某新建礦山全尾砂膏體充填站設計方案研究

〔摘 要〕某新建鉛鋅礦山依據礦山基本情況，采用全尾砂膏體充填方式。對全尾砂膏體充填骨料進行具體分析，通過試驗對全尾砂充填骨料的物理化學性質、粒級組成、濃縮沉降、料漿輸送性能以及強度配比進行判定和選擇，并根據試驗結果，分析了該礦膏體充填站的工藝選擇過程，以及濃密機、攪拌設備、膏體輸送泵和水泥倉等主要設備的選型過程。

〔關鍵詞〕新建礦山；全尾砂膏體充填;輸送性能；最優配比；深錐濃密機

中圖分類號：TD853 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）05-0005-04

Research on the Design Scheme of a Unclassified Tailings Paste Filling Station in a Newly-built Mine

YAO Jincai， XIONG Gen， LE Minjie， LIU Tiejun

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" A newly built lead-zinc mine adopts a unclassified tailings paste filling method based on the basic conditions of the mine. A specific analysis is conducted on the unclassified tailings paste filling aggregate. The physical and chemical properties， particle size composition， thickening and settling， slurry conveying performance， and strength ratio of the unclassified tailings paste filling aggregate are determined and selected through experiments. Based on the test results， the paper analyzes the process selection of the paste filling station in the mine， as well as main equipment selection， such as thickener， mixing equipment， paste conveying pump and cement bin.

Keywords" "newly-built mine; unclassified tailings paste filling; conveying performance; optimal ratio; deep cone thickener

礦石在選礦過程中，經過破碎、磨細、分級、篩選等工序后，有價值的礦物成分被提取出來，剩余的細粒狀固體廢棄物即為尾砂。尾砂通常被排放到尾礦庫中儲存。根據相關統計，國內尾砂庫存量達到了195億t[1]。隨著近年來國家環保政策和安全要求越來越嚴格，國內很多地區采取了“尾礦庫總數量只減不增”的政策，尾砂處理處置壓力增加，礦山企業亟需采用其它可替代的方式解決尾砂問題。利用尾砂對采礦造成的地底采空區進行充填，既能解決地下采空區容易發生地表塌陷和井下垮塌等事故的問題，又能實現無尾礦山的建設愿景，在環境保護、安全生產和資源利用等各個方面都具有重要意義。

尾砂膠結充填具有充填料漿濃度高、泌水率低、尾砂利用率高、整體性能優良等優點[2-3]，近年來得到了迅速發展，目前已成為國內礦山主要的充填方式[4]。然而高濃度的全尾砂膠結，如膏體充填，在保障料漿濃度、節省膠凝材料以及充填骨料的選擇上還存在一些挑戰。這些問題是今后全尾砂膠結充填工藝進一步優化的重點。本文擬以某新建鉛鋅礦山全尾砂膏體充填站的設計為例，對全尾砂膏體充填工藝參數及相關設備選型進行研究，以期為類似項目提供參考。

1" "項目背景

某新建鉛鋅礦山位于江西省貴溪市，礦石類型主要為鋅鐵礦石、磁鐵礦石，主要礦物有閃鋅礦、磁鐵礦、黃鐵礦、菱錳礦，礦石中主要有用組分為鋅，平均鋅品位為9.43%。該礦深部主礦體屬于中厚礦體，采用中深孔采礦方法。根據礦體產狀，該礦采用上向分層充填法（占比約 70%）和分段充填法（占比約 30%，主要用于厚度大于 15 m的礦體）進行開采。由于當前該礦山處于基建階段，結合前期可研資料，綜合該礦選用的采礦方法、地表地形以及周邊礦山充填現狀，確定該新建礦山采用全尾砂膏體充填方式。

2" "全尾砂材料試驗

2.1" 全尾砂物理化學性質測試

全尾砂的物理性質、化學成分及粒級組成等，對充填體的強度、滲濾水性能、管道輸送特性都有著重要影響。因此，在進行全尾砂充填試驗前，對全尾砂的上述各項基本性質進行了測定。

１）物理性質。全尾砂物理性質主要有密度、孔隙率、孔隙比、含水率、自然安息角、沉縮率、級配以及滲透系數等。經實驗檢測，全尾砂物理性質各參數如表1所示。

２）化學成分。采用ICP-MS對全尾砂樣品進行化學分析，測定結果見表 2。

３）全尾砂粒級組成。

采用激光粒度分析儀對全尾砂樣品進行分析，得出全尾砂粒度組成分布如圖1所示。通過計算可知，全尾砂的加權平均粒徑為57.904 ？滋m，顆粒偏細。根據激光分析儀測試結果求得顆粒不均勻系數為24.87，說明該礦尾砂級配合適，可作為充填骨料。細顆粒能較密實地充填粗顆粒的孔隙，使充填體密度較大，壓縮及透水性較小，充填體的抗剪強度較大，有利于提高其強度。

2.2" 全尾砂漿動態濃密沉降試驗

全尾砂的動態濃密沉降試驗主要研究在給料礦漿濃度（25.162%）一定的條件下，不同給料速度、不同攪拌速度對溢流水澄清度以及底流濃度（底流中固體顆粒的質量分數）的影響。試驗結果如表3所示。

2.3" 全尾砂膏體料漿輸送性能試驗

充填料漿的流動性是衡量管道輸送難易程度的重要指標[5]。本文針對該礦進行了全尾砂膏體料漿輸送性能試驗，試驗中不同灰砂比對應的料漿屈服應力和黏度系數見表4。通過對試驗結果的分析，根據合理的給料速度及對應的絮凝劑單耗，推薦充填料漿濃度為73%～75%。

2.4" 全尾砂充填料漿最優配比試驗

充填材料配比試驗主要包括灰砂比、充填料漿濃度以及充填體養護時間3個因素，分別設置為因素A、因素B、因素C。針對這3個因素，選定4個水平取值，見表5，進行三因素四水平正交組合試驗。試驗共進行了16組，在試驗結果的基礎上，進行回歸分析與檢驗，最后求得充填料漿的最優配比，得出的抗壓強度、彈性模量、泊松比、充填體抗拉強度、抗剪強度試驗結果平均值見表6。

根據充填體強度要求和配比優化研究結果分析，綜合考慮4種不同采礦方法及其充填體強度差異，推薦對分段空場嗣后充填時采用低水泥用量或低充填濃度，但較長養護時間的配比組合；對進路式空場嗣后充填時采用高水泥用量或高充填濃度，但養護時間短的配比組合。具體推薦充填配比參數見表7。

3" "充填站設計方案

3.1" 充填設施

根據該項目采礦工藝要求，坑內采用全尾砂膏體充填采礦法。日需充填料漿1 194 m3，日所需干砂處理量1 476 t，充填料漿濃度為74%。每天充填時間按15 h計算，則充填攪拌站的能力約80 m3/h。

設計采用1臺深錐膏體濃密機，先將尾礦來料濃度濃縮至72%左右，再將料漿泵送至攪拌槽，添加適當的水泥和水進行配比，攪拌成礦漿濃度為74%的充填料漿，再通過充填工業泵送至井下。

3.2" 主要設備選擇

1）濃密機。根據所需干砂處理量，該項目濃密機干砂量處理能力應不小于110 t/h。尾礦來料的礦漿濃度為45%，濃密機配帶自稀釋泵，將礦漿濃度稀釋至10%～20%，濃密機排料濃度在72%左右。濃密機直徑選型按照下式計算：

Ｄ＝。

式中：Gd為尾礦處理能力，取110 t/h；q為單位面積處理能力，取0.75 t/（m2·h）。

計算得濃密直徑D=13.7 m，取14 m。14 m 深錐濃密機技術參數見表8。深錐濃密機配帶底流輸送/剪切循環系統及1套絮凝劑添加系統。

2）攪拌給料設備。攪拌系統采用兩段臥式攪拌槽，通過提高攪拌均勻度，減緩輸送過程中的沉降速度，以利于長距離料漿輸送。一段及二段攪拌槽處理能力均采用90 m３/h，第一段采用葉片式攪拌槽，電機功率為2×37 kW；第二段采用螺旋式攪拌槽，電機功率為2×45 kW。料漿經兩次攪拌完成后，通過充填泵經鉆孔輸送到井下采空區實施充填。每天充填有效工作時間t=1 194 ÷90 =13.3 h。則充填站內布置2個系列攪拌槽（每個系列均包含兩段臥式攪拌槽），1備1用。

3）水泥計量給料設備。水泥計量給料設備擬采用微粉秤，它集粉料輸送、稱重計量和定量給料控制于一體，替代了雙管螺旋喂料機、螺旋電子稱或沖板流量計，工藝簡單可靠。根據采礦工藝要求，充填料灰砂比為1∶4～1∶20，每立方膠結充填料漿中所含水泥量為62～309 kg/m3，制備系統能力按90 m3/h計算，則要求微粉秤計量水泥給料能力Qs=5.6～27.8 t/h單個水泥倉下配置1臺300 mm，長3 000 mm的計量微粉秤（處理能力為5 ～ 30 t/h），可滿足水泥添加要求。單臺配套電機功率為5.5 kW，電機采用變頻調速。

4）膏體輸送泵。根據礦山的充填要求，110 m中段最大充填倍線達21.2，需要充填的空區輸送距離約1 800 m，且輸送的充填料漿為高濃度膏體，故需采用加壓泵送。充填泵具有泵送壓力自適應性，設計泵送壓力按最不利的工況選擇，以滿足各種工況的使用要求，同時考慮事故工況泵送壓力還需留有一定余量。為確保充填安全、可靠，配置2臺充填泵，1用1備。根據采場布置情況，該項目充填工業泵泵阻力計算如下：

（1）沿程損失。根據采礦工藝，按照最不利條件輸送160 m水平計算，充填站地表（標高245 m）至160 m中段垂直高度為85 m，井下水平長度LH=

1 720 m。則管線總長L=H+LH=85+1 720=1 805 m。

根據采礦專業計算，井下管道內徑D=138 mm，料漿流速v=1.65 m/s、輸送量Q=90 m3/h、料漿濃度為74%，阻力系數無試驗數據，暫估為4 000 Pa/m（最終以試驗報告為準）。則沿程損失P1=1 805×4 000=7 220 000 Pa =7.22 MPa。

（2）其它局部損失。局部阻力按10%計，則局部阻力P2=P1×10%=7.22×10%=0.722 MPa。

（3）垂直高度產生的有效垂壓。按照本項目料漿濃度為74%時，料漿密度ρc=1.93 t/m3計算，有效垂壓P3=ρc（85÷100）=1.93×0.85=1.64 MPa。

（4）管道泵送總阻力。由上可以得出，管道泵送總阻力P=P1+P2－P3 =7.22+0.722－1.64=6.30 MPa。

考慮井下管道走向較為復雜，泵壓留有富余，再結合上述計算結果，充填站內擬選擇2臺充填工業泵，單臺泵的排量為90～95 m3/h，壓力為10 MPa，電機功率為400 kW，充填作業時1用1備。當充填作業停泵后需立即清理管道內的料漿，以免長時間停泵后再啟動的情況出現輸送泵過載時。

5）水泥倉。根據采礦充填要求，日平均需水泥約234 t?？紤]最大充填量時，膠結材料的用量及正常生產時存貯3～7 d水泥用量的原則，同時考慮現場水泥罐車運輸便利，本次膠結材料倉儲存量按單個水泥倉430 t考慮，總共儲存水泥量為860 t，可滿足礦山3.7 d的充填制備水泥需求量。膠結料倉有效容積按Vy=Q/ρs計算。Q為水泥倉容量，取430 t；ρs為松散密度，取1.3 t/m3。計算得Vy=330 m3，即建設2座有效容積為330 m３的水泥倉可以滿足日均井下充填作業的要求。

4" "結語

全尾砂充填方案的選擇主要取決于尾砂的性質，包括物理性質、化學成分、粒級組成、沉降濃縮、配比、流動性等因素，同時也需要考慮方案的經濟性和可行性。對于新建礦山充填站設計應考慮如下方面：1）可采用同礦脈的尾砂進行充填試驗，再根據試驗結果進行充填站的設計和建設。2）對于可自流的充填管路，也應進行加強試驗，驗證其可行性。3）在充填站設計過程中，不能盲目參照類似礦山經驗，要根據不同情況具體分析，得出最優的充填方案設計。４）充填料制備系統的全尾砂、水泥、水和膠結充填砂漿的濃度和流量均應設有計量檢測儀表和計算機自動調節控制系統，以使充填系統實現精確化、自動化控制。

參考文獻

[1] 陽京平.全尾砂膏體充填采礦技術現狀及展望[J].中國礦業，2021，30（增刊1）：17-23.

[2] 盧小玉，趙雪飛.鉛鋅礦全尾砂膠結膏體充填的研究與應用探討[J].四川建材，2019，45（8）：31.

[3] 劉鐵軍，萬擎宇，許高鋒.某鉛鋅礦全尾膏體充填工藝的選擇及分析[J].有色冶金設計與研究，2022，43（4）：1-4.

[4] 于潤滄.金屬礦山膠結充填工藝技術面臨的新挑戰——第十屆中國充填采礦技術與裝備大會致辭[J].礦業研究與開發，2020，40（12）：1.DOI：10.13827/j.cnki.kyyk.20201207.001.

[5] 鄭錫恩. 采礦設計手冊：礦山機械卷[M] .北京：中國建筑工業出版社，1988.