河東礦區細尾砂膠結充填工藝優化改造及應用

張潤達 李志海

摘要：蠶莊金礦河東礦區選礦廠尾礦分級后的粗尾砂充填至井下采空區，其余溢流細尾砂全部堆存至尾礦庫。針對河東礦區尾礦庫已基本飽和，且井下排水量大，采礦回采率低等問題，進行了細尾砂膠結充填工藝優化改造，并詳細介紹了充填工藝改造過程。細尾砂膠結充填工藝投入運行后，大大減少了礦山固體廢物的排放量，實現了無尾化礦山生產，從根本上解決了尾礦庫無法建設的問題，提高了采礦回采率，每年可創造經濟效益約470萬元，效果較好，可供同類型礦山參考借鑒。

關鍵詞：分級尾砂;細尾礦;膠結充填;無尾礦山;采礦回采率;充填工藝

引 言

目前，多數黃金礦山企業的排尾方式是將60 %的分級粗尾砂用于井下充填，40 %的細顆粒及泥質尾砂排放到尾礦庫。近年來，隨著國家和地方環保政策、土地政策的逐年收緊，新建尾礦庫的審批越來越難，導致尾礦排放問題極為緊迫，未來將嚴重影響礦山的正常生產。如何處理尾礦問題成為礦山企業面臨的頭等大事，關系到礦山的生存和可持續發展[1]。

招金礦業股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）河東礦區位于山東省招遠市城區北西30 km，行政區劃屬招遠市蠶莊鎮。蠶莊金礦河東礦區目前在使用的尾礦庫有1座，選礦廠尾礦除分級后的粗尾砂充填至井下采空區外，其余溢流細尾砂全部堆存至尾礦庫。該尾礦庫已使用多年，雖然經過幾次擴容改造，但是到2017年底已經處于飽和狀態，難以再接收尾礦的排放。河東礦區采用分級粗尾砂水砂充填，濃度30 %～50 %，水砂充填體強度低，采用上向水平進路充填采礦法回采的過程中，布置多個平行進路時需采用預留隔離礦柱、再后退式回收礦柱的回采方法。在實際生產過程中，由于礦壁穩定性差且易破碎、回收難度大，導致采礦回采率較低;同時由于充填濃度較低，導致大量的水同時充填至井下，造成排水成本增加，充填水中攜帶大量分級不良的泥漿，給文明生產及排水系統的穩定運行帶來極大影響。因此，亟需對充填工藝進行優化改造，以達到減少尾砂排放，提高采礦回采率，實現無尾化礦山生產的目的。

1 工程背景

蠶莊金礦河東礦區地層簡單，除第四系外，皆為膠東群變質巖系。第四系廣布，由亞砂土、砂質黏土、含礫砂土及礫石組成，厚度4～13 m。膠東群英莊夼組：露頭很小，多見于鉆孔，呈大小不等、形態不一的巖塊狀，主要巖性為混合巖化斜長角閃巖。混合巖化斜長角閃巖呈深灰色—灰黑色，纖狀花崗變晶結構，塊狀、斑雜狀構造。礦物成分主要由斜長石（35 %～40 %）、角閃石（40 %～50 %）、輝石（4 %）組成。混合巖化形成的長英質脈體順層貫入，形成黑白相間的條紋或條帶[2]。河東礦區采用上向水平進路充填采礦法回采，分級粗尾砂充填（非膠結），充填濃度30 %～50 %，由于非膠結充填體強度低，當礦體較寬，需要布置多個平行進路時，需預留隔離礦柱，充填后采用后退式回收的處理方法。

2 尾砂處置方案優選

為解決尾礦庫庫容飽和及水砂充填質量差的問題，自2017年底河東礦區先后提出了新建尾礦庫、尾砂壓濾濃密干排和細尾砂膠結充填工藝等3套方案，并對尾砂處置方案進行了論證和考察，通過對比獲得最優方案。

1）新建尾礦庫。新建尾礦庫可以“一勞永逸”，短期內不用考慮尾礦的去向問題。但是，前期投資大，建設庫容200萬m3的尾礦庫，預計投資近5 000萬元;后期運營成本高，預計每年運營成本200萬元;且安全風險高，環保壓力大。

2）尾砂壓濾濃密干排。該方案的優點為脫水效率高，后期運營成本低。但是，前期投資大，隔膜壓濾機+深錐濃密機的初步方案投資約2 386萬元，需要大面積的干排場地堆存，環保風險大。壓濾后的全尾砂綜合利用率低，商業利用價值存在不穩定性。而且關鍵問題是無法取得干排征地，干排后土地治理難度及投資巨大。

3）細尾砂膠結充填工藝。細尾砂膠結充填工藝打破了原有的黃金礦山水砂充填和粗尾砂膠結充填的模式。借助新型的尾砂膠結材料將70 %的溢流細尾砂（325目以上）快速凝結，充填至井下。剩余30 %的粗尾砂，利用旋流器分級后加工處理為高硅材料，作為制作陶瓷、建材的原材料，最終實現尾礦零排放。該方案的優點主要有：

（1）能夠解決細尾砂充填無法達到膠結強度要求的問題，解決了前端粗尾砂綜合利用后細尾砂的去向問題，實現無尾排放。

（2）解決河東礦區采用非膠結充填導致的采礦損失貧化高的問題。導致采礦損失貧化高的主要原因：一是高品位粉礦損失;二是礦柱損失;三是尾砂混入礦石中。

（3）解決非膠結充填影響采礦回采率的問題。

（4）解決非膠結充填采場穩固性差的問題，為采礦方法研究提供條件。

（5）解決非膠結充填井下生產環境差的問題，提高礦石質量。

（6）充填濃度提高，泌水率降低，減少井下排水量，降低排水費用。

（7）投資小、見效快，河東礦區充填系統改造費用為460萬元、充填管路費用為340萬元，加上充填鉆孔、零星基建銜接工程等費用共約800萬元，對目前使用的充填系統改造具有較高的復制意義。

但是，這會導致充填成本增加，對井下生產與充填協調程度要求較高。

通過3套方案先進性、經濟性等的比較，河東礦區最終選擇采用細尾砂膠結充填工藝方案。

3 細尾砂膠結充填工藝優化改造及應用

在原有充填系統的基礎上進行工藝優化改造。新增新型旋流器組完成尾礦的前端分級，對原有砂倉進行內部倉壁鋼制倉體改造和風水造漿設備改造，實現細尾砂的濃密沉降，最終實現細尾砂砂倉底流濃度55 %以上。此外，通過對原有水泥倉進行改造，新增絮凝加藥系統、活化攪拌系統、自動化控制系統，施工集中充填鉆孔等完成整個工藝的銜接。

3.1 充填設施現狀

1）砂倉。因年久失修，砂倉的倉體、倉底出現了不同程度滲漏，倉底放礦管道銹蝕嚴重;通向砂倉頂部的鋼梯銹蝕已有破損，危及現場工作人員的安全;倉底結構為半球體，為避免尾砂壓倉，確保放砂順暢，通過造漿管道加入大量的水，導致放礦濃度相對較低，影響充填體強度和質量，同時井下充填體大量滲水導致工作環境惡劣，也加大了井下排水的運行成本。07803710-7422-4210-B226-3B3F549DC61A

2）水泥倉。采場充填采用的是水砂充填，因此水泥倉已經近20年沒有使用，倉頂除塵設備已經損壞失效，倉底輸送水泥設備也無法使用。

3.2 工藝流程

1）選礦廠全尾砂輸送至旋流器進行尾砂分級，目前旋流器分級比例初步設定為50 %，可根據尾砂具體用量進行不同分級比例的調節。

2）分級尾砂（粗尾砂）輸送至尾砂綜合處理設備脫水后銷售，溢流細尾砂輸送至充填制備站立式砂倉。

3）溢流細尾砂通過砂倉投加絮凝劑進行絮凝沉降，溢流水自流至儲水池用于充填管道沖洗及選礦廠生產。

4）沉降后的高濃度細尾砂自流至立式攪拌桶，水泥倉中的散裝膠結材料由微粉秤送到攪拌桶，按一定配比與尾砂漿充分攪拌均勻，并經過高速攪拌機二級攪拌后形成濃度45 %～65 %的充填料漿（該濃度考慮在滿足充填體強度要求下，盡可能加大自流輸送的充填倍線情況下確定）。充填料漿經鉆孔自流至井下采空區，部分需由充填泵輸送至采空區進行充填。

3.3 膠結充填工藝改造

根據設定的充填工藝流程，結合河東礦區的生產現狀與充填條件，采用“整體設計、分步改造、粗細分級、膠結充填”的技術思路實施優化改造。設計2套充填系統，單套系統設計規模50 m3/h，24 h連續工作。充填站單套系統配套2個立式砂倉，設置2個充填鉆孔，1用1備，1座水泥倉（2套系統共用），1臺立式攪拌桶，1臺高速活化攪拌機，以及相應管道系統和控制系統。河東礦區充填系統見圖1。

3.3.1 1#、2#立式砂倉

1）將砂倉底部改為鋼制錐體，錐角45°，提升放砂濃度及穩定性[3]。

2）在砂倉頂部增設消力桶及進料桶。消力桶能有效降低進砂管的流速，進料桶能保證尾砂切線進入砂倉，提高絮凝劑與尾礦的反應效果，同時避免高速尾砂直接進入砂倉對澄清層及壓縮區的高濃度尾砂產生影響。

3）砂倉增設鋼制溢流槽，槽外側邊緣安裝三角堰板，使砂倉溢流均勻，保證溢流水水質。

4）將造漿改為風水聯動造漿，造漿管道采用環向和列向相結合的布置方式，確保造漿流態盡可能與漿體流動方向一致，進一步提高放礦濃度。

5）砂倉進礦、排礦管道上安裝流量、濃度檢測儀表，通過分析數據有效控制來料的穩定性和絮凝劑的加入量。

3.3.2 尾砂絮凝沉降

為加速細顆粒在砂倉內的沉降，提升溢流水水質，充填站內設絮凝劑自動投加設施，參考前期砂倉絮凝沉降模型的試驗資料，科學定量地投加絮凝劑。砂倉溢流水作為充填管道及設備沖洗用水儲存在1 000 m3 儲水池內，多余水進入選礦廠水池作為生產用水。

3.3.3 充填料漿攪拌

為充分發揮膠結材料的作用，降低充填成本，充填料漿攪拌采用二級攪拌。一級攪拌采用立式攪拌桶，二級攪拌采用GJ509.JC型高效活化攪拌機。按充填要求將一定配比的膠結材料和尾砂漿充分攪拌均勻。

3.3.4 充填料漿輸送

1）充填鉆孔。充填鉆孔設置在地表充填站，共2個，1用1備。由地表57.7 m至井下-300 m中段，充填豎管采用D133 mm×8 mm的16Mn鋼管，安裝在充填鉆孔內。-300 m中段設置充填鉆孔硐室，并布設充填管路聯絡巷與-300 m中段主巷貫通。

2）充填管路。充填主管道采用D114 mm×8 mm的16Mn鋼管或滿足壓力要求的鋼編管。進入采場的充填支管可采用普通焊接鋼管或超高分子量耐磨塑料管。

3.4 施工注意事項

1）要解決前端30 %～50 %粗尾砂的利用問題，必須配套粗尾砂處理系統，才能夠進行商業化利用。

2）要對現有砂倉進行改造，建立沉降模型。解決細尾砂沉降速率慢的問題，提高底流濃度。可以采取多個砂倉交替輸送砂漿或借鑒膏體充填濃密機，與現有砂倉配合使用等措施，以達到理想的穩定造漿效果。

3）調度好采充平衡問題。要有備用的、應急的采空區，以應對生產調節不平衡出現的無采空區可充的情況。建議對礦山的廢棄采空區進行摸排治理。另外，根據目前建筑用石料的市場前景，可以在井下進行規模化采石，形成備用采空區。但是，目前僅為設想階段，要具體利用還需進行成本效益核算，從長遠來看，規模化生產基本可以實現效益平衡，同時形成采空區，解決尾礦堆存問題。

4）要達到各種細尾砂膠結充填工藝的最佳效果，關鍵要保持充填系統的穩定性。其中，要注意3個方面的穩定：一是充填材料的穩定，包括膠結材料的穩定、骨料級別配比的穩定、骨料礦物性質的穩定;二是充填參數的穩定，包括濃度、配比、流量等指標的穩定;三是采場充填的穩定，包括下料點的布置、脫水管的布置等。在細尾砂膠結充填管理中，對各種影響穩定性的環節進行管控分析，逐步完善管理制度，以實現高濃度細尾砂膠結充填的良好效果。

3.5 經濟效益分析

細尾砂膠結充填系統完善運行后，大大減少了礦山固體廢物排放量，實現無尾化礦山生產，從根本上解決了尾礦庫飽和的問題，節省了尾礦庫征地、建設和維護費用，同時也避免了可能造成的大氣、水體、土壤等的污染問題。

在生產方面為采礦方法研究創造了條件，提高了采礦回采率，減少了粉礦流失，減少了混入礦石中的尾砂量，提高了礦石質量，改善了選礦車間作業條件;同時充填濃度提高，減少了充填用水量，優化了排水系統，改善了井下文明生產環境;充填質量提高，增強了采場穩固性，提高了采場作業安全性，具有較廣的應用前景。

以河東礦區生產能力50萬 t/a進行經濟效益計算，每年減少井下排水量10萬m3，節約排水用電費用20萬元;采礦回采率提高2百分點，每年多回收礦石約10 000 t，價值 450萬元;每年減少尾砂混入量約12 000 t，礦石入選品位提高0.1 g/t，每年創造效益約1 300 萬元;采用膠結材料增加費用約1 500萬元，減少尾礦庫運營費用200萬元。綜合計算，采用細尾砂膠結充填，每年創造效益約470萬元。07803710-7422-4210-B226-3B3F549DC61A

4 結 語

蠶莊金礦河東礦區通過實施細尾砂膠結充填工藝，完成了不同采礦方法、不同尾礦分級比例下，膠結體的配比及各項試驗數據的收集工作，實現了整個系統的穩定運行。細尾砂膠結充填工藝的整體投入成本不高，可以在較短時間完成研究并實施，可解決當前在尾礦處理、充填生產中的難點、重點問題，可在較短時間內產生經濟效益。運用科學管理協調采選之間的矛盾，實現礦山生產不依賴尾礦庫的格局。實現尾礦綜合利用、無尾礦山是礦山行業的必然趨勢。該項目符合國家政策指引方向，順應了綠色礦山的發展趨勢，符合經濟發展方向，具有良好的社會效益及經濟效益，具備較高的經濟及政策可行性，值得推廣。

[參 考 文 獻]

[1] 蔡嗣經，王洪江.現代充填理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2012：20-26.

[2] 薛歡歡，尹鵬浩.河東礦區資源儲量核實報告[R].煙臺：山東金山地質勘探股份有限公司，2018：12-17.

[3] 王新民，肖衛國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術[M].長沙：中南大學出版社，2005：110-117.

Optimization，modification and application of cemented

fine tailings backfilling process? in Hedong mining area

Zhang Runda1，Li Zhihai2

（1.Zhaoyuan Guoxin Asset Management Co.，Ltd.;

2.Canzhuang Gold Mine，Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：The graded coarse-grained tailings from the ore-dressing plant in Hedong mining area of Canzhuang Gold Mine was backfilled into the goaf，and the remaining overflow fine tailings are all stored into the tailing pond.In view of the fact that the tailing pond in Hedong mining area has been basically saturated，and the drainage volume in the shaft is great and the mining recovery rate is low，the optimization and modification of the cemented fine tailings backfilling process are carried out.The paper details the modification process of filling process.After the cemented fine tailings backfilling process is put into operation，the discharge of solid waste from mines is greatly reduced，realizing the mine production free of tailings，fundamentally solving the inability to construct tailings pond，improving the mining recovery rate，creating economic benefits of 4.7 million yuan/a and indicating good results.The process can be referred to by similar mines.

Keywords：graded tailings;fine tailings;cemented filling;mine without tailings;mining extraction rate;filling process07803710-7422-4210-B226-3B3F549DC61A