈服應(yīng)力，剪切速率采用0.07S-1的常量，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為0.235 r/min，與濃密機(jī)耙架轉(zhuǎn)速接近，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

2.3 全尾砂動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果及分析

動(dòng)態(tài)濃密沉降試驗(yàn)主要研究全尾砂在6.5%左右的給料濃度下，不同給料速度對(duì)溢流水澄清度以及底流濃度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖1 動(dòng)態(tài)濃密底流礦漿泌水率的測(cè)定

分析圖1可知，當(dāng)?shù)琢鳚舛扔?8.03%提高至54.64%時(shí)，泌水率由6.87%降至2.86%。即，全尾砂底流礦漿的泌水率隨底流濃度的提高而降低。

圖2 全尾砂底流礦漿濃度與壓縮時(shí)間的關(guān)系曲線

底流礦漿濃度隨壓縮時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，但增大到一個(gè)極限濃度時(shí)，會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，不會(huì)繼續(xù)增大。底流礦漿濃度與壓縮時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，初始底流濃度為54.64%的全尾砂礦漿壓縮16h后濃度達(dá)到57.5%，之后逐漸趨于穩(wěn)定。繼續(xù)壓縮至24h后，底流濃度為57.8%，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。做質(zhì)量濃度為57.8%底流砂漿的擴(kuò)散度試驗(yàn)，該質(zhì)量濃度砂漿的擴(kuò)展度僅10.4cm，泌水率為1.79%。

用哈克VT550型流變儀做不同質(zhì)量濃度全尾砂漿的流變?cè)囼?yàn)，測(cè)試方法為：控制形變模式（CD），剪切速率0.07S-1，轉(zhuǎn)子為FL10，室溫。試驗(yàn)結(jié)果見表6，不同底流濃度與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系如圖3所示。

表7 旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂配比試驗(yàn)結(jié)果

表8 全尾砂配比試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同底流濃度與屈服應(yīng)力的關(guān)系

膏體的屈服應(yīng)力范圍是大于（200±25）Pa。由圖3可得，當(dāng)?shù)琢鳚舛瘸^59%時(shí)，全尾砂漿逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦囿w。分析動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）當(dāng)給料速度由0.21t/m2·h增加到0.78t/m2·h時(shí)，溢流水固含量從114ppm增加到378ppm。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，隨著進(jìn)料速度加快，尾砂顆粒發(fā)生絮凝反應(yīng)的時(shí)間縮短，絮凝反應(yīng)不徹底；

（2）給料速度為0.21t/m2·h～0.78t/m2·h時(shí)，底流濃度為48.03%～54.64%，給料速度不高于0.63t/m2·h時(shí)，溢流水固含量均小于300ppm；溢流水上升速度由9.51 m/h增大至17.08 m/h，溢流水上升速度隨給料速度的加快而增大；

（3）推薦的給料速度為0.21t/m2·h～0.51 t/m2·h，此條件下底流濃度為49.76%以上，溢流水的固含量為300 ppm以內(nèi)；

（4）當(dāng)?shù)琢鳚舛扔?8.03%提高至54.64%，泌水率由6.87%降至2.86%。即，全尾砂底流礦漿的泌水率隨底流濃度的提高而降低；

（5）初始底流濃度為54.64%的全尾砂礦漿壓縮16h后，濃度達(dá)到57.5%，隨著底流壓縮時(shí)間的延長(zhǎng)，全尾砂底流礦漿的濃度逐步提高。繼續(xù)壓縮至24h后，底流濃度為57.8%，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；

（6）流變?cè)囼?yàn)結(jié)果顯示當(dāng)?shù)琢鳚舛瘸^59%時(shí)，全尾礦漿逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦囿w。

2.4 充填材料配比試驗(yàn)

配比試驗(yàn)的目的是測(cè)定不同配比組合下膠結(jié)試塊的固結(jié)特性、強(qiáng)度指標(biāo)等，以檢測(cè)充填體是否滿足回采強(qiáng)度和相關(guān)工藝要求，據(jù)此確定適合源鑫礦尾砂特性的最優(yōu)充填配比，并為充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

充填材料配比試驗(yàn)結(jié)果：

根據(jù)全尾砂及旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂動(dòng)態(tài)濃密絮凝沉降試驗(yàn)的結(jié)果，選取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量濃度和灰砂比進(jìn)行膠結(jié)配比試驗(yàn)，測(cè)定了7d齡期的單軸抗壓強(qiáng)度，并分別計(jì)算出單位充填料漿的水泥用量。全尾砂及旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂試驗(yàn)結(jié)果分別見表7和表8。

由于時(shí)間關(guān)系，暫未測(cè)定28d標(biāo)準(zhǔn)齡期和60d～90d長(zhǎng)期充填體強(qiáng)度，但根據(jù)大量充填試驗(yàn)結(jié)果，7d充填體強(qiáng)度一般可達(dá)到最終強(qiáng)度的50%左右，28d充填體強(qiáng)度也可達(dá)到最終強(qiáng)度的80%左右。

塌落度試驗(yàn)是測(cè)定充填料漿拌和物的稠度大小、評(píng)價(jià)充填料漿變形性能或抵抗流動(dòng)變形性能的試驗(yàn)方法。不同旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂及全尾砂料漿的塌落度值見表7和表8。

充填料漿是否達(dá)到膏體是由料漿的屈服應(yīng)力和塌落度決定的，不是由質(zhì)量濃度決定的。膏體料漿的屈服應(yīng)力應(yīng)大于200（±25）Pa，全尾砂漿質(zhì)量濃度為60.2%時(shí)屈服應(yīng)力達(dá)192.14Pa，旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂質(zhì)量濃度為54.8%時(shí)屈服應(yīng)力達(dá)172.6Pa。膏體料漿的塌落度范圍是15cm～25cm，全尾砂料漿質(zhì)量濃度為61%灰砂比為1∶6時(shí)的塌落度為24.1cm，旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂料漿質(zhì)量濃度為54%灰砂比為1∶6時(shí)的塌落度為24.7cm。因此，全尾砂料漿質(zhì)量濃度為60%左右時(shí)達(dá)到膏體，旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂料漿質(zhì)量濃度為54%左右時(shí)達(dá)到膏體。充填料漿的質(zhì)量濃度由充填骨料的粒級(jí)組成決定。當(dāng)充填骨料的中值粒徑較大時(shí)，可以配置出質(zhì)量濃度達(dá)75%～82%的高濃度料漿，隨著中值粒徑的逐漸降低，配置出的料漿的質(zhì)量濃度將會(huì)降低。源鑫礦業(yè)全尾砂小于0.074mm的顆粒所占比例達(dá)79.74%，旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂小于0.074mm的顆粒所占比例高達(dá)96.13%，難以配制出高質(zhì)量濃度的料漿。

2.5 充填系統(tǒng)工藝流程

經(jīng)旋流器分級(jí)后的約23%濃度的細(xì)粒級(jí)尾砂輸送至充填站內(nèi)的深錐濃密機(jī)中，通過添加絮凝劑進(jìn)行絮凝沉降，溢流水直接返回選廠使用，深錐濃密機(jī)底流濃度達(dá)到58%±2（全尾砂）或52%±2（旋流分級(jí)溢流細(xì)尾砂）后，經(jīng)底流循環(huán)輸送系統(tǒng)輸送至Φ2000×h2100攪拌桶，與來自水泥倉(cāng)的水泥進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，形成合乎質(zhì)量的高濃度充填料漿，通過輸送泵經(jīng)管道輸送至待充采空。

3 全尾砂充填工藝帶來的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益

3.1 改善、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)在需要

在當(dāng)代中國(guó)，礦產(chǎn)資源發(fā)展面臨來自兩方面的巨大壓力。一是國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速增長(zhǎng)要求礦業(yè)提供更多的礦產(chǎn)資源；二是礦山開發(fā)過程中環(huán)境保護(hù)的任務(wù)越來越重。源鑫礦業(yè)尾礦庫(kù)和干堆庫(kù)已經(jīng)飽和，尾砂排放問題已成為制約礦山產(chǎn)能穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸問題。采用全尾砂充填后，能將絕大部分、乃至全部尾砂回填采空區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)地表尾砂最大程度地減量排放甚至零排放，改善地表環(huán)境，扎實(shí)推進(jìn)節(jié)能降耗、節(jié)能減排工作。推進(jìn)“無廢開采”，強(qiáng)化“三廢利用”。繼續(xù)加大尾砂利用工藝水平，以減少尾砂的運(yùn)輸、堆積費(fèi)用。減少尾砂排放，實(shí)現(xiàn)國(guó)家“綠色礦業(yè)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，是實(shí)現(xiàn)環(huán)境、資源和諧發(fā)展的內(nèi)在需求。

3.2 節(jié)約土地資源

源鑫礦業(yè)深部尚有資源儲(chǔ)量約150萬t，礦石體重為2.76t/m3，礦石體積約54.35萬m3，按礦石的松散系數(shù)為k=1.5計(jì)，深部空區(qū)體積為36.23萬m3。目前遺留空區(qū)有約70萬m3，按充滿率70%計(jì)算，需砂量為49萬m3。2009年9月底至2012年6月底采出礦石的平均回采率89.9%，貧化率11.3%，按此平均回采率和貧化率計(jì)算，則150萬t資源可采出150×89.9%×（1+11.3%）=150.09萬t礦石，按全尾砂產(chǎn)出率90%計(jì)算，則選廠產(chǎn)出尾砂量為135.08萬t，尾砂體重為2.658t/m3，則尾砂體積為50.82萬m3。全尾礦經(jīng)分級(jí)后50%左右粗顆粒尾砂利用現(xiàn)有分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)充填到井下，剩余的約50%的尾砂利用新分級(jí)溢流尾砂高濃度充填系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)充填，則用于采空區(qū)充填的尾砂約為25.41萬m3。該尾砂體積小于現(xiàn)存采空區(qū)體積，可以滿足采空區(qū)充填的需要。按分級(jí)溢流尾砂產(chǎn)出量500t/d計(jì)算，則年處理尾砂量為16.5萬t，處理尾砂體積6.21萬m3。25.41萬m3的尾砂可以絕大部分用于井下充填。有了全尾砂充填到井下則可以取消建設(shè)150萬方的尾礦干堆庫(kù)，因此，全尾砂充填采空區(qū)可以極大地解決尾礦庫(kù)占地帶來的土地資源浪費(fèi)的問題。

綜上所述，建設(shè)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的充填系統(tǒng)，是維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的需要，也是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，更是國(guó)家建設(shè)綠色礦山的戰(zhàn)略要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞福建源鑫礦業(yè)東際金礦全尾砂充填系統(tǒng)，全尾砂濃密脫水技術(shù)、濃密機(jī)底流尾砂高濃度穩(wěn)定輸出、強(qiáng)制多維湍涌機(jī)械高能攪拌技術(shù)、高可靠性管道輸送技術(shù)，形成全尾砂高濃度充填創(chuàng)新平臺(tái)；研發(fā)礦巖穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，新型錨桿支護(hù)技術(shù)，新型采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與回采順序，全盤無軌機(jī)械化配套作業(yè)機(jī)制，結(jié)合采空區(qū)原態(tài)恢復(fù)治理充填技術(shù)，建立涵蓋區(qū)域、礦種、規(guī)模的綠色開采模式；形成無廢高效綠色采礦、固體廢物利用與處置的福建源鑫全尾砂高濃度示范礦山，推動(dòng)綠色礦山全面發(fā)展。