膏體濃縮充填工藝在中鋼山東礦業(yè)公司的應(yīng)用

劉 濤

(中鋼集團山東礦業(yè)有限公司)

引 言

目前，國家對環(huán)保及安全工作的全力整治，給礦山生產(chǎn)經(jīng)營工作提出了更高的要求。尤其是在井下采空區(qū)治理及尾砂排放工作中，原有粗放型的生產(chǎn)模式明顯不適用于新型礦山建設(shè)及生產(chǎn)過程[1-2]。近年來，隨著部分礦山采空區(qū)塌陷事故的發(fā)生，井下采空區(qū)治理成為礦山安全管理的重要內(nèi)容。另一方面，尾礦庫占用大量土地資源，對周邊生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞。一到雨季，尾礦庫也存在巨大安全隱患。因此，尾砂處理工作也隨之提到了重要的位置[3-5]。

為了切實解決上述問題，中鋼集團山東礦業(yè)有限公司(下稱“中鋼山東礦業(yè)公司”)將采空區(qū)治理及尾砂綜合利用結(jié)合起來進行綜合研究，形成了一套系統(tǒng)的充填及尾砂處理方案——膏體濃縮充填工藝，即選礦后產(chǎn)生的尾砂，經(jīng)旋流器分級，溢流細(xì)粒級尾砂經(jīng)“砂倉+膏體濃密機”濃縮后，加入膠結(jié)材料，自流充填至井下采空區(qū)。底流大顆粒尾砂一部分充填井下采空區(qū)，穩(wěn)定井下巖體結(jié)構(gòu)，剩余部分尾砂脫水后作為建筑材料，回收再利用，整個礦山不再向外排放尾砂，實現(xiàn)了礦山綠色開采。

1 工程背景

中鋼山東礦業(yè)公司成立于2006年，鐵礦石儲量7 916萬t，平均地質(zhì)品位30.52 %，開采方式為地下開采，生產(chǎn)規(guī)模200×104t/a，服務(wù)年限40 a。礦區(qū)地表有公路、村莊、光纜等設(shè)施，所以必須控制巖移不會波及到地表或其最大變形量不會超過地表被保護對象的允許值，從而達到保護地表的目的。根據(jù)該礦區(qū)內(nèi)被保護對象的性質(zhì)，針對不同的保護要求，分別采用空場充填采礦法和上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法進行回采，以防止地表塌陷[3]。

2 膏體濃縮充填工藝及其應(yīng)用

2.1 充填材料及尾礦量計算

充填材料主要是選礦廠生產(chǎn)的尾砂，經(jīng)分級濃縮后(濃度約為64 %)，與膠結(jié)材料共同進入攪拌桶，充分?jǐn)嚢韬螅?jīng)鉆孔自流至井下采空區(qū)。膠結(jié)材料與尾砂配比分為2種：一種是充填體(主要起填充作用)，其配比為1 ∶20；另一種是上部膠結(jié)面(主要起骨架支撐作用，強度要求不低于2 MPa，厚度不低于0.5 m)，其配比為1 ∶8。這樣既保證充填體總體強度，又節(jié)約了成本。

1)尾礦量。選礦廠細(xì)粒尾礦經(jīng)再選后剩余尾礦(進旋流器)量為131.68萬t/a，折合195.96 t/h(按年工作日280 d，每天24 h計)。

3)剩余尾礦量。經(jīng)過充填后，剩余的尾礦量為36.57萬t/a，折合54.43 t/h(按年工作日280 d，每天24 h計)，占進旋流器尾礦量的27.77 %。

4)膏體濃縮底流濃度。根據(jù)旋流器溢流流變性試驗研究結(jié)果，膏體濃縮底流濃度不應(yīng)超過65 %，設(shè)計膏體濃縮底流濃度為64 %。

5)膏體濃密機處理尾礦量。進入膏體濃密機尾礦量占再選后尾礦量的40 %，干礦量為52.67萬t/a，折合78.38 t/h(按年工作日280 d，每天24 h計)。

2.2 充填工藝流程

選礦廠尾礦經(jīng)過渣漿泵輸送至旋流器進行分級，旋流器溢流自流進入膏體濃密機進行膏體濃縮，濃縮后底流自流給入現(xiàn)有充填系統(tǒng)的攪拌機用于井下充填；膏體濃密機的溢流作為循環(huán)水返回選礦廠使用[6-7]。旋流器底流根據(jù)充填量的需要，一部分直接用于充填，一部分自流進入脫水篩，脫水后得到的粗砂進行干堆。用于充填的膏體濃密機底流和部分旋流器底流均自流給入現(xiàn)有充填系統(tǒng)攪拌機，加入膠結(jié)材料混勻后，經(jīng)鉆孔自流到達井下上水平中段，經(jīng)水平管道輸送至井下采空區(qū)。

膏體濃密機的底流用于采空區(qū)充填，膏體濃密機的溢流可返回選礦廠作為循環(huán)水使用，脫水篩的篩上物料用皮帶機輸送至干堆場地進行干堆，擺脫了選礦廠對尾礦庫的依賴。

目前，采用的“砂倉+膏體濃密機”濃縮方案礦漿流程如圖1所示。

圖1 “砂倉+膏體濃密機”濃縮方案礦漿流程

2.3 系統(tǒng)布置

目前，采用的“砂倉+膏體濃密機”濃縮方案系統(tǒng)布置平面圖和立面圖如圖2、圖3所示。膏體濃縮充填系統(tǒng)占地面積約200 m2，采用平地式布置，主要由旋流器、膏體濃密機、絮凝劑制備及添加裝置構(gòu)成。旋流器和絮凝劑制備裝置均布置于膏體濃密機頂部，便于旋流器溢流和制備好的絮凝劑自流進入膏體濃密機脫氣槽。

圖2 “砂倉+膏體濃密機”濃縮方案系統(tǒng)平面圖

圖3 “砂倉+膏體濃密機”濃縮方案系統(tǒng)平面剖面圖

地表至井下共有4個鉆孔，鉆孔內(nèi)敷設(shè)高強度耐磨管(石油套管)，規(guī)格φ200 mm×20 mm。主輸送管采用拖泵管，規(guī)格φ130 mm×5 mm，敷設(shè)在上中段運輸巷內(nèi)。支管為塑料軟管，規(guī)格φ110 mm×5 mm，沿上中段的回采進路敷設(shè)到采空區(qū)最高處，每個礦房使用2根。充填倍線為6～9，個別地點可達到10。

2.4 存在的問題及改進措施

2.4.1 存在問題

尾砂進入膏體濃密機，經(jīng)過沉降后，自流進入立式攪拌機，加入膠結(jié)材料，攪拌均勻后，經(jīng)鉆孔自流進入井下采空區(qū)，充填采空區(qū)。但在膏體濃密機內(nèi)部，尾砂沉降時，如果沉淀時間過長，或倉內(nèi)料位過高，導(dǎo)致砂漿流動性大大降低，容易造成壓倉、堵管現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能在倉內(nèi)形成穹頂，使倉內(nèi)上下物料循環(huán)受阻，上部物料無法順利沉降到底部，造成嚴(yán)重壓倉。

經(jīng)過一段時間的運行，發(fā)現(xiàn)影響砂漿流動性的因素主要有以下幾個方面：

1)倉內(nèi)料位過高，對倉底的壓力加大，底部物料板結(jié)，濃度加大，流動性大大降低，造成放倉困難(即壓倉現(xiàn)象)。

2)因檢修、停產(chǎn)等原因長時間停機也會出現(xiàn)上述情況。

3)大顆粒進入倉內(nèi)，沉降到底部后，影響砂漿流動性。

4)旋流器溢流進入膏體濃密機的細(xì)粒級尾砂，加入絮凝劑沉降后，因其粒度較小，加之絮凝劑作用，其流動性大大降低。

2.4.2 改進措施

1)砂倉底部安裝反沖水閥門，放倉困難時，利用反沖水壓力破壞砂漿板結(jié)形成的塊狀結(jié)構(gòu)，降低砂漿濃度，從而使砂漿順暢自流進入攪拌桶。

2)加裝分級設(shè)備，提前清理物料中的大顆粒、雜質(zhì)等，提高砂漿質(zhì)量，確保砂漿流動性良好。

3)控制倉內(nèi)料位，避免料位過高、底部壓力過大造成的下部砂漿板結(jié)。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，倉內(nèi)料位控制在16～28 m較為合適。

4)定時動倉，超過6 h即放倉約1 h，可有效避免物料板結(jié)。

2.5 應(yīng)用效果

1)節(jié)約尾礦外排費用。采用之前的充填方式，粗粒尾礦充入井下，細(xì)粒尾礦需要外排或在臨時堆場堆存，尾礦外排費用按照15元/t計算，細(xì)粒尾礦在尾礦庫堆存的費用為548.55萬元/a。

2)出售建筑砂效益。干堆的粗粒尾砂可作為建筑砂出售。建筑砂或水泥原料按20元/t計算，剩余的粗粒尾砂量為36.57萬t/a。粗粒尾砂出售所產(chǎn)生的效益為731.40萬元/a。

3)回水抵消成本。膏體濃密機的溢流清水量為406.51 m3/h，水成本按照1.5元/m3計算，每年回收清水抵消成本為409.76萬元(按年工作日280 d，每天24 h計)。

綜上，尾礦膏體濃縮充填工藝實施后，尾礦處理費用每年可產(chǎn)生效益1 689.71萬元，扣除該項目年新增成本557萬元后，可產(chǎn)生經(jīng)濟效益1 132.71萬元/a。

2.6 適用性分析

在實際生產(chǎn)運行中，細(xì)粒級尾砂充填占充填總量的40 %～60 %，這部分充填體因為尾砂顆粒過細(xì)，膠結(jié)效果和粗粒級相比，凝固時間明顯延長，充填體強度大大降低，給現(xiàn)場管理及生產(chǎn)銜接帶來很大困難。因此，該方案適用于周邊圍巖條件較好，充填體上部及下部不再安排工程施工，充填體強度要求不高，且井下采空區(qū)較多，工作面充足的情況。

1)如果充填采空區(qū)有限，生產(chǎn)銜接比較緊張，可以適當(dāng)加大膠結(jié)材料使用比例，縮短初凝時間，提高充填體強度。但是，這一方法的不足之處在于，充填材料比例加大，相對的充填成本會大大增加。

2)如果采空區(qū)周邊圍巖比較破碎，充填體上部或下部還要布置工作面，建議盡量減少細(xì)粒級尾砂充填占比，以提高充填效率及充填體強度。這種情況下，可以調(diào)整現(xiàn)有工序，加裝1套脫水設(shè)備，將細(xì)粒級尾砂進行脫水處理，脫水后的尾砂回收，用作建筑原材料。同時，加大旋流器底流(粗砂)的充填比例，可有效提高充填體強度。

3 結(jié) 語

尾砂充填工作是采、選之間重要的聯(lián)系紐帶，是資源回收利用的重要一環(huán)，是衡量綠色礦山建設(shè)水平的一個標(biāo)尺。一旦充填工作出現(xiàn)問題，將直接影響整個礦山的生產(chǎn)運行，造成資源的損失浪費，也會影響礦山安全生產(chǎn)及環(huán)保工作的正常進行。中鋼山東礦業(yè)公司采用的膏體濃縮充填工藝，既解決了井下采空區(qū)治理難題，又實現(xiàn)了資源回收再利用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟價值，同時也避免了對環(huán)境造成的污染和損害。