香炉山钨矿充填料浆浓度对成本的影响_万林海.pdf

香炉山钨矿充填料浆浓度对成本的影响 万林海１ ， 江 科 ２， 刘冬春１ （ １．江西省修水香炉山钨业有限责任公司， 江西 九江市 ３ ３ ２ ４ ０ ０； ２． 长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２） 摘 要 对全尾砂料浆流动性能研究得出香炉山钨矿最佳的充填浓度为６ ９％～７ １％ ， 分 析对比实际生产浓度与最佳浓度条件下充填体的强度值， 可知充填体强度与龄期、 水泥的 添加量和料浆浓度成正比， 且水泥添加量大、 龄期长时， 浓度值的差异对强度的影响较大。 通过料浆泌水试验计算得到各充填物料的消耗量， 按井下对充填体的要求所对应７ １％和 ６ ５％料浆的水 泥单耗 为 １ ７ ６． ３ｋ ｇ ／ｍ ３、 ２ １ ９． １ｋ ｇ ／ｍ ３， 浓 度 值 的 提 高 可 节 省 水 泥４ ２． ８ ｋ ｇ ／ｍ ３ 、 合 １ ４ ９ ８ ０ｔ／ａ， 每年可为香炉山钨矿节省５ ９ ９．２万元的充填运营成本。为实现高浓 度充填， 香炉山钨矿展开了充填系统优化改造工作， 增加高效深锥浓密机作为全尾砂预处 理设备， 实现企业降本增效的目的。 关键词 料浆流动性能； 料浆浓度； 充填成本； 系统优化改造 ０ 引 言 钨金属是现代国防和高精尖技术不可或缺的材 料， 广泛应用于钢铁、 化工、 合金等领域， 近年来我国 钨的整体消费持续快速增长， 生产量和消费量均居 世界首位， 随着我国城镇化建设和供给侧结构转型， 对高精材料的需求与日俱增， 能否合理开发利用钨 资源将直接影响国民经济的健康发展［ １－３］。我国早 期钨资源开采方式中空场法的比例较大， 具有开采 成本较低、 简单易实行等优点， 但其遗留空区经过长 年的开采扰动及地应力变化的影响， 已成为重大的 危险源， 同时大量矿柱无法回采， 造成资源浪费， 不 利于企业乃至行业的可持续发展［ ４－５］。 安全是矿山发展的先决条件， 在保证安全环保 的前提下提高资源的有效利用率是企业追求的核心 目标， 钨矿山采用充填采矿法是实现这一目标的有 效手段， 充填法能最大限度地回收金属资源、 保证井 下采矿安全、 有效减少固体废物的排放。充填成本 较高是企业推广应用充填法的阻碍因素之一， 如何 合理地降低成本是充填工艺研究的重点， 国内外针 对充填成本的影响因素研究较多， 主要是胶凝材料 的研发及对灰砂比的优化， 减少充填中胶凝材料的 用量以达到降低成本的目的， 这些研究工作应用于 具体矿山的充填作业中取得了巨大的经济效益［ ６－９］。 但上述研究中大多未考虑除灰砂比外的其他影响因 素， 如未考虑充填浓度的影响， 均建立在高浓度充填 的假设之上， 与某些矿山的实际情况有所出入。本 文结合香炉山钨矿充填系统的优化改造， 探究料浆 浓度对充填成本的影响， 进行定量分析， 使结果有别 于定性分析的简单描述而形成直观的对比， 并最终 提出提高充填料浆浓度的工艺方案， 可供类似矿山 充填系统优劣指标分析和优化设计借鉴。 １ 矿山概况 香炉山钨矿开采技术条件好、 矿石品位高， 是国 内为数不多的高价值白钨矿山之一， 前身为数个民 采矿山企业， 后经整合形成目前的采选规模， 但早期 民营企业空场法开采遗留有大量空区未处理， 当前 钨资源的战略地位已不允许空场法所导致的资源浪 费， 香炉山钨矿２ ０ １ ０年开展充填采矿法的研究及充 填系统的建设工作［ １ ０－１ ３］。２ ０ １ ３年充填系统正式建 成投产服务井下， 充填系统工艺为三、 四选厂总尾泵 送至立式砂仓， 立式砂仓通过沉砂、 溢流浓缩储存尾 砂， 散装水泥由水泥罐车运至现场， 气卸进入水泥 仓， 井下准备充填后砂仓放砂、 水泥计量给料至立式 搅拌桶， 搅拌桶制备后的料浆通过地表充填钻孔和 井下管网自流至空区完成充填， 充填制备站配备有 自动集成系统实现集中控制。该系统在后期生产运 行过程中显露出较多问题， 致使充填工作难以顺畅 运行， 主要为溢流固含量高， 充填用尾砂利用率低； 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 尾砂浆在砂仓内易起泡， 泡沫发黏难消除； 砂仓放砂 浓度低且波动性大， 制备的充填料浆质量较差等。 针对充填系统的弊端， 香炉山钨矿与科研院所联合 展开了大量的攻关工作， 研制开发了尾砂浆消泡沉 降关键技术的药剂制度， 解决难处理尾砂的沉降难 题， 但充填浓度较低的问题仍有待解决。 ２ 全尾砂充填料浆性能研究 充填料浆浓度越高对充填体强度的形成越有 利， 但浓度过高会导致料浆流动性变差， 在实际生产 中无法应用； 浓度过低则会导致输送过程中的沉降 离析及胶凝材料耗用大等弊端， 所以特定矿山充填 存在一个最佳的料浆浓度范围值［ １ ４－１ ６］。为探究料浆 浓度对香炉山钨矿充填成本的影响， 首先需弄清适 合香炉山钨矿全尾砂充填的最佳料浆浓度范围值。 通过对香炉山钨矿全尾砂浆流动性能进行试验研 究， 得到其在不同浓度下的塌落度值和流变参数， 结 果如表１和图１所示。塌落度值是评判料浆流动性 的重要指标， 同时可以通过塌落度试验直观地观察 料浆的粘聚性和保水性； 屈服剪切应力τ０的物理意 义为料浆在静止状态下抵抗变形的能力， 由试验结 果可知全尾砂料浆屈服剪切应力τ０值随着浓度的 降低而逐渐降低， 与料浆浓度具有直接的关系， τ０值 过大， 料浆管道输送时静摩擦阻力大， τ０值过小说明 料浆抵抗离析沉降的能力较弱， 增大料浆输送过程 中的堵管风险； 粘性系数η指料浆在运动状态下所 产生的抵抗剪切变形的能力， 其值大小与料浆浓度、 颗粒级配、 颗粒形状等因素有关， 在充填物料选定的 情况下， 其影响主要因素为料浆浓度， η值越大， 料 浆越难 以 输送， 如料 浆浓度 为７ ５％时， η 值 达 到 １ ５．０ １Ｐ ａＳ， 由此而引起的阻力使得料浆无法在管 道中自流输送， 而当料浆浓度降低时， 粘性系数η也 逐渐降低。由上述香炉山钨矿料浆流动性能的测试 结果 可 知， 料 浆 最 适 宜 的 自 流 输 送 充 填 浓 度 为 ６ ９％～７ １％ （ 见图１、 表１ ） ， 此时料浆和易性好、 无离 析沉降现象， 流动阻力小， 可顺利实现正常充填倍线 采场的充填作业。 表１ 香炉山钨矿全尾砂料浆流动性参数 浓度／％ 塌落度／ｃ ｍ τ０／Ｐ ａ η ／ （Ｐ ａＳ） ７ ５ ２ ４． ５ ２ ４．２ ８ １ ５．０ １ ７ ３ ２ ７． １ ７．８ ４ １．１ ６ ７ １ ２ ８． ５ １． ７ ０．３ ４ ６ ９ ２ ９ ０．４ ２ ０．２ １ 图１ 全尾砂料浆流动性参数曲线 ３ 不同浓度料浆配比强度试验研究 ３．１ 试验目的及内容 香炉山钨矿全尾砂最佳的充填浓度为６ ９％～ ７ １％， 但实际生产中由于立式砂仓易形成放砂漏斗 等固有缺陷导致充填料浆浓度长期维持在６ ５％左 右、 甚至更低， 为了满足井下采矿及空区处理对充填 体强度的要求， 生产中水泥添加量大， 充填成本居高 不下。通过对不同浓度料浆进行配比强度试验， 探 究料浆浓度对充填体强度及胶凝材料消耗量的影 响， 试验选取香炉山钨矿全尾砂及选厂原浆水， 胶凝 材料为现场生产使用水泥， 经计量后按特定的灰砂 比和浓度进行配制， 试验浓度为７ １％，６ ９％和６ ５％， 灰砂比为１∶４，１∶６，１∶８和１∶１ ２， 最终制成７． ０ ７ ｃ ｍ７．０ ７ｃ ｍ７．０ ７ｃ ｍ 的标准试块， 并进行相应的 保湿保温养护， 养护至相应龄期时进行单轴抗压试 验， 同时对上述各组充填料浆进行泌水率测试， 通过 试验数据计算各充填物料的消耗量。 ３．２ 试验结果及分析 香炉山钨矿全尾砂配比强度试验结果见表２， 各龄期不同配比条件下强度值对比曲线见图２。 表２ 配比试验强度值 编号 料浆浓度 ／％ 灰砂比 龄期强度／ＭＰ ａ ３ｄ７ｄ２ ８ｄ６ ０ｄ １ ２ ３ ４ ７ １ １∶４ １．２ ７ ８ ２． １ ２ ５ ２．８ ４ ４ ３．７ ５ １ １∶６ ０．５ ９ ４ １． ２ ７ ３ １．９ ３ ８ ２．４ ６ ５ １∶８ ０．５ ０ ５ ０． ８ ８ １ １．４ ６ ９ １．９ ３ １ １∶１ ２ ０．２ ７ ２ ０．４ ４ １ ０．６ ０ １ ０．９ ０ ０ ５ ６ ７ ８ ６ ９ １∶４ １．１ ９ ６ ２． １ ０ ９ ２．５ ６ ３ ３．５ ３ １ １∶６ ０．５ １ ４ １． １ ３ １ １．８ ４ ４ ２．２ ０ ６ １∶８ ０．４ ７ ２ ０． ８ ０ ５ １．３ ４ ４ １．７ ２ ４ １∶１ ２ ０．２ ３ １ ０．４ ０ ４ ０．５ ５ ６ ０．８ ５ ２ ９ １ ０ １ １ １ ２ ６ ５ １∶４ １．０ ７ １ １． ４ ９ ４ １．９ ２ ５ ３．０ ５ １ １∶６ ０．４ １ ６ ０． ８ ７ ８ １．４ １ ７ １．９ ０ ９ １∶８ ０．３ ０ ３ ０． ５ ５ ８ ０．９ ９ ０ １．３ ２ ４ １∶１ ２ ０．１ ３ ８ ０．２ ２ ０ ０．３ ６ ８ ０．６ ２ ０ ２４ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing 图２ 各龄期不同配比条件下强度值对比曲线 由表２及图２可以直观地得出 充填体强度与 龄期、 水泥的添加量和料浆浓度成正比。６ ５％浓度 下充填体强度与６ ９％或７ １％有较大差别， 例如灰砂 比１∶６、 龄期为２ ８ｄ时，６ ５％，６ ９％，７ １％浓度下的 充填体强度值分别为１．４ １ ７，１．８ ４ ４ ＭＰ ａ和１． ９ ３ ８ ＭＰ ａ，６ ９％和７ １％充填体较６ ５％浓度的强度值增长 ３ ０．１％和３ ６．８％， 当水泥添加量更大、 龄期更长时， 浓度值高低对充填体强度的影响更大。表３为不同 配比条件下通过泌水率试验测试结果计算出的充填 物料消耗量， 可知其他条件不变的情况下， 料浆浓度 越高， 水泥的消耗量越大， 但增幅很小， 出现这种现 象的原因是高浓度料浆形成的充填体较密实， 单位 体积含有的尾砂和水泥越多， 而在实际生产中， 低浓 度料浆由于离析严重， 大量泌水的过程中带走较多 的水泥颗粒， 致使水泥的消耗量反而多于高浓度 料浆。 综合表２ 、 表３ ， 当井下需要充填体２ ８ｄ强度为 １．５ＭＰ ａ时， 料浆浓度为７ １％和６ ５％的全尾砂充填 体的灰砂比分别为１∶７．８ ３，１∶５．５ ５， 水泥单耗为 １ ７ ６．３ｋ ｇ／ｍ ３、 ２ １ ９．１ｋ ｇ／ｍ ３， 因而每形成１ｍ３充填实 体， ７ １％浓度料浆可比６ ５％料浆少消耗水泥４ ２．８ ｋ ｇ， 按每年３ ５万 ｍ ３空区需２ ８ｄ强度值达到 １． ５ ＭＰ ａ计算， 由浓度值的提高可节省水泥用量１ ４ ９ ８ ０ ｔ， 可节省充填材料成本５ ９ ９．２万元， 此项是矿山节 流提效的重要可实行途径。 表３ 各配比条件下形成１ｍ ３充填体消耗的物料量 编号浓度／％灰砂比 充填物消耗量／ ｋ ｇ 全尾砂水泥水 １ ２ ３ ４ ７ １ １∶４ １ １ ９ ７．６ ２ ９ ９． ４ ５ ０ ９．２ １∶６ １ ２ ８ ６．９ ２ １ ４． ４ ４ ９ ３．１ １∶８ １ ３ ８ ８．９ １ ７ ３． ６ ４ ９ ９．５ １∶１ ２ １ ４ ０ ２．９ １ １ ６． ９ ５ ０ ３．１ ５ ６ ７ ８ ６ ９ １∶４ １ １ ６ ２．７ ２ ９ ０． ６ ５ ２ ０．２ １∶６ １ ２ ６ ０．７ ２ １ ０． １ ５ ０ ５．５ １∶８ １ ３ ７ ２．８ １ ７ １． ６ ５ ０ ２．２ １∶１ ２ １ ３ ９ ０．３ １ １ ５． ８ ４ ７ ８．８ ９ １ ０ １ １ １ ２ ６ ５ １∶４ １ １ ２ ８．０ ２ ８ ２． ０ ５ ０ ０．７ １∶６ １ ２ ４ １．７ ２ ０ ６． ９ ５ １ ５．５ １∶８ １ ２ ９ ７．６ １ ６ ２． ２ ５ ０ ９．６ １∶１ ２ １ ３ ３ ９．２ １ １ １． ６ ４ ８ ３．７ ４ 充填系统工艺优化方案 为实现香炉山钨矿高浓度料浆充填， 应对充填 系统工艺进行改造， 并结合尾砂消泡沉降药剂制度 的应用， 选择新增高效深锥浓密机作为全尾砂的预 处理设备， 该优化改造工艺如图３所示， 全尾砂经选 ３４ 万林海， 等 香炉山钨矿充填料浆浓度对成本的影响 ChaoXing 厂泵送至深锥浓密机进料箱， 在进料过程中完成消 泡沉降药剂的添加混合工作， 深锥浓密机可加大尾 砂的沉降面积， 同时保证压缩段的高度， 为持续供给 高浓度底流提高保证， 浓密机底流可自流至现有立 式搅拌桶或泵送至立式砂仓作缓冲调节、 分配， 再进 入制备流程制备成高浓度充填料浆服务于井下。 图３ 优化改造后的工艺流程 ５ 结 论 （ １）香炉山钨矿资源价值高， 实行充填采矿法 采矿能最大化地发挥资源效益， 但充填系统应用过 程中出现尾砂难沉降、 充填浓度低、 成本居高不下等 问题。本文通过对全尾砂料浆流动性参数的试验确 定其最佳的充填浓度范围为６ ９％～７ １％； 为探究充 填浓度对成本的影响， 进行了最佳浓度与现场运行 浓度条件下不同灰砂比充填体的强度配比试验， 对 比试验结果分析浓度值高低对强度配比的影响， 如 灰砂比１∶６、 龄期为２ ８ｄ时，６ ９％和７ １％浓度下充 填体２ ８ｄ强度值较６ ５％浓度增长３ ０． １％和３ ６．８％。 （ ２）经料浆泌水率试验计算得到不同配比条件 下充填物料的消耗量， 根据井下充填要求， 每年有 ３ ５万 ｍ ３空区需２ ８ｄ强度为１． ５ＭＰ ａ的充填体， 计 算达到此要求的 ７ １％ 和 ６ ５％ 料浆中水泥单耗为 １ ７ ６．３ｋ ｇ／ｍ ３、 ２ １ ９．１ｋ ｇ／ｍ ３， 因而可节省水泥４ ２． ８ ｋ ｇ ／ｍ ３ 、 合 １ ４ ９ ８ ０ｔ／ａ， 香炉山钨矿充填浓度的提高 可为企业每年节省５ ９ ９．２万元的充填运营成本。 （ ３）以上研究确定香炉山钨矿的优化改造方 向， 通过添加高效深锥浓密机作为全尾砂预处理的 装置， 可解决尾砂难沉降问题， 同时保证充填供砂浓 度， 实现全尾砂的高浓度充填。 （ ４）下一步可通过胶凝材料研发工作选择更适 合香炉山钨矿全尾砂的新型胶结剂， 进一步降低充 填成本， 为企业创造更好的经济效益。 参考文献 ［１］袁 博， 李钟山， 刘良先， 柳群义， 孙立楠， 赵 敏．我国钨资 源储备规划形势分析［Ｊ］．中国矿业， ２ ０ １ ６，２ ５（１） １ ５－１ ８． ［２］张洪川， 高 辉， 王建国， 卢 杰．全球钨资源供需格局分析 及对策建议［Ｊ］．中国矿业， ２ ０ １ ５，２ ４（Ｓ １） １－５． ［３］祁水连， 侯春华．我国钨资源利用情况分析［Ｊ］．中国国土资源 经济，２ ０ １ １， ２ ４（１ ０） ２ ４－２ ７，５ ５． ［４］郑 磊， 余 斌， 胡建军， 龙 涛．中国钨矿采矿技术现状分 析［Ｊ］．有色金属（ 矿山部分） ， ２ ０ １ ３，６ ５（１） １ ２－１ ５． ［５］吴吉洋．分段空场采矿法在漂塘钨矿的应用［Ｊ］．江西有色金 属，２ ０ ０ ７（ １） １ １－１ ２，３ ５． ［６］吴爱祥， 王 勇， 王洪江．膏体充填技术现状及趋势［Ｊ］．金属 矿山，２ ０ １ ６（ ７） １－９． ［７］梁志强．新型矿山充填胶凝材料的研究与应用综述［Ｊ］．金属 矿山，２ ０ １ ５（ ６） １ ６ ４－１ ７ ０． ［８］董 璐， 高 谦， 南世卿， 杜聚强．超细全尾砂新型胶结充填 料水化机理与性能［Ｊ］．中南大学学报（ 自然科学版） ， ２ ０ １ ３， ４ ４（４） １ ５ ７ １－１ ５ ７ ７． ［９］赵传卿， 胡乃联．充填胶凝材料的发展与应用［Ｊ］．黄金，２ ０ ０ ８ （１） ２ ５－２ ９． ［１ ０］ 宋嘉栋， 罗 佳， 周爱民， 欧任泽， 甯瑜琳， 林卫星．围堰式袋 装充填采矿法在香炉山钨矿的应用［Ｊ］．矿业研究与开发， ２ ０ １ ５，３ ５（１ ２） １－４． （ 下转第６ ０ 页） ４４ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing 形成高台阶， 抛掷爆破后， 利用机械式单斗挖掘机配 合二次倒堆； 方案三 松动爆破分层开采方案。合并 半台阶， 形成高台阶后， 采用松动爆破技术， 利用辅 采设备分层开采。 根据前述计算， 若节省一个平盘的运距， 根据该 矿现有运量， 年节省运费２ ７ ０ ０万元， 而且随着开采 程序的进行， 尖灭台阶的数量会增多， 经济效果更加 明显； 原矿围岩混入率的问题可以通过后期选厂的 洗选得到解决； 设备购置在费用支出部分所占比重 大， 根据型号不同费用略有差异， 按照市场平均水平 计算， 一台推土机的购置费在６ ０ ０万元， 用于倒堆的 机械式单斗挖掘机需要将斗臂加长， 按照国内５ ５ ｍ ３斗容的挖掘机计算为９ ８ ０ ０万元， 斗容１ ０ｍ３的液 压挖掘机购置费１ ５ ０ ０万元。 从以上分析可以得出结论 采用方案三时， 经济 效果最明显， 设备购置年节省费用１ ２ ０ ０万元， 之后 每年节省费用可达２ ０ ０ ０万元以上。 ３ 结 论 （ １）为了解决尖灭台阶穿爆困难， 爆破后根底 现象严重以及采掘设备效率低下的问题， 提出４种 解决方案， 即组合台阶方案、 倾斜台阶分层方案、 爆 破工程优化方案、 辅助设备开采方案。对上述方案 的实施过程及适用范围进行了分析。 （ ２）以某露天矿山为例， 提出３种适合的方案， 对组合台阶工作帮运输平盘宽度、 抛掷爆破方案实 施方法、 松动爆破分层开采方案进行分析， 论述各方 案优点。 （ ３）选取工程适应性、 上部水平节省运距减少、 矿石质量保证及设备购置为指标对方案进行经济评 价， 经计算当采用松动爆破结合辅采设备分层开采 方案时， 现有开采条件下可节省一个平盘宽度的内 排运距， 年节约成本１ ２ ０ ０万元， 为最优方案。 （ ４）我国露天矿矿体近水平埋藏时， 为了便于 设计施工以及设备作业， 工作线往往采用全区横采 或分区横采布置， 因此普遍出现台阶尖灭现象。研 究露天矿台阶尖灭处理方法不仅可以节省运输费 用， 降低穿爆难度， 减小根底， 同时可提高设备作业 效率， 节约生产成本， 还丰富了露天开采的设计方 法。研究结果具有良好的应用价值。 参考文献 ［１］骆中洲．露天采矿学（ 上册） ［Ｍ］．徐州 中国矿业大学出版社， １ ９ ８ ６． ［２］贾荣军．伪走向工作线布置在奇台总场露天煤矿设计中的应 用［Ｊ］． 露天采矿技术， ２ ０ １ ２（４） １ ７－１ ８． ［３］李祥龙， 何丽华， 栾龙发， 等．露天煤矿高台阶抛掷爆破爆堆 形态模拟［Ｊ］． 煤炭学报， ２ ０ １ １（９） １ ４ ５ ７－１ ４ ６ ２． ［４］马 力， 李克民， 丁小华， 等． 黑岱沟露天矿抛掷爆破效果的 模糊综合评价［Ｊ］． 金属矿山， ２ ０ １ 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８－０ ８－０ ３） 作者简介 万林海（１ ９ ８ ５－） ， 男， 江西安义人， 工程师， 主要从 事采矿技术工作，Ｅｍ ａ ｉ ｌ ３ ９ ８ １ ８ ５ ８ ０ ４＠ｑ ｑ ．ｃ ｏ ｍ。 ０６ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing