丘卡盧-佩吉銅金礦臨時充填系統工藝及試驗研究

王剛 ，張峰 ，康瑞海 ，陳繼倫 ，張念超

(1.紫金礦業集團股份有限公司， 福建 廈門市 364200；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；4.塞爾維亞紫金礦業有限公司， 塞爾維亞 波爾市)

0 引言

2010—2012年是礦業市場的一個高峰時期，我國采礦業對外直接投資發展較為迅速[1]。受當地政局穩定性、當地相關政策、金屬價格波動等多方面因素影響，國際市場礦業投資整體呈現較高的風險性[2]。對外投資的礦山相比國內多數礦山而言，其儲量大、金屬品位高，因此礦山往往需要盡快進行礦石開采以便資金的回收。充填采礦法作為一種環境友好型的采礦方法，加上其能顯著提高礦石回采率，近些年來成為了礦山開采中的最主要方法。充填采礦法的核心內容之一在于充填系統的搭建，以便對采空區進行及時回填，推進下一個開采循環[3-7]。對大中型礦山而言，傳統的充填站建設由于涉及到深錐濃密機、立式砂倉等大型混凝土構建筑物，其建設周期往往較長，若再遇到突發事故，建設周期進一步拉長，則會對整個采礦建設規劃造成較大影響。此時，臨時性的充填應對措施對國外投資新礦山的生產保障顯得尤為重要。

臨時性的充填應對措施在國內外的報道及應用較少，鑒于此，針對丘卡盧-佩吉銅金礦實際情況，結合多年的充填設計應用經驗[8-12]，研發了粗骨料臨時充填系統，該系統建設投資少、應用快、效果好，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過渡期間對井下充填的需求問題。

1 項目背景

丘卡盧-佩吉銅金礦位于塞爾維亞東部的 Bor市南部，隸屬于Bor市管轄。項目由紫金礦業集團股份有限公司旗下全資子公司塞爾維亞紫金礦業有限公司開發建設。

丘卡盧-佩吉銅金礦設計開采規模為 10000 t/d，330萬 t/a。礦山分為 3個采區（-30～-440 m），從上至下品位逐漸降低，礦山資源總量為3851萬t，銅金屬為122.64萬t，平均品位為3.18%，金金屬為 77324 kg，平均品位為 2.01 g/t。

一采區（-140 m以上）采用上向進路充填采礦法，二采區（-140～-260 m）主要采用分段充填采礦法，三采區（-260 m以下）采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。設計充填方式為全尾砂膏體膠結充填。目前礦山正在做基建準備工作，主皮帶道、主斜坡道、主進風井、主回風井正在施工，在2020年底-80 m中段已初步形成出礦能力，可滿足投產要求。-80 m中段礦石品位高，礦體穩固性差，經論證需采用上向進路充填采礦法，其進路尺寸確定為5 m×5 m。由于該水平為首采分層，為了提高礦石回采率，其充填體強度需達到R3≥1.5 MPa，R7≥2.5 MPa，R28≥5.0 MPa。

但受多種因素影響，永久充填站的充填鉆孔施工未能按進度計劃完成，從而使充填系統投入生產運行的時間相對滯后。為使采礦作業按計劃進行，有必要在永久充填站建成投入使用前建設一套臨時充填系統，對-80 m首采分層進路進行及時充填，使其充填能力滿足前期采礦能力要求，充填質量滿足首采分層進路充填體強度要求。

在臨時充填系統投入使用前需進行充填材料實驗室試驗研究，測定各物料的基本物化參數、充填料漿流變參數及輸送性能，同時進行強度配比試驗，從而確定充填料漿制備輸送參數，給充填系統設計及技術經濟計算分析提供依據。

2 臨時充填系統工藝研究

根據丘卡盧-佩吉銅金礦周邊情況的調研，綜合考慮基建投資、臨時充填系統使用期限、首采分層充填體強度要求等問題，決定以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，可用的充填骨料有A、B、C 3種粗骨料及JM尾砂，膠凝材料選用當地的硅酸鹽425水泥，地表路線部分充填料漿由水泥攪拌運輸車裝載輸送，最后通過鉆孔及井下管網自流輸送至-80 m首采分層采空區充填。充填工藝流程見圖1。

圖1 充填工藝流程

根據充填所用原料性質和組成，混凝土攪拌站不需要進行改造，料漿制備時采用原有的操作方式，考慮下料斗處車輛間的倒運時間，在實際充填過程中會出現短暫斷料的現象。混凝土攪拌站與臨時充填鉆孔下料斗存在一定距離，車輛輸送需要一定時間，為防止堵管現象發生，應根據單輛混凝土攪拌運輸車下料時間適當增加運輸車輛的數量，以滿足料漿的連續下放。實際生產過程中，可對料漿下放速度做適當調整，以提高其充填能力。

該充填系統的工藝特點在于可以充分利用周邊混凝土攪拌站，無須建站，并可靈活選擇混凝土攪拌站的來源和數量，以提高充填制備能力，可以擺脫對單一攪拌站的依賴，通過多方供料，實現井下采場的充填需求，如圖2所示。

圖2 多方供料充填

3 臨時充填系統試驗研究

根據上述充填工藝內容，可知臨時充填系統順利運行的關鍵在于充填配比的確定，該配比下的充填料漿需要同時滿足輸送安全性及對應齡期下的強度要求。根據現場試驗條件，主要進行了坍落度及強度試驗。

3.1 坍落度試驗

在丘卡盧-佩吉銅金礦臨時充填系統料漿制備過程中，采用的充填骨料為3種粗骨料和JM尾砂。為保證料漿在輸送過程中具備良好的流動性及一定的抗離析能力，特此開展了不同灰砂比下不同骨料比例組合的充填料漿坍落度試驗，具體實驗方案及結果見表1。

表1 充填坍落度試驗結果/cm

從表1的試驗結果可知：

（1）在充填骨料主要為A和B，灰砂比為1:6時，料漿坍落度隨濃度變化較快，且容易產生離析現象。

（2）灰砂比為1:4，當骨料全部為A時的坍落度曲線比骨料為A、B按比例添加情況下要緩和，即可選及控制的濃度范圍較大，為78%～82%。

（3）當采用C和JM 礦全尾砂按比例添加作為充填骨料時，在1:6灰砂比下，料漿坍落度在濃度為80%～82%時的變化較平緩。

根據上述分析，可初步確定3種可行的充填配方，即：

（1）配比一，采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%～82%；

（2）配比二，采用C：JM全尾砂=7:3作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%～82%；

（3）配比三，采用C：JM全尾砂=6:4作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%。

3.2 強度試驗

根據坍落度試驗結果，各配比下充填料漿的充填強度試驗方案與試驗結果見表2。

表2 臨時充填系統試驗方案及結果

由表2可得出以下結論：

（1）充填體強度隨著充填濃度上升而增大。當充填濃度從82%上升至84%時，充填體強度增幅明顯，但根據坍落度試驗結果可知，各骨料配方下的料漿流動性較差，為保障輸送的安全性，實際充填過程中不宜使濃度達到84%。

（2）充填體強度隨著齡期增長而明顯增大。在骨料配方為A時，以充填濃度82%為例，齡期從3 d上升到7 d時，充填體強度從3.53 MPa上升到6.44 MPa，強度增加幅度為82.4%；齡期從7 d上升到28 d時，充填體強度從6.44 MPa上升到9.6 MPa，強度增加幅度為49.1%。

對比充填濃度為82%的不同粗骨料添加比例方案的強度可知，在灰砂比為1:6條件下的充填體28 d強度無法達到設計要求的5 MPa，隨著粗骨料C與尾砂添加比例的變化（從6:4變化到7:3），其充填體強度有小幅度上升，28 d強度從2.95 MPa上升到 3.18 MPa，上升幅度為7.8%。由此可知，在相同灰砂比的情況下，隨著粗骨料C添加比例的上升，充填體強度變大但幅度較小，這種情況下仍需增大水泥添加量方能達到充填體設計強度。

而由第一組骨料全部為A的坍落度及強度試驗結果可知，在灰砂比為1:4情況下，充填體強度在濃度80%時已經超過了5 MPa，且此時的坍落度值為29.1 cm，完全可以作為臨時充填系統的主配方使用。雖然在粗骨料C與尾砂以一定比例添加作為充填骨料的方案中，可以繼續通過調整灰砂比及粗骨料添加量來適配出合適的充填體強度，但在實際應用過程中，尾砂的添加增加了臨時充填系統工藝的復雜性，且含水尾砂在配料斗下放至稱重皮帶的過程中易造成結拱現象。因此，為保障臨時充填系統的穩定性，在充填要求工期緊、充填站預制漿系統即將投產使用等因素背景下，可不再消耗大量時間適配出尾砂添加方案。

通過上述試驗及分析，得出了臨時充填系統的料漿制備配方，即采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%。

4 現場應用情況

該臨時充填系統建設投資主要為臨時充填鉆孔施工及井下管網的鋪設，相比常規建站充填投資而言，成本降低了60%以上。當井下管網鋪設完成、充填鉆孔及下料斗施工完畢后，即可開始試充填作業。在調試完畢后，2021年5月4日至2021年5月10日的充填作業數據統計見表3。

表3 臨時充填系統作業數據統計

由表3可知，該臨時充填系統能力在運行初期即可達到60 m3/h。另外，可通過增加料漿供應商數量及攪拌運輸車數量來進一步加快單車下料時間，協調各混凝土攪拌站供料時間來提高充填作業時間，以提高單日充填總方量，滿足井下充填需求。

由現場的應用效果可知，該臨時充填系統作業方式靈活，可以較好地滿足過渡期間的充填采礦需求，保障采礦作業規劃，為國內外礦山相似情況充填作業提供一定的參考價值。

5 結論

（1）針對丘卡盧-佩吉銅金礦實際情況，采用了以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，粗骨料+水泥為充填材料，充填料漿由水泥攪拌運輸車聯合鉆孔及井下管網輸送的方式，形成了一套靈活多變、效果好的臨時充填系統，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過渡期間對井下充填的需求。

（2）通過對丘卡盧-佩吉銅金礦周邊可用充填材料情況調研，結合臨時充填工藝情況，在現場坍落度及強度試驗結果基礎上，給出了臨時充填系統的料漿制備配方，即采用粗骨料A作為充填骨料，灰砂比為 1:4，充填濃度為 80%。此時的料漿坍落度值為 29.1 cm，充填體 28 d 強度為 7.48 MPa。在保障輸送安全性的前提下，滿足了充填體強度的要求。

（3）根據該套臨時充填系統現場應用情況可知，該臨時充填系統建設投資主要為臨時充填鉆孔施工及井下管網的鋪設，相比常規建站充填投資而言，成本降低了60%以上，建設工期也大幅度縮短。該臨時充填系統能力在運行初期即可達到 60 m3/h的充填能力，為國內外礦山相似情況充填作業提供了一定的參考價值。