某鉛鋅礦風化山砂膠結充填系統工藝設計研究

劉明榮

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 前 言

近 30年來，充填法得到了長足的發展，主要的充填方法有水砂充填、廢石充填、混凝土充填、山砂膠結充填、塊石膠結充填、高濃度膠結充填和膏體充填等，特別是膠結充填技術，已日趨成熟。

膠結充填技術已經成為當今充填采礦法的重要組成部分，代表著充填技術的發展方向，既能滿足采礦安全要求，減少地質災害，又有利于環境保護。可以有效降低采礦貧化率和損失率，提高有用礦物的回收率，具有良好的經濟效益和社會效益。

在膠結充填采礦法中，目前尾砂膠結充填占有相當大的比重，能充分利用尾礦資源，減少固體廢料向地表排放，是實現節地、節能、環保的有效途徑，但并不是所有礦山尾砂都適宜用作充填骨料。

河北某鉛鋅礦原采用無底柱分段崩落法開采，采用該采礦方法開采過程中存在礦石貧化損失嚴重、切割井及切割槽形成困難、爆破后懸頂嚴重、礦體含泥及裂隙水導致井下泥石流等問題，基于礦山的實際生產狀況，提出崩落法轉充填采礦法。根據北京礦冶研究總院選廠尾砂分析報告，本礦山尾砂不適宜用作充填骨料。考慮充填成本，進而提出就地取材，采用風化山砂膠結充填，以山砂作為充填骨料，經過破碎、篩分達到-10 mm的粒級組成，與水泥混合制備的膠結充填料漿能夠滿足采礦方法對強度的要求，同時也能滿足泵送的要求。

1 充填材料試驗

充填料漿由風化山砂、膠結料、調濃水組成。

風化山砂：比重2.62 t/m3，-10 mm風化山砂試樣200目粒徑以下顆粒含量不足10%，細顆粒含量較少。2 mm以下顆粒含量累計79%～87%之間，0.5 mm以下顆粒含量累計為35%～41%。

膠結料：PC32.5R水泥。

水：普通自來水。

流變參數：灰砂比1：6，濃度在78%時塑性粘度系數0.1745 Pa·s，屈服應力40.039 Pa；濃度80%時塑性粘度系數0.3775 Pa·s，屈服應力34.804 Pa；80%時塑性粘度系數0.1883 Pa·s，屈服應力47.394 Pa。

泌水率：灰砂比1：6，濃度在78%時泌水率為3.49%；濃度80%時為2.49%；濃度82%時為1.52%。泌水率隨料漿的質量濃度的增大而減小。

灰砂比：根據充填料漿流動性及泌水試驗，76%濃度的充填料漿不適合井下輸送，易發生堵管事故。78%～80%濃度的充填料漿充填時，灰砂比不應小于1：6；82%濃度充填時，灰砂比不應低于1：10。

塌落度：灰砂比1：6，濃度在78%時塌落度27.5 cm，擴散直徑94 cm；濃度80%時塌落度28.5 cm，擴散直徑93 cm；濃度82%時塌落度26 cm，擴散直徑63.5 cm。

單軸抗壓強度：養護期為28 d時，灰砂比1：6，濃度在78%時強度為3.19 MPa；濃度80%時為3.54 MPa；濃度82%時為4.7 MPa。

根據采礦工藝對充填體強度及充填能力的要求，并結合充填材料試驗，推薦采用78%～80%濃度的充填料漿進行充填，灰砂比不應小于1:6。

2 充填工藝方案

充填系統設計能力為80 m3/h，整個充填系統由山砂制備及供料系統、膠結料供給系統、調濃水供給系統、配比攪拌系統、充填管網系統及相配套的控制系統組成。充填工藝流程如圖1所示，主要設備有：顎式破碎機、沖擊破碎機、振動篩、10 m3配料機（含1.5 m3計量斗）、800 mm帶寬皮帶輸送機、3 m3骨料緩存倉、1.5 m3水泥計量稱、1.5 m3水計量稱、3 m3強制式雙軸攪拌機、Φ273螺旋輸送機、200 t水泥倉、30 m3方形緩存待料倉、ZBG120/8充填泵（泵送量120 m3/h，出口壓力8 MPa）。

圖1 充填工藝流程

2.1 山砂制備及供料系統

風化山砂由原料倉進入顎式破碎機，粗破后，用皮帶輸送機輸送至二級破碎工序，采用沖擊破碎機破碎后經皮帶輸送機輸送至振動篩進行篩分，-10 mm粒級的山砂將通過皮帶輸送機輸送至配料機，大于10 mm山砂則通過反向皮帶輸送機返回再次沖擊破碎至合格。山砂由儲料倉卸入計量斗中，累積計量，計量好后啟動供料小皮帶，將料卸入始終運轉的皮帶運輸機，并輸送至骨料待料倉。

2.2 膠結料供給系統

膠結料為散裝水泥，由水泥罐車運至充填站后，通過吹灰管吹入水泥倉中。水泥倉直徑4.5 m，高度12 m，可儲存水泥200 t，以滿足充填系統連續運行要求，水泥倉頂設置人行檢查孔、雷達料位計及透氣式除塵器。

水泥倉底部設置螺旋輸送機，充填時啟動螺旋輸送機，將水泥輸送至水泥稱，再由水泥稱向攪拌機定量供給水泥，灰砂比在1:6～1:20可調，以滿足不同充填體強度。

2.3 調濃水供給

充填站設一條供水管路，由高位水池供給，以調節充填料漿濃度、沖洗設備、疏通管道，調濃水量由高位水池供給水計量稱進行計量。

2.4 充填料漿制備與輸送

當山砂、水泥、水計量完畢后，打開骨料待料斗卸料口，將骨料卸入攪拌機內，延時5 s后，將計量后的水泥、水等一起卸入攪拌機內攪拌，攪拌好的料漿由卸料口輸出，完成一個工作循環程序，工序約耗時90 s。為了保證充填的連續性，設計增加料漿緩存倉。即料漿經攪拌機攪拌均勻后，存入料漿緩存倉，通過導料槽卸料至充填泵。

充填料漿最終通過充填泵的壓力輸送，經充填鉆孔及井下充填管網輸送至井下采空區進行充填。充填主管為DN125陶瓷復合鋼管。

2.5 系統自動化控制

為了保證充填料漿濃度、配比的準確并且穩定，實現料漿順利輸送，充填站設立較為完善的自動化控制系統，完成從配料至充填泵的所有電器設備的自動化控制。該自動化控制系統由以下四部分組成。

（1）電機控制系統：構成生產線所有電機的主回路系統。

（2）PLC控制系統：采用可編程控制器和以太網通訊，實現對操作臺、生產線電器設備的控制。

（3）上機位監控系統：采用配有監控組態軟件的臺式機進行實時監控。

（4）就地手動控制系統：用于主要設備的就地調試、檢修及事故急停。

3 結 論

（1）根據充填材料試驗，以風化山砂作為充填骨料，制備的砂漿濃度高，泌水少，基本無水泥離析現象，可形成高強度的充填體。

（2）針對礦山尾砂不適宜用作充填骨料，為降低充填成本，考慮就地取材，研究開發出風化山砂膠結充填工藝與技術，與高濃度全尾砂（泵送）充填系統相比，該系統簡單易操作，占地面積小，建設周期短，投資相對小。特別適用于尾砂不宜用作充填料或者尾砂量不足的充填采礦法礦山，具有良好的社會效益和推廣價值。