武山銅礦全尾膏體充填系統設計

許高鋒，王鑫，劉鐵軍，熊根

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038；2.江銅集團武山銅礦，江西瑞昌 332000）

為了滿足采礦工藝發展的需要，緩解礦山地壓，減少尾礦庫庫容，保護環境，礦山充填技術得以逐步發展起來。 目前， 礦山充填技術主要分為全尾砂充填、分級尾砂充填、塊石砂漿膠結充填、碎石水泥漿膠結充填和膏體泵送充填等類型， 其中尾砂充填技術在金屬礦山得到了廣泛推廣應用。研究發現，在灰砂比確定的情況下， 充填體的強度與料漿濃度在一定范圍內呈正相關關系，即充填料漿濃度越高，對于充填體強度的增長越有利。在同樣的強度要求下，提高充填料漿濃度能大大減少水泥用量， 降低充填成本，并解決采場脫水等一系列的問題[1]。因此，提高充填料漿濃度成為充填技術發展的主線， 膏體充填技術就是在此思路的啟發下發展而來的綠色開采新技術，并逐步成為礦山充填技術的發展方向。本文以武山銅礦全尾膏體充填系統設計為例， 探討膏體充填技術在有色金屬礦山的應用經驗。

1 礦山現狀

武山銅礦位于江西省九江瑞昌市， 是一座地下開采礦山。 該礦始建于1966年，幾經改造，于2009年擴產達到5 kt/d 的采選規模。 礦山一直沿用分級尾砂加江砂充填工藝，2015年礦山啟動了三期擴產設計，設計規模為10 kt/d。 若仍采用分級尾砂充填，則尾砂量遠遠不夠，需采購大量的江砂。充填成本的增加將導致采礦成本隨之增加， 因此礦山在擴建前設計人員研究采用全尾砂膏體充填技術替代原有分級尾砂加江砂充填方式。該礦2017年正式啟動膏體充填設計研究，2019年項目開工建設，2020年12 月試運行投產。經過2年多的運行，目前該礦全尾膏體充填系統各項指標均達到并超過設計值， 在國內銅礦山行業名列前茅。

2 充填材料研究

2.1 全尾砂粒分布及真密度測試

采用水篩篩分法對全尾砂粒徑進行分析[1]。水篩篩分法由100 目、200 目、325 目、400 目篩網組成，試驗前將待測全尾砂放入鼓風干燥箱中干燥至恒重， 每次取樣500 g， 采用水洗的方法對全尾砂過100～400 目篩。 試驗過程中，嚴禁利用振動篩網或其他施加外力的方式加快過篩， 每一級篩網必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的全尾砂收集分類、干燥，計算收率。

本次試驗對全尾砂采取多點分布取樣， 然后通過水篩分析法進行粒徑分布測試，結果見表1。 全尾砂真密度測試結果見表2。

表1 全尾砂粒徑分布

表2 全尾砂真密度測試結果g/cm3

根據表1、表2 測試結果可知，武山銅礦全尾砂現場取樣測的真密度平均值為2.975 g/cm3， 尾砂粒徑較細，其中0.074 mm 以上占33.5%，0.037 mm 以下占40.93%。

2.2 全尾砂濃密試驗

為研究在一定泥層高度的情況下， 同時進料和排放底流，底流固體質量分數的變化情況，以及溢流水固含量的范圍，該礦開展了全尾砂濃密試驗，其試驗結果見表3。

表3 動態濃密試驗結果

由表3 動態濃密試驗結果可以看到， 當進料的固體質量分數為11%左右，單位面積處理量在0.5～0.9 t/(m2·h）時，濃密后尾砂的固體質量分數基本在70%～74%范圍內波動，達到工藝要求濃度，溢流水固含量基本在300×10-6以下。 對不同濃度下全尾砂屈服強度進行測試，測試結果見圖1。

圖1 不同濃度下全尾砂屈服應力測試

圖1 表明：當全尾砂質量分數為72%時，屈服應力為182.3 Pa，達到了膏體狀態。

2.3 全尾砂配比試驗

當灰砂比在1∶4.19～1∶4.88 時， 固體質量分數在76.55%～81.21%，28 d 強度可以達到4 MPa 以上；灰砂比在1∶8.17～1∶8.94 時， 固體質量分數在73.79%～76.84%，28 d 強度可以達到1.4 MPa 以上。不同配比充填體齡期單軸抗壓強度值，見表4。

表4 不同配比充填體齡期單軸抗壓強度值

因此，綜合試驗結果及膏體材料配比原則[2]，初步擬定采用灰砂比分別為1∶4 和1∶8 的兩種充填料，料漿固體為質量分數為（72±2）%。 待充填系統試運行后，將對采場的充填體強度再次進行實測，根據采場實測結果的反饋， 再反過來調整采場充填材料配比，以達到經濟、安全、高效充填的目的。

3 充填工藝方案

根據試驗結果，確定充填料漿以全尾砂、膠結材料和水為原料進行制備。 選廠產出的全尾砂漿通過渣漿泵泵送至深錐濃密機頂部后添加適當比例的絮凝劑，加速尾砂沉淀。當充填攪拌站需要制備料漿充填到井下采空區時， 進入深錐濃密機的尾砂經濃縮沉降后，由深錐濃密機底部管路放砂，經泵輸送至攪拌設備內；同時，啟動雙管螺旋輸送機，將水泥粉送入攪拌機內攪拌，按濃度要求添加定量的水，攪拌均勻后通過充填工業泵輸送， 經鉆孔至井下采空區實施充填作業。 充填制備站系統如圖2 所示。

圖2 充填工藝流程

圖3 充填工業泵與攪拌槽連接大樣

3.1 尾砂濃密方案比較及確定

根據充填能力需要， 充填制備站采用2 座深錐濃密機，前期安裝1 座，三期建設期間再安裝另外1座。 單個濃密機每天需要處理全尾砂2 315 t（干量，后同），選廠輸送至深錐濃密機的尾砂漿質量分數為25%，按照充填作業時間14.1～19.7 h 考慮，每小時由選廠輸送至深錐濃密機的尾砂漿量為392.5 m3，即全尾砂干量為165 t。 根據試驗報告，初步確定最佳濃密質量分數在11%左右， 輸送至深錐濃密機的尾砂漿通過深錐濃密機自身稀釋系統將砂漿稀釋至要求濃度，再添加15～35 g/t 絮凝劑加速沉降，完成沉降后的濃密機排料質量分數可達到70%～72%。底流質量分數為72%時， 濃密機的設計選取單位面積處理量約為0.8 t/（m2·h）。

深錐膏體濃密機作為整個充填系統最核心的設備之一， 設備選取直接關乎著系統運行的穩定以及后期運行成本。 針對直徑為18 m、 驅動功率為75 kW、扭矩為2.5×106N·m 的18 m 深錐膏體濃密機，技術人員綜合國內外主流廠家設備性能及實際生產案例進行了深入對比分析，比較結果如表5 所示。

表5 國產設備與進口設備價格及性能參數比較

由表5 可見，盡管進口設備投資費用高，但只需7～8 a， 其節省的維修及耗材費即可抵消設備投資差額。 由于膏體充填工藝在國內應用很少， 而膏體充填又是武山銅礦三期擴建工程的關鍵工藝，為了使該系統更加可靠， 確保該項目采礦方法改進的成功，該礦最終確定采用國外品牌的深錐濃密機。

經計算，選擇1 臺18 m 的深錐濃密機，配2 臺底流剪切輸送泵（2 用1 備）。 該濃密機處理能力約為203.5 t/h，該底流泵除剪切輸送功能外，還可用于極端情況下的稀釋和破拱。 充填時，先開啟1 套剪切系統，對物料進行剪切，把底流質量分數混合到（71±1）%；充填作業完成后，深錐內的全尾砂儲存高度下降，濃度也會降低，此時停止充填，待深錐濃密機內的全尾砂儲存高度達到要求時制備系統再開始工作，如此反復。

3.2 攪拌設備及水泥給料設備確定

料漿被傳統的立式攪拌設備攪拌均勻后， 是通過自身重力流入充填泵內，料漿不均勻性差，容易導致用泵輸送出現故障。 而臥式攪拌系統是通過葉片將料漿低速均勻地推進充填泵， 更利于充填泵的輸送[3]。國外類似膏體充填礦山均采用的是二級臥式攪拌系統，故本充填攪拌設備也采用兩段臥式攪拌機。該攪拌系統可以提高攪拌均勻度， 減緩輸送過程中的沉降速度， 對長距離料漿輸送能起到一定的積極作用。

充填站內布置3 個系列攪拌機， 每個系列包含兩段攪拌機， 每段攪拌機處理能力暫按130 m3/h 考慮。 第一段采用葉片式攪拌機， 容積為4 m3，37×2 kW；第二段采用螺旋式攪拌機，容積為6.4 m3，45×2 kW。前期先安裝兩個系列攪拌機，一備一用；后期再增加一個系列攪拌機，兩用一備。如果由于井下充填不均衡導致地表充填設備制備時間過長， 單系列制備系統作業壓力大，可啟動備用系列，以減少單系列的作業時間。

水泥計量給料設備選用微粉秤。 該設備集粉料輸送、稱重計量和定量給料控制于一體，可替代雙管螺旋喂料機、螺旋電子秤或沖板流量計，工作簡單可靠。 單個水泥倉下配置1 臺?250-3600 雙管計量微粉秤，電機采用變頻調速，并可通過控制室遠程控制電機轉速，從而調節充填料漿的水泥配比。

3.3 充填工業泵方案比較

根據本次膏體充填范圍（-360 m 中段及以下）要求， 按照最不利充填倍線計算，-310 m 中段北礦帶最大充填倍線達到了7.0 以上。 而料漿的自流倍線要求在3.0 以內，所以上部大于3.0 倍線以上的采空區料漿均不能通過自流輸送至采場，需加壓泵送。

為提高膏體料漿輸送的穩定可靠性， 本充填系統前期擬選擇2 臺充填泵。 為此對國產設備與進口設備進行了比較見表6。

表6 國產設備與進口設備比較

由表6 可見，盡管進口品牌設備初期投資高，但只需4～5 a，其節省的電費、耗材費用可抵消設備投資差額， 而且進口設備的可靠程度更高。 經綜合比較，本次設計采用了國外生產的充填工業泵。

考慮井下管道走向較為復雜， 結合以上計算結果，充填站內選擇2 臺充填工業泵，單臺泵的排量130 m3/h，泵正常工作時出口壓力11.5 MPa（井下采場管道端部料漿出口壓力按0.2～0.3 MPa 考慮），電機功率710 kW，充填作業時1 備1 用，后期2 用1 備。

4 工藝設計重點

4.1 深錐濃密機工作方式的選擇

全尾砂濃密設備的選擇是本設計的關鍵， 如選擇不合適，則影響沉淀后尾砂濃度，濃度過低，充填體的強度達不到要求，濃度過高，增加濃密機壓耙風險。 全尾砂動態濃縮試驗見表7。

表7 全尾砂動態濃縮試驗

隨著沉淀濃縮時間的推移， 沉淀后尾砂屈服應力增加過快。 該因素產生最大的風險就是濃密機壓耙。 一旦濃密機壓耙將對礦山生產造成較為嚴重后果，膏體充填站停止生產，導致井下不能充填，影響井下采礦。因此，本設計調整了深錐濃密機進料及貯存方式，深錐濃密機內不儲存尾砂，僅留充填2 h 充填所需尾砂量。 深錐濃密機同時進料， 同時充填制備，讓深錐濃密機內的物料保持一個動態平衡，從而避免壓耙現象出現。

4.2 充填工業泵與攪拌機連接方式的選擇

二段攪拌機與充填工業泵采用“軟連接”方式，漏斗下方通過法蘭與充填泵入料口管道連接， 二段攪拌機的出料口管道懸空在漏斗中， 漏斗上方不密封，做成開放式漏斗，使得攪拌機出料管道不與充填泵進料口直接接觸連接。 該方式避免了充填工業泵振動通過剛性連接傳導至上一個樓面， 帶來震動影響。輔以合理的連接設計，就可以在滿足設備有效性和安全性的情況下進行充填工作， 并有效地減弱給上層樓面帶來的震動強度，延長建筑物的使用壽命，同時獲得令人滿意的充填效果。

5 結語

綜上所述， 盡管全尾砂膏體充填系統工藝目前已較為成熟，但由于該系統涉及許多技術難點，且需要針對不同的物料對部分工藝進行調整， 因此國內正在使用的案例較少。目前，武山銅礦膏體充填站已運行兩年多時間， 深錐濃密機底流出料的固體質量分數均保持在70%～74%之間，攪拌后輸送料漿的固體質量分數在72%～76%， 各項指標均達到設計要求， 滿足礦山井下生產需要， 取得了較好的經濟效益， 是目前國內銅礦山唯一運行較好的膏體充填系統。 其設計經驗值得在類似礦山中推廣。