全尾砂结构流充填工艺在内蒙某多金属矿的研究与应用_康瑞海.pdf

全尾砂结构流充填工艺在内蒙某多金属矿的研究与应用 康瑞海１ ，２，３ ， 王 旭 １，２，３ ， 彭 亮 １，２，３ （ １． 长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２；２． 国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２；３．金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２） 摘 要 内蒙古某多金属矿经过多年无序开采， 形成采矿“ 点多面广” 、 空区累积、 矿石损失 贫化大、 作业条件差的局面， 不利于矿山持续健康发展， 有必要展开充填相关研究并进行 充填系统建设。通过充填材料试验研究， 结合矿山实际情况， 提出临时与永久充填系统结 合、 尾砂集中制备与分区输送结合的建设方案并成功应用， 充填系统各项指标满足该矿采 矿要求， 极大改善了井下作业条件， 有效提高了矿石回采率， 延长了矿山服务年限。 关键词 全尾砂； 结构流； 充填； 充填系统； 集中制备； 分区输送 ０ 引 言 内蒙古某多金属矿位于内蒙古自治区西乌珠穆 沁旗境内， 该矿矿石中富含银、 铅、 锌等多种有用成 分， 地质储量为１ ２ ２ ８．６ ７万ｔ， 生产规模为４ ５万ｔ ／ａ。 矿区 地 表 海 拔 标 高 约 １ ０ ０ ０ ｍ， 目 前 开 采 水 平 为 ＋７ ０ ０～＋８ ５ ０ｍ。根据开采范围内矿体赋存条件 分为３个采区进行开采。由于围岩条件良好，２ ０ １ ２ 年以前一直采用浅孔留矿法进行开采， 同时留有顶 底柱、 间柱及采区矿柱。随着探矿的深入， 矿区矿石 远景储量及品位良好， 如继续采用浅孔留矿法开采 且随着开采深度及井下空区面积的增加， 将存在以 下问题 （ １）采矿“ 点多面广” ， 造成开采无序， 采矿方法 单一， 区域内生产规模无法扩大， 效率较高的生产工 艺和作业设备无法大量采用， 特别是机械设备的工 作效率无法得到正常发挥。 （ ２）开拓系统是由各自分散， 相对独立的３个 采区组成（ 井下３个采区完全处于隔离状态） ， 每个 采区是多中段生产， 出矿效率低， 生产管理复杂， 开 采成本大。 （ ３）由于采空区及开采深度的增加， 加上采空 区长时间未得到充填处理， 已有多处上覆岩层产生 不同规模的坍塌冒落， 有的地表甚至出现了塌陷， 破 坏了地表的生态环境。 （ ４）由于空区矿柱、 围岩塌落， 造成了出矿贫 化、 损失率高， 大量存窿矿石出不出来， 并遗留有大 量的顶底柱、 间柱及采区矿柱等。若不对采空区实 行充填将会丢失大量矿石， 造成巨大经济损失。 （ ５）矿区位于草原腹地， 征地代价较大， 所以为 了延长尾矿库的服务年限， 降低征地成本， 将尾砂充 填至井下将是一个有效的办法。 为了实现该矿安全正常开采及长远健康发展， 必须对采矿方法进行研究， 其最佳途径是采用全尾 砂结构流胶结充填［ １－４］并实现充填法采矿。为此， 该 矿与长沙矿山研究院有限责任公司合作开展采矿方 法研究及充填工艺研究， 本文介绍了该矿充填工艺 研究及应用情况。 １ 充填材料实验室试验 为了给充填系统总体规划及充填系统运行参数 设计提供依据， 对该矿现有选厂的全尾砂取样， 在试 验室进行充填材料试验研究， 通过试验确定充填材 料基本物理化学特性， 包括全尾砂粒径组成、 强度试 验及全尾砂料浆流动性等方面。 全尾砂粒径［ ５］分析结果表明 全尾砂平均粒经 ｄ平均＝１ ２ ７μｍ，其 中 －７ ５μｍ 颗 粒 含 量 约 为 ５ ７．８ ３％，－２ ０μｍ 细颗粒含量为３ ９．８％， 全尾砂较 细， 不均匀系数ａ２＝ｄ６ ０／ｄ１ ０＝４ ２．４ ５， 级配极不均 匀。实际充填过程中， 水泥能够有效改善充填料浆 的级配， 增强其和易性。总体上全尾砂粒径表现为 对充填料浆输送性能有利的特征。 坍落度［ ６］试验结果表明 料浆浓度为 ７ ０％～ ６ ８％时， 坍落度为２ ２～２ ４．５ｃ ｍ， 料浆流动阻力大， 料浆流动性差。料浆浓度降至６ ６％时， 坍落度为２ ６ ｃ ｍ， 料浆流动性得到改善， 但料浆粘度依然较大， 料 Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ Ｃ Ｎ ４ ３－１ ３ ４ ７／Ｔ Ｄ 采矿技术 第１ ９卷 第１期 Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｖ ｏ ｌ ． １ ９，Ｎ ｏ ．１ ２ ０ １ ９年１月 Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ９ ChaoXing 浆流速慢。料浆浓度６ ４％～６ ０％时， 料浆坍落度范 围２ ７．７～２ ８．２ｃ ｍ， 料浆流动性能良好， 无离析、 泌水 现象发生。 料浆自流［ ７－９］输送试验表明 尾砂料浆浓度为 ６ ４％～６ ０％左右时尾砂充填料浆流动性较好， 在管 道中表现出良好的流动性， 料浆未产生离析分层及 堵管现象。若在管道内径１ １ ０ ｍｍ， 流量８ ０ ｍ ３／ ｈ 情况 下， 充 填 料 浆 的 流 动 倍 线 分 别 为 ２． ７～７． ８ 之间。 强度配比试验结果表明 水泥－尾砂浆浓度为 ６ ０％～６ ４％， 灰砂比１∶４～１∶８时，２ ８ｄ试块强度 为３． ２～０．７ＭＰ ａ， 试块强度满足采矿方法要求。 根据矿山采矿方法对充填的要求， 结合实验室 试验结果， 确定充填系统运行参数如下 （ １）充填站设置２套充填制备系统； （ ２）单套系统充填料浆流量为６ ０～８ ０ｍ ３／ ｈ； （ ３）充填料浆浓度为６ ０％～６ ４％； （ ４）灰砂比为１∶４～１∶８可调。 ２ 充填系统建设与运行效果 ２．１ 设计原则 根据矿山各采区生产现状及发展前景， 结合现 有选厂尾砂排放及尾矿库设置， 充填系统方案设计 遵循以下原则 （ １）充填系统建设分临时充填 ［１ ０］系统和永久 充填系统。临时充填系统是为尽快充填－１ ５ ０ ｍ （ 一、 二采区） 以上遗留的空区而建设的， 并且三采区 处于相对独立状态， 与一、 二采区相互隔离。所以临 时充填系统可作为永久充填系统的补充。 （ ２）采用各选厂生产流程产生的全尾砂作为充 填料。 （ ３）充填系统设计生产能力满足新采场空区及 遗留空区的充填能力要求。 （ ４）充填料浆采用全尾砂集中制备、 分区充填。 由于各采区空区分布不一， 所以采用分区充填的方 式。其中二采区浅部由于距地表过浅， 充填倍线大， 在１ ５ ＃井附近布置一个钻孔， 三采区为独立的采区， 井下暂未与一、 二采区贯通， 所以在三采区地表移动 范围外布置２个充填钻孔， 将制备好的充填料浆由 混凝土搅拌车运输至该钻孔， 然后自流至采空区， 或 者在其钻孔附近建立临时充填站， 将尾矿库经过自 然分级后的尾砂筛分后， 加入搅拌系统中， 将制备好 的料浆自流输送至采空区。二采区下部（ 距地表 １ ２ ０ｍ 以下） 及一采区空区充填倍线较小， 可由充填 站内的钻孔下料， 自流输送至空区进行充填。 （ ５）充填系统建设周期短、 投资省、 便于管理。 ２．２ 临时充填系统建设方案 临时充填系统主要采用混凝土搅拌站的形式建 设， 由搅拌系统、 水泥给料系统、 压气系统、 供水系 统、 控制系统所组成。充填工艺各环节如下 （ １）采集充填集料。采用尾砂作为充填集料， 在老尾矿库用铲运机和卡车将尾砂运至堆料场， 然 后将尾砂过筛去除大块和杂质， 最后用２ｍ ３ 铲运机 将合格的尾砂铲运至搅拌机配料斗内。 （ ２）胶凝材料准备。胶凝材料采用 Ｐ Ｃ．３ ２． ５水 泥， 水泥罐车将散装水泥运至临时充填站后， 用罐车 自带高压风系统将水泥吹入水泥仓中。充填时水泥 将通过单管螺旋给料机向中间仓给料， 通过调节单 管螺旋转动的频率可以增加或减少水泥的给料量。 （ ３）充填站用水。在充填站安装有流量为６ ０ ｍ ３／ ｈ的管道泵（ 一用一备） 为搅拌机供水， 管道泵 与矿山供水池用Ｄ Ｎ ８ ０管道连接， 保证水量充足。 （ ４）充填料浆制备。根据充填相关参数（ 充填 流量、 充填浓度、 灰砂比） 计算出配制１ｍ ３ 充填料浆 所需的干尾砂量、 水泥量、 水量， 然后在控制室内输 入相关参数。启动按钮后， 充填系统自动将尾砂、 水 泥、 水计量后输送至搅拌机中。 临时充填站全景如照片１所示。 照片１ 临时充填站 ２．３ 永久充填系统建设方案 充填系统由尾砂集中输送系统、 充填料浆制备 系统、 充填料浆搅拌运输系统、 充填钻孔及井下管网 系统等设施组成。永久充填站正面如照片２所示。 ２．３．１ 尾砂集中输送系统 矿山３个 选 厂 日 矿 石 处 理 能 力 合 计 为３ ０ ０ ０ ｔ／ｄ， 各选厂均安装有６ Ｐ Ｎ Ｊ衬胶砂泵及尾砂输送管 向尾矿库输送尾砂， 尾砂输送浓度一般为１ ５％～ ６２ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing １ ８％。为了将各选厂尾砂输送至充填站， 新建尾砂 扬送泵站， 将各选厂尾砂由已有的衬胶砂泵输送至 新建泵站的料池， 然后由新建尾砂扬送泵站的渣浆 泵集中输送至充填站的立式砂仓中（ 见照片３） 。 照片２ 永久充填站正面照 照片３ 渣浆泵 来自３个选厂的尾砂浆进入尾砂池后， 经２台渣 浆泵加压进入集料箱， 然后通过Φ ３ ２ ８ｍｍ（８ ＋ ６） ｍｍ陶瓷复合管输送至充填站立式砂仓顶部的进砂 缓冲箱并与絮凝剂混合后进入立式砂仓进行絮凝沉 降。当３个选厂合计尾砂产量为２ ６ ０ ０ｔ／ｄ、 尾砂浆浓 度为１ ５ ％～１ ８ ％时， 尾砂浆流量为６ ５ ４～５ ３ ４ｍ ３／ ｈ， 尾砂输送管内料浆流速为２ ．０ ９ ７ ～ ２ ．５ ７ １ｍ／ｓ。 ２．３．２ 充填料浆制备系统 （ １）全尾砂存储给料。充填站设置２个直径 Φ １ ２ｍ 、 容积１ ５ ４ ０ ｍ ３的立式砂仓储存全尾砂浆。 浓度为１ ５％～１ ８％的尾砂浆在立式砂仓中进行沉 降脱水并溢流， 使其达到最大沉降浓度。溢流水通 过Φ ４ ０ ０ｍｍ６ｍｍ 钢管自流输送至新建尾矿库 中进一步沉降， 尾矿库清水再由回水泵加压返回选 厂循环使用。 为了加快全尾砂中细颗粒沉降， 充填站设置１ 台自动加药机， 由该设备对聚丙烯酰胺型絮凝剂进 行自动配药、 搅拌、 输送絮凝剂溶液， 絮凝剂选用法 国爱森６ ０ ０ ０ｓ絮凝剂， 配药浓度０．３％。 （ ２）水泥存储给料。充填站设置２个直径为 Φ ６ｍ 、 容积３ ６ ０ｍ ３的水泥仓。水泥仓底部安装有 电液闸门、 双管螺旋给料机及螺旋电子秤。双管螺 旋电机采用变频调速， 改变螺旋转速即可改变水泥 给料量， 以满足不同灰砂比及生产能力的要求。 （ ３）充填料浆制备与输送。全尾砂浆、 水泥经 各自的供料线进入搅拌机。搅拌机选用双卧轴搅拌 机＋高速活化搅拌机两段搅拌。充填站设置２个充 填钻孔及混凝土搅拌运输车装料设施。制备好的充 填料浆根据充填地点的不同而分为两路， 当需充填 二采区深部及一采区空区时， 将其引入充填钻孔而 自流输送至充填地点。而当需充填二采区浅部及三 采区空区时， 则由１ ＃充填系统引向混凝土搅拌运输 车装车， 运至二采区上部充填钻孔或三采区充填钻 孔， 并卸入钻孔上部的下料斗， 最终通过钻孔及井下 管道自流输送至充填地点。 （ ４）系统自动控制。充填站设立较完善的自控 系统， 以对充填系统各运行参数进行检测和调节， 运 行参数包括放砂浓度、 放砂流量、 水泥给料量、 充填 流量及充填浓度等。这些参数由大容量计算机进行 数据采集、 模拟显示及存贮， 以便于对充填系统运行 状况进行有效监控和管理。 充填系统运行状况实现了实时监控， 在尾砂仓 顶、 放料平台、 搅拌平台及钻孔下料斗等位置设置摄 像头， 生产画面实时显示在操作室显示器上。操作 室及电脑界面见照片４。 照片４ 自动控制操作室 ２．４ 运行效果 矿山永久与临时充填系统经过几年的使用实 践， 证实有以下几方面的特点 （ １）充填料浆流量、 浓度、 灰砂比稳定且可调， 实现了全尾砂“ 结构流” 充填（ 见照片５） ， 充填系统 各项指标均达到了设计能力， 满足生产要求。 （ ２）根据充填站取样及采空区现场勘察结果， 充填料浆在２ ４ｈ内均已凝固， 充填体表面平整、 整 ７２ 康瑞海， 等 全尾砂结构流充填工艺在内蒙某多金属矿的研究与应用 ChaoXing 体性好（ 见照片６） 。 照片５ 充填料浆（ 永久充填站取样浓度在６ ４％左右） 照片６ 井下充填体 （３）根据充填料浆取样试块强度测试结果统计 分析， 永久充填站灰砂比按１∶４～１∶６要求充填， 临时充填站灰砂比按１∶８要求充填， 充填体强度普 遍在２． ８ＭＰ ａ以上， 强度满足生产要求。 （ ４）采用临时充填站与永久充填站相结合的建 设方案， 有效解决了矿山急需充填与永久充填站建 设周期长的问题。 （ ５）大倍线条件下充填料浆采取集中制备、 分 区充填［ １ １－１ ２］的方式， 相较泵送方式其投资及运营成 本低， 料浆输送能力有保障。 （ ６）永久充填站投入使用后， 充填能力大大提 高， 井下采空区得到了及时充填， 极大地提高了井下 生产效率， 减少了安全隐患。 ３ 结 语 充填采矿法及充填工艺日趋成熟， 结合矿山实 际情况， 因地制宜地设计矿山充填系统才能实现充 填效率与充填效益的最大化， 才能为矿山所认同。 永久充填站与临时充填站结合， 集中制备与分区充 填结合是该矿充填系统设计的显著特点， 可以在类 似矿山推广应用。 参考文献 ［１］杨启鑫， 宋书杨．铅锌矿充填工艺现状及展望［Ｊ］．世界有色金 属，２ ０ １ ７（ ２ １） ７ ６－７ ７． ［２］梁 冰， 董 擎， 姜利国， 贾立锋．铅锌尾砂胶结充填材料优 化配比正交试验［Ｊ］． 中国安全科学学报， ２ ０ １ ５，２ ５（１ ２） ８ １－ ８ ６． ［３］周爱民．中国充填技术概述［Ｃ］ ／ ／中国有色金属学会．第八届 国际充填采矿会议论文集．北京 中国有色金属学会，２ ０ ０ ４ １－７． ［４］胡 华， 孙恒虎．矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新 技术［Ｊ］． 中国矿业， ２ ０ ０ １（６） ４ ９－５ ２． ［５］孙凯年， 刘可任．尾砂粒度对充填体物理力学性质的影响［Ｊ］． 有色金属，１ ９ ８ ３（３） １ ４－２ ２． ［６］赵建会， 刘 浪． 基于坍落度的充填膏体流变特性研究［Ｊ］ ． 西 安建筑科技大学学报（ 自然科学版） ，２ ０ １ ５，４ ７（２） １ ９ ２－１ ９ ８． 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