國外某鉛鋅礦全尾砂膏體充填設(shè)計方案研究

熊根 劉鐵軍 許高鋒 屈芳宇

〔摘 要〕對全尾砂膏體充填的特點進行了分析，并且以境外某鉛鋅礦為例，對該礦全尾砂材料進行了物理化學(xué)性質(zhì)、粒級組成、強度配比等試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，對深錐濃密充填工藝和圓盤過濾機充填工藝兩種方案進行了工藝比選，最終選擇采用深錐濃密機充填制備工藝，并詳細介紹了充填制備站主要設(shè)備的選型計算過程。

〔關(guān)鍵詞〕全尾砂膏體充填;濃密機;充填站；設(shè)備選型

中圖分類號：TD853? ? ? 文獻標(biāo)志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）01-000１-05

Research on the Design Alternatives of Unclassified Tailings Paste Fill for a Foreign Lead Zinc Mine

XIONG Gen， LIU Tiejun， XU Gaofeng， QU Fangyu

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

Abstract? The paper analyzes the characteristics of unclassified tailings paste fill. Taking an overseas lead zinc mine as an example， the tests were conducted on the physical and chemical properties， particle size composition， and strength ratio of the unclassified tailings. Based on the test results， two alternatives are proposed： deep cone thickener fill process and disc filter fill process. After process comparison， the deep cone thickener fill preparation process was selected， and the selection and calculation of the main equipment of the fill preparation station were described in detail.

Keywords? unclassified tailings paste fill; thickener; filling station; equipment selection

礦山充填技術(shù)主要分為全尾砂充填、分級尾砂充填、塊石砂漿膠結(jié)充填、碎石水泥漿膠結(jié)充填和膏體泵送充填等類型[1]。其中，膏體充填技術(shù)發(fā)展至今已有40余年的歷史，是目前我國充填技術(shù)的發(fā)展方向。利用膏體充填技術(shù)，能夠減少地表沉降，保持采場圍巖穩(wěn)定，提高采礦的回采率，還可以解決選廠尾砂的存放問題，緩解尾礦庫的壓力，從而達到綠色礦山環(huán)保要求[2]。但膏體充填技術(shù)仍有一些難題亟待突破，例如如何保持充填濃度持續(xù)穩(wěn)定[3]，如何確定充填骨料的性質(zhì)和強度[4]，如何合理地控制剩余壓頭[5]，如何保持系統(tǒng)始終滿管輸送等都需要持續(xù)進行深入研究[6]。本文擬以國外某鉛鋅礦全尾膏體充填設(shè)計實踐為例，對膏體充填技術(shù)的難點進行討論。

1? ?項目背景

某項目位于亞洲某國，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，平均品位為9.43%。

當(dāng)前礦山處于露天開采階段，為提前對深邊部礦體實施開采，前期采用了露天與地下同時開采的形式。為不影響露天生產(chǎn)，提高礦石收受率，延長礦山服務(wù)年限，結(jié)合礦山實際情況，決定采用全尾砂膏體充填采礦方法。

該礦深部主礦體屬于中厚礦體，采用中深孔采礦。根據(jù)礦體產(chǎn)狀，采礦方法采用上向分層充填法和分段充填法，二者的使用比例為７∶３，其中分段充填法主要用于礦體厚度大于 15 m處的開采。

2? ?全尾砂材料試驗

2.1? ?尾砂物理化學(xué)性質(zhì)測試

2.1.1? 全尾砂物理性質(zhì)

全尾砂物理性質(zhì)主要有密度、松散容重、壓實容重、自然安息角以及由密度和松散容重得出的孔隙率等。試驗測得，該礦全尾砂密度為3.61，松散干容重為1.81 t/m3，密實干容重為2.83 t/m3，最大孔隙率為49.71%，最小孔隙率為34.07%，自然安息角為34 °～35 °。

2.1.2? 全尾砂化學(xué)成分

充填材料中的化學(xué)成分及其含量對充填體的力學(xué)性能具有一定的影響。充填骨料中對充填體強度影響作用較大的主要化學(xué)成分有 CaO、MgO、Al2O3、SiO2、PbO、Fe、S、Zn、Cu。試驗測定該礦全尾砂樣品中的化學(xué)成分結(jié)果見表 1。

2.1.3? 全尾砂粒級組成

根據(jù)尾砂樣品的粒級組成測試結(jié)果，尾砂中粒級為-5 μm、-10 μm、-20 μm 的極細顆粒的質(zhì)量分數(shù)分別為16.40％、23.84％、32.85％，-75 μm粒級的質(zhì)量分數(shù)為 59.48％，可見尾砂粒級較粗。從試驗結(jié)果看，物料顆粒大小分布范圍大，級配不均勻，全尾砂平均粒徑為92.861 μm。相比國內(nèi)類似礦山，如新疆阿希金礦全尾的砂平均粒徑為37.5００ μm，云南長安金礦全尾的砂平均粒徑為61.3００ μm，本次全尾砂試樣粒徑相對較粗，有利于充填工藝。該礦全尾砂粒級組成見表2。

2.2? 全尾砂充填料漿強度配比試驗研究

充填材料配比試驗主要考慮灰砂比、充填料漿質(zhì)量濃度以及充填體養(yǎng)護齡期３個因素。全尾砂試樣開展了 PC42.5水泥和 PC32.5水泥充填料強度配比試驗。膠結(jié)材料采PC42.5水泥。試驗按灰砂比1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20 制作試塊，PC32.5水泥，按灰砂比 1∶4、1∶8、1∶12、1∶15 制作試塊。料漿的質(zhì)量濃度分別按照76%、72%、68%調(diào)配，制作了297個試塊。試驗結(jié)果見表3。

試驗表明，充填體抗壓強度取決于灰砂比和充填料漿濃度。以 PC42.5 水泥為膠結(jié)劑為例，全尾砂料漿濃度（固體質(zhì)量分數(shù)）為 68%～76%，灰砂比 1∶4 時，28 d養(yǎng)護抗壓強度達到6.73 MPa；灰砂比為1∶8時，28 d抗壓強度達到3.03 MPa；灰砂比 1∶12 時，28 d抗壓強度達到1.61 MPa；灰砂比1∶20 時，28 d抗壓強度達到0.98 MPa，強度發(fā)展正常。

3? ?膏體充填設(shè)計方案

根據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合目前采場結(jié)構(gòu)及深部開采的采礦方法，該礦最終確定采用全尾膠結(jié)充填工藝。根據(jù)該礦尾砂性質(zhì)可采用深錐濃密脫水及圓盤過濾機脫水工藝兩種方案，兩種方案比較見表4。從經(jīng)濟性和可操作性上考慮，推薦采用深錐濃密機脫水方案。

充填料漿采用全尾砂、膠結(jié)材料和水為原料進行制備。選廠產(chǎn)出的全尾砂漿通過自流至濃密機，添加適當(dāng)比例的絮凝劑，加速尾砂沉淀。當(dāng)充填站需要制備料漿充填到井下采空區(qū)時，經(jīng)濃縮沉降后的尾砂，由濃密機底部管路放砂，通過底流泵泵送至攪拌設(shè)備內(nèi)，同時啟動微粉秤將水泥粉送入攪拌機內(nèi)攪拌，按濃度要求添加定量的水。攪拌均勻后，礦漿自流或通過充填工業(yè)泵加壓泵送，經(jīng)鉆孔輸送至井下采空區(qū)完成充填作業(yè)。根據(jù)本項目采礦工藝及充填工作制度，布置1套充填攪拌設(shè)施。充填作業(yè)時，選廠尾砂泵送至充填站；當(dāng)充填站設(shè)備保養(yǎng)時或不需尾砂時，選廠濃密后尾砂仍泵送至尾礦庫。

充填工藝流程見圖1。

4? ? 主要充填設(shè)備選擇

充填制備站主要設(shè)備為濃密機、攪拌設(shè)備、水泥計量給料設(shè)備及絮凝劑添加裝置。

4.1? 濃密機

根據(jù)充填試驗結(jié)果，灰砂比為1∶4、1∶12、1∶15、1∶20，料漿濃度在72%～76%范圍內(nèi)時，料漿穩(wěn)定性良好，且無論在管道還是在料箱中均呈現(xiàn)良好的流動性，未產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，也未出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象。因此，最終充填料漿濃度推薦為72%～76%，反算濃密機底流濃度為70%～76%，推薦濃密機最大底流濃度應(yīng)達到76%。

不同設(shè)備廠家設(shè)備技術(shù)方案有所區(qū)別，根據(jù)采礦工藝最大每天消耗４７１ t/d干尾砂最終暫推薦國內(nèi)某品牌？覬9 m無動力深錐濃密機。

4.2? 攪拌設(shè)備及充填管路

傳統(tǒng)的立式攪拌設(shè)備攪拌均勻后是通過自身重力流入充填泵內(nèi)，不均勻性大，導(dǎo)致泵輸送容易出現(xiàn)故障，而臥式攪拌系統(tǒng)是通過葉片低速均勻性推進料漿進入充填泵，利于充填泵的輸送。因此，本工程參考國內(nèi)類似全尾充填礦山，考慮到本項目服務(wù)年限及充填能力要求，采用了兩段臥式攪拌機。該攪拌系統(tǒng)可以提高攪拌均勻度，減緩輸送過程中的沉降速度，對長距離料漿輸送起到一定的積極作用。

設(shè)備選擇主要與充填規(guī)模有關(guān)，本項目井下充填所需尾砂為283.4 m3/d。根據(jù)計算結(jié)果，一段及二段攪拌機處理能力暫按70 m3/h考慮。第一段采用容積為2 m3的葉片式攪拌機；第二段采用容積為3 m3的螺旋式攪拌機。料漿經(jīng)一段攪拌均勻后，進入二段攪拌，完成兩次攪拌后，再通過充填泵從鉆孔送到井下采空區(qū)實施充填。

充填不均衡時，還需增加充填系統(tǒng)作業(yè)時間。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，充填不均衡時，充填量按1.5倍系數(shù)考慮，則Ｑ＝２８３.4×１.5＝425.1 m3/d，則充填作業(yè)時間按10 h/d計算。

4.3? 水泥計量給料設(shè)備

水泥計量給料設(shè)備選用微粉秤，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、螺旋電子秤或沖板流量計，工作簡單可靠。根據(jù)采礦工藝要求，灰砂比為1∶4時，膠結(jié)充填料漿中水泥含量最高為３３９ kg/m3；灰砂比為1∶20時，膠結(jié)充填料漿中水泥含量最少為20 kg/m3。制備系統(tǒng)能力按50 m3/h計算，則要求微粉秤計量水泥給料能力為：

Qs1=50 m3/h×339 kg/m3=16 950 kg/h=16.95 t/h；

Qs2=50 m3/h×20 kg/m3=1 000 kg/h=1 t/h。

式中：Qs1為灰砂比為1∶4時每小時水泥消耗量；Qs2為灰砂比為1∶20時每小時水泥消耗量。

每個水泥倉下配置1臺處理能力的為3～20 t/h的3 000單管計量微粉秤，可滿足水泥添加要求。

根據(jù)采礦充填要求，后期開采平均需水泥約61 t/d，考慮最大充填量時膠結(jié)材料的用量及正常生產(chǎn)時存貯3～7 d水泥用量的原則，由于現(xiàn)場無法購買到散裝水泥，需要利用水泥拆包機將袋裝水泥拆包后裝入水泥倉內(nèi)，本次膠結(jié)材料儲存量按500 t考慮，水泥儲存量可滿足礦山1 300 t/d采礦規(guī)模7日的充填制備所需水泥要求，膠結(jié)料儲存量有效容積計算如下：

Vy = Q/ρs = 500 /1.3 = 384.6 m3

式中：Vy為水泥儲存有效容積，m3；ρs為松散密度，取1.3 t/m3；Ｑ為肢結(jié)材料儲存量，t。

經(jīng)計算，袋裝水泥儲存量應(yīng)達到400 m3，可以滿足日均井下充填作業(yè)的要求。另外，還需建設(shè)1個有效容積為170 m3的水泥倉，水泥倉采用鋼結(jié)構(gòu)，斷面尺寸？覬5.5 m，水泥倉倉底為錐形，倉體為圓柱體，水泥倉體直段高度為6 m，錐體高度為4.0 m。

4.4? 膏體輸送泵

本項目充填料以自流輸送為主，后期開采上部掛幫礦量時或不滿足自流倍線的礦體時，可再增加充填泵。故本次設(shè)計未考慮充填泵參數(shù)，僅預(yù)留充填泵位置。

4.5? 充填管網(wǎng)布置

充填管自充填站廠房沿路鋪設(shè)至進風(fēng)井，其中主充填管沿進風(fēng)井布設(shè)，分別通至礦山服務(wù)的最高和最低水平。在分段巷道與盲進風(fēng)井交叉的T型口，接分支充填管依次對各個分段采場進行充填。充填管道經(jīng)分段巷道、采場聯(lián)絡(luò)道直至充填回風(fēng)井，充填料漿自上往下對空區(qū)實施充填。

其中，主充填管選用DN125無縫鋼管，管道之間采用快速接頭進行連接。分段巷道充填管選用承壓能力為4 MPa左右的高強度塑料管，例如鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管、超高分子聚乙烯管。該類材質(zhì)管道具有強度高、重量輕，耐壓、安裝簡單等特征。充填管路末端可視情況選用耐壓符合要求的常規(guī)PVC管。

1）管道內(nèi)徑計算。充填管道內(nèi)徑的確定主要與充填能力與流速相關(guān)，考慮到系統(tǒng)充填能力為40～50 m3/h，通常流速為1～2 m/s，因此對應(yīng)的所需管道內(nèi)徑為97.12～108.58 mm，即可選管道有兩種型號分別為DN100和DN125。然而，滿足厚度要求的DN100管道內(nèi)徑較小，難以滿足充填輸送的需要。因此，經(jīng)初步計算選用DN125無縫鋼管作為該礦的充填管。

校核驗算按式（1）計算如下：

（1）

式中：Qh為充填系統(tǒng)單小時最大充填能力，取47 m3/h；v為充填系統(tǒng)設(shè)計工作流速，參考試驗報告取1.40 m/s。計算得，Ｄi=109.00 mm，即充填管道內(nèi)徑Ｄi應(yīng)不小于109.00 mm。

2）管道壁厚計算。最終管道的內(nèi)徑取值還需根據(jù)管道壁厚計算并參考管道標(biāo)準(zhǔn)型號表最終選定。充填管道壁厚按式（2）進行計算：

（2）

式中：p為管道最低處總壓力，隨γ漿及H的增大而增高；D為管道內(nèi)徑，取值109 mm；[δ]為鋼材抗拉許用應(yīng)力，外層Q235無縫鋼管取值130 MPa；K為磨蝕、腐蝕量，鋼管的磨蝕、腐蝕量取2～3 mm，本次取值為2.5 mm。經(jīng)計算得，t=5.14 mm。

根據(jù)以上計算，可選定充填管的型號為？覬133×12 mm，材質(zhì)為Q235的無縫鋼管35.80 kg/m，內(nèi)徑為109 mm，管道對應(yīng)流速為1.40 m/s。

3）充填倍線。經(jīng)計算，除少部分中段充填倍線大于6外，其它各中段的充填倍線均小于6，基本可滿足自流輸送條件。針對少部分中段充填倍線較大的地段，考慮采用低濃度的尾砂充填或廢石充填。

5? ?結(jié)論

通過本項目設(shè)計中，得出膏體充填技術(shù)的以下幾點結(jié)論：1）在進行全尾膏體充填站工藝方案設(shè)計過程中，必須根據(jù)全尾砂的物化性質(zhì)進行選擇，如比重、孔隙率、配比強度等方面因素，同時還必須考慮項目現(xiàn)場的實際情況選擇充填方案。2）全尾砂充填料漿強度配比試驗研究表明，ＰＣ42.5比PC３２.5更適合用作本項目全尾砂充填膠結(jié)材料，且料漿濃度為72%～76%時，性能更佳。3）充填方案選擇中還需要考慮經(jīng)濟、設(shè)備適用等可能影響建設(shè)的因素。4）在充填設(shè)計中，應(yīng)該對全尾砂進行可靠的試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果判斷能否達到符合要求的膏體流動性和強度。這是選擇充填方案的重要參考依據(jù)。

參考文獻

[1] 許高峰，王鑫，劉鐵軍，等.武山銅礦全尾膏體充填系統(tǒng)設(shè)計[J].有色冶金設(shè)計與研究，2023，44（4）：1-4.

[2] 蔡嗣經(jīng)，王洪江.現(xiàn)代充填理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3] 于潤滄.金屬礦山膠結(jié)充填工藝技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)——第十屆中國充填采礦技術(shù)與裝備大會致辭[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（12）：1.

[4] 盧小玉，李莎莎.鉛鋅礦全尾砂膠結(jié)充填材料的強度研究[J].四川建材，2019，45（3）：4-5.

[5] 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(shè)計與研究，2022，43（4）：1-4.

[7] 葉超.全尾砂膏體充填系統(tǒng)充填質(zhì)量穩(wěn)定性研究[J].銅業(yè)工程，２０２２（６）：４７－５２.

收稿日期：2023-02-06

基金項目：江西省重點研發(fā)計劃項目“金屬礦山環(huán)境友好型膠結(jié)尾砂充填開采技術(shù)與應(yīng)用（項目編號：２０２０２ＢＢＧ７３００１）

作者簡介：熊根（1992—），男，工程師，主要從事礦山機械設(shè)計、研究工作。