新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用.pdf

I SS N 1 6712 90 0 CN 431 3 47 ／TD 采矿技术第 1 O卷第 3期 Mi ni ng T e c hn o l o g y，Vo 1 ．1 0， No． 3 2 0 1 0年 5月 Ma v 2 01 0 新 型 全 尾 砂 胶 结 充 填 采 矿 工 艺 技 术 研 究 与 应 用 ． 王喜兵 ， 庞计来， 李红桥 中国五矿矿业安徽诺普矿业公司， 安徽 霍邱县2 3 7 4 6 4 摘要 安徽霍邱诺普矿 业有限公 司与长沙矿山研 究院合作 ， 进行 了大规模地下低品位铁 矿 山充填采矿技术的研究与试验 ， 建成 了代表我 国第四代新型充填工艺的充填站。1年 多的生产运行表明， 系统输送能力可达 9 1 ． 2 9 m ／ h ， 浓度稳定在 7 0 ％左右 ， 充填综合成本 为 7 8 ． 4 3． o ／ m ， 充填倍线为 9 ． 0 3 。该充填 系统技术先进 ， 工艺科学合理 ， 充填浓度高， 成 本 费用低， 完全可满足大型铁矿山连续充填作业要求 ， 对我 国同类矿山实现充填采矿具有 前瞻性的示范作用和推广价值 。 关键词 全尾砂； 结构流； 充填倍线； 自然沉降脱水； 胶结充填 由于充填成本高 ， 工艺复杂 ， 目前充填采矿技术 尚主要应用于贵重、 有色金属矿山， 在低品位大规模 地下铁矿山的采矿方法 中尚未得到广泛应用 。随着 国家大力倡导节能减排 、 保 护环境 、 防治地质灾害、 保护耕地等基本政策 的相继出台， 以及充填采矿方 法的不断创新发展 ， 无论从降低尾砂排放量 、 减少地 表塌陷面积 ， 还是保护环境的角度 出发 ， 矿山企业采 用充填技术已经成为未来发展的趋势。 1 吴集铁矿床开采技术条件 安徽霍邱吴集铁矿 北段 位于淮河 中上游南 岸 ， 属于沿淮侵蚀堆积平原区， 是霍邱县铁矿区内已 知规模较大的铁矿。矿石主要为磁铁矿 ， 平均地质 品位 T F e 2 9 ． 2 0 ％。矿体沿走向长 3 1 6 2 m， 控制斜 深 1 6 3～6 5 7 m， 平均斜深 3 9 3 ． 5 5 m， 赋存标高 一3 3 一一 6 6 3 m 以下 ， 厚度 2 ． 0～ 5 8 ． 7 m， 平均 2 2 ． 2 3 m。 矿体走 向 自南 向北 由 3 3 5 。 转至 1 8 。 ， 倾 向西 ， 倾角 5 0 。～ 7 O 。 。矿体上覆第 四系厚度达 1 4 0 m左右 ， 且 其中含有多层含水的长石 中粗砂层 ， 矿 区地表地势 平坦微起伏 ， 区内沟塘密布， 地表多为农田与村庄 。 吴集铁矿 北段 矿体上 、 下盘围岩一般为片麻 岩和石榴石英片岩， 与矿体一般为渐变过渡 ， 少数地 段矿体上 、 下盘围岩为花岗岩。矿体上 、 下盘围岩 中 含全铁约在 8 ． 3 0 ％ ～1 6 ． 4 0 ％之问。矿石矿物成分 简单 ， 金属矿物主要为磁铁矿， 非金属矿物主要为石 英。矿石平均密度 为 3 ． 3 3 t ／ m ， 岩石平均密度 为 2 ． 9 t ／ m ， 矿 、 岩普 氏硬度系数分别为 1 2～1 8 ， 8～ 1 2 ； 矿 、 岩松散系数均为 1 ． 5～1 ． 6 ， 矿山设计生产规 模为 2 0 0万 t ／ a 。 2 采矿方法与充填系统 2 ． 1 采矿方法选择与矿块布置 根据吴集铁矿 北段 开采 区域现状 ， 地表为村 庄和良田， 不允许塌陷； 矿体上部为破碎风化带 ， 漏 水渗水强， 应保护采场顶板不塌陷； 矿体属中厚 以上 急倾斜矿体， 围岩和矿体稳固性较好等特点， 为了提 高资源回收率 ， 避免保 留大量矿柱支撑采空区顶板 ， 综合考虑吴集铁矿 北段 生产规模较大 ， 矿体较规 整 ， 设计选用阶段空场嗣后充填采矿法 ， 充填系统研 发全新的全尾砂结构流体胶结充填工艺与技术。 由于矿体厚度大于 3 0 m的矿体 占 6 7 ． 1 6 ％ ， 厚 度小于 6 m 的矿体 占 7 ． 1 7 ％ ， 63 0 m的矿体 占 2 5 ． 6 7 ％， 考虑到 矿体倾 角 5 0 。一7 0 。 ， 变 化范 围较 大， 设计确定厚度大于 3 0 m的矿体采用大直径深孔 凿岩 ， 小于 3 0 i n的矿体采用中深孔凿岩。 采用大直径深孔凿岩 的厚矿体部分 ， 矿块垂直 矿体走 向布置 ， 一步采和二步采矿块尺寸相同 ， 矿块 高 1 0 0 m 出矿中段高度 ， 宽 2 0 m， 长 3 8 m 矿体厚 度 ， 每 1 2 0 m 6个矿块 设一条矿石溜井和通风天 井。凿岩中段高度为 5 0 m。 采用中深孔凿岩的矿体 ， 矿块沿矿体走向布置 ， 一 步采和二步采的矿块高 1 0 0 m， 矿块宽度为矿体 厚度 ， 一步采矿块长 4 5 m 根据矿岩稳 固情况确定 ， 一 般为 3 0～5 0 m ， 二步 采矿块 长 7 5 m 4 0～8 0 m ， 每 1 2 0 m 2个矿块 设一条矿石溜井和通风天 井。凿岩 中段高度为 5 0 m。 2 采妒枝朱 在生产过程 中， 采场结构参数根据采矿方法试 验和生产实践不断调整 ， 以适应具体的地质条件 ， 提 高矿山的经济效益。 2 ． 2 新型充填 系统 充填系统工艺流程见 图 1 ， 主要 由全尾砂储存 供料线 、 水泥储存供料线 、 调浓水供给线 、 充填料浆 制备与输送 、 自动控制及检测系统等组成。 2 ． 2 ． 1 全尾砂储存供料线 充填站设有两套充填系统 ， 每套充填系统设 置 两个立式砂仓 ， 砂仓直径 1 0 m， 直筒体高度 1 0 m， 总 高 2 2 m， 每个砂仓容积 8 5 0 m 。选矿厂全尾砂浓度 为 1 0 ％ ， 由渣浆泵直接输送至充填站的立式全尾砂 存储仓 中。4个砂仓交替进砂和充填。 砂仓进砂过程 中， 中低浓度尾砂浆中的尾砂颗 粒 自然沉降在砂仓底部， 而水则通过砂仓顶溢流孔 、 溢流环道及回水管道 自流至尾矿库 中。砂仓上部安 装有尾砂沉降面高度监测报警装置。当尾砂沉降面 达到设定位置时即发出报警信号 ， 停止该砂仓进砂。 图 1 充填 系统工艺流程 王喜兵， 等 新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用 3 砂仓停止进砂静置 1 h后 ， 根据最终砂仓料位打 开料位以上的各排水球 阀， 使全尾砂沉降面以上 的 澄清水通过该组球阀及回水管排出。溢流水及澄清 水 自流进入尾矿库沉淀 ， 尾矿库中澄清水通过回水 泵输送至选矿厂重复使用 。 充填时采用压气造浆作业。每个砂仓底部安装 有 1 2 0个造浆喷嘴 ， 2 2 ． 0 m平 台布置有 1 5个进 气球 阀及 1 5个排气球阀。逐排打开进气阀门和对 应的排气阀门， 排空造浆管 内杂物， 然后关闭排气 阀 门， 使压气造浆喷嘴启动 ， 从而对仓 内尾砂 进行造 浆。待池中全尾砂造浆均匀后 ， 打开放砂阀通过放 砂管向搅拌机供给全尾砂浆 ， 其放砂量 由放砂管上 电磁流量计进行检测， 放砂 流量 由电动夹管阀进行 调节 。 2 ． 2 ． 2 水泥储存给料线 选用普通硅酸盐水泥作为胶结剂。散装水泥 由 散装水泥罐车运至充填站后 ， 通过吹灰 管吹灰卸入 散装水泥仓中。为了防止各种杂物进入水泥仓 ， 吹 灰管上设置有过滤装置。散装水泥仓 直径 5 ． 0 m， 总高约2 1 m， 有效容积为2 0 0 m ， 可储存水泥 2 6 0 t ， 能满足充填系统连续运行要求 。水泥仓顶设置人行 检查孔 、 雷达料位计及袋式收尘器。 水泥仓底部设置有螺旋 闸门及双管螺旋给料 机。充填时打开螺旋闸门， 启动双管螺旋给料机 即 可向搅拌机定量供给水泥。水泥给料量由螺旋电子 秤检测。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。 2 ． 2 ． 3 调浓水供给线 充填站设置一条供水管道， 由水泵加压供给压 力水 ， 用于冲洗 设备 、 疏通 管道及调节充填料浆 浓 度。当充填料浆浓度过高时 ， 利用供水管上安装 的 调浓水 阀， 经电磁流量计检测 ， 由电动调节阀调节调 浓水量。 2 ． 2 ． 4 充填料浆制备与输送 全尾砂浆、 水泥及适量调浓水经各 自的供料线 进入进料斗后供给搅拌机 。搅拌机选用双卧轴搅拌 机 高速活化搅拌机两段连续搅拌。两段搅拌机用 连接斗进行连续。充填料经两段连续搅拌均匀后制 备成浓度适 中、 流动性 良好 的充填料浆 ， 进入 测量 管。测量管上安装有电磁流量计及 - y 射线浓度计 ， 用以检测充填料浆流量和浓度。 充填料浆最终进入充填料下料斗 ， 并通过充填 钻孔及井下充填管网自流输送至井下采场空区进行 充填。为防止大块进入充填钻孔并便 于冲洗管道 ， 下料斗设置有格筛 、 冲洗水阀及钻孔排气孔 。 每套充填系统布置两个充填钻孔 ， 间距为 3 m， 两组充填钻孔间距离为 1 4 m， 自地表 4 4 m施工至 一 1 0 0 I T I 水平 。各钻孔中采用 l 3 3 mm1 0 m m锰 钢管作为输送管 ， 而井下充填平巷至采场用 内径为 1 1 0 mm的钢编高强复合管作为输送管。 2 ． 2 ． 5系统 自动控制 为 了保证充填料浆制备浓度 、 流量及配 比的准 确及稳定 ， 充填站设立了完善的 自控系统 ， 对充填系 统各运行参数进行检测和调节。 系统 自动检测的参数主要有 全尾砂放砂流量 、 水泥给料量、 调浓水量 、 充填料浆流量 、 充填料浆浓 度 、 水泥仓料位 。 系统 自 动调节的参数主要有 全尾砂放砂流量、 水泥给料量、 调浓水量。 上述系统运行参数还可由电子计算机进行数据 采集 、 存贮、 模拟显示 、 制表 、 打印， 以便于对充填系 统运行状况进行监控和管理。 2 ． 2 ． 6 系统运行参数 充填料浆制备输送能力为 8 0 r n ／ h ， 充填 料浆 浓度为 7 21 ％ ， 系统连续稳定运行时间可达 l 0 ～ 1 2 h， 系统一次最大充填量 为 6 0 0～8 0 0 m ， 灰砂 比为 1 41 - 1 5 可调 ， 充填体强度满足采矿作业 要求。 2 ． 3 充填工艺的创新 1 低品位铁矿山实现了高浓度、 结构流体、 全 尾砂胶结充填 。针对铁矿尾砂特性 ， 研究开发出低 成本全尾砂结构流体胶结充填工艺与技术 ， 建成 了 新型的全尾砂充填系统 ， 首次实现 了低品位铁矿 山 全尾砂结构流体 自流输送胶结充填 ， 提高了充填料 浆浓度 ， 基本做到采场不脱水 ， 保障了充填质量。 2 实现了高浓度大倍线结构流体全尾砂充填 料浆的管道 自流 输送。通 过充填料浆流变性 能研 究 ， 分析计算 了充填料浆 的输送阻力 ， 实现了全尾砂 结构流体充填料浆的高浓度大倍线 9 自流输 送 。充填料浆浓度达到 7 1 ％ ～ 7 2 ％。 3 低浓度尾砂在充填站立式砂仓 中自然沉降 脱水制备尾砂浆技术 。直接将选厂低浓度尾砂 浓 度 8 ％ ～1 0 ％ 输送 至充填站立式砂仓 中进行 自然 沉降脱水 ， 较 浓密过滤两段脱水 ， 系统工艺大为简 化 ， 大大降低了尾砂脱水能耗及运营成本。 4 采矿技术 4 充填站设立较完 善的 自控系统 ， 实现 了系 统各运行参数的 自动检测和半 自动调节。 5 在项 目实施过程 中， 还进行了大小 1 7项科 研攻关和技术改造 ， 并研制了具有独立知识产权 的 “ 高效造浆喷嘴” 专利产品。 2 ． 4 全尾砂胶结充填工业试验 2 ． 4 ． 1 充填采场准备 一 1 5 0 m中段 C 2采场作为首次充填试验空区， 采场充填参数见图2 。该空区长 4 0 ． 4 2 m， 宽 1 7 m， 高 5 0 m， 可充填实体 3 ． 4万 m 。 一1 0 0 n l 水平下盘 巷道作为充填巷 ， 充填管道总长 1 2 9 9 ． 6 7 m， 其中充 填钻孔垂高为 1 4 4 m， 水平充填管道长度为 1 1 5 5 ． 6 7 7 5 7 0 6 5 羹6 0 婪 5 5 5 o 人 m， 充填倍线为 9 ． 0 3倍。 2 ． 4 ． 2 充填作业情况 首次充填作业于 2 0 0 9年 2月 1 8 E t 1 1 点 2 0分 开始 ， 至 l 8点 0 6分结束 ， 共运行 6 h 4 6 m i n ， 平均料 浆流量为 9 1 ． 2 9 m ／ h 。首 次采场充填初始充填料 浆浓度按 6 0 ％调制输送 ， 随着充填 料浆顺利 地输 送 ， 稳定 3 0 m i n后 ， 充填料浓度逐渐提高 ， 当浓度达 到 7 1 ％时 ， 充填料浆流速 明显降低 ， 下料斗料位逐 渐升高 ， 但 未出现堵管事故。本次 C 2采场工业试 验证明， 充填倍线为 9 ． 0 3倍时， 结构流体全尾砂充 填料浆最高浓度可达 7 l ％ 。c 2采场充填料浆浓度 统计结果见图 3 。 图 2 C 2采场单体充填参数 一步采空区 统计次数 图3 C 2采场充填料浆浓度统计值 充填料浆浓度为 7 1 ％时的状况见照片 1 。 照片 1 充填料浆浓度为7 1 ％时钻孔端口料浆状态 由以上统计 数据及 照片可 以看 出， 在大倍 线 9 ． 0 3倍 情况下 ， 充填料浆浓度可稳定在 6 8 ％ ～ 7 1 ％之间， 并形成稳定的结构流体 ， 实现了高浓度大 倍线 自流输送。 2 ． 4 ． 3 充填质量检测 充填站设置了地表实验室， 每班对充填料浆进 行取样 ， 浇注试块 ， 检测 3 ， 7 ， 2 8 ， 6 0 d试块的单轴抗 压强度 ， 2 0 0 9年 71 0月代表性检测结果见表 1 。 表 1 充填质量检 测结果 取 样 时 间 蠢 簧 灰 砂 比 试块检测结果表明， 充填钻孔下料斗所取料浆 制作试块均凝结硬化正常 ， 灰砂 比为 1 4时， 试块 3 ， 7 ， 2 8 d强度平均为 1 ． 0 2 6 ， 1 ． 3 2 3 ， 2 ． 8 0 MP a ， 灰砂 比为 1 6时 ， 试块 3 ， 7 ， 2 8 d强 度平均 为 0 ． 6 4 3 ， 0 ． 8 7 1 ， 1 ． 4 5 4 M P a ， 灰砂 比为 1 8时， 试块 3 ， 7 ， 2 8 d 强度平均为 0 ． 4 0 7 ， 0 ． 6 2 3 ， 0 ． 8 7 4 MP a ， 具有较好的 规律 性 。 王喜兵， 等 新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用 5 经充填体钻孔取样 ， 在灰砂 比分别为 l 4 、 1 6 、 1 8的各个 区段上 ， 充 填体 平均 强度 分别 达 到 了 3 ． 1 4， 2 ． 0 5 ， 1 ． 2 6 MP a ， 达到或超过设计指标 ， 满足了 矿山安全生产要求 。采场实际充填效果见照片 2 。 照片 2 采场实 际充填效果 2 ． 4 ． 4充填成本 经过一年多的实际生产运营 ， 矿房空区充填使 用 1 4 、 1 6 、 1 - 8三种 比例按顺序充填 ， 综合充填成 本为 7 8 ． 4 3 m 见表 2 ， 平均水泥消耗为0 ． 2 0 9 4 t ／ m ， 每吨矿石分摊充填成本 2 3 ． 5 5元 ， 年用水泥总 用量为 6 ． 2万 t 。 表 2充填运营成本 料浆 材料费 t．／ m 动力费 Y r ．Jm 工资及附加 料浆 比 配 比 合计水 泥 其它合计电 水 m 例 ％ l 4 7 7． 0 7 7 3． 5 3 3 ． 5 4 2． 7 5 2． 2 0 O． 5 5 I 7 ． 6 9 2 0 ． o o l 6 5 7． 8 5 5 4 ． 3 l 3 ． 5 4 2． 7 5 2． 2 0 0． 5 5 1 7 ． 6 9 5 O ． 0 o 1 8 4 5． 5 0 41 ． 9 6 3 ． 5 4 2 ． 7 5 2． 2 0 0． 5 5 1 7 ． 6 9 3 0． O 0 金 箜 堑 注 水泥单价按 2 6 0元／ t 计算。 3 结 论 该项 目针对铁矿尾砂特性 ， 研究开发 出低成本 全尾砂结构流体胶结充填工艺与技术 ， 建成 了新型 的全尾砂充填系统， 首次实现 了低 品位铁矿 山全尾 砂结构流体 自流输送胶结充填。经过一年多的生产 运行 ， 该充填系统运行稳定并取得 了良好 的技术经 济效果 。 I 充填系统运行平稳、 顺畅。选厂低浓度尾 砂利用原系统加压进砂 ， 在立式砂仓 中 自然沉降脱 水 、 溢流、 沉降至饱 和浓度 ， 经水 、 压气联动造浆后 ， 立式砂仓可连续放出高浓度尾砂浆。双管螺旋给料 机给料及 电子秤计量 ， 可 向搅拌机稳定 供给水 泥。 高浓度尾砂浆及水泥经双轴搅拌机及高速活化搅拌 机两段搅拌后 ， 可制备成结构流体的充填料浆 ， 均匀 稳定并实现了可靠的大倍线 自流输送。该充填系统 自投入生产至今 ， 从未产生堵管事故 。 2 充填能力满足矿 山生产要求。单套系统制 备输送能力为 7 0～ 9 0 m ／ h ， 最大可达 1 0 0 m ／ h ， 一 次连续最大充填料为 6 0 0～8 0 0 m ， 充填站 两套 系 统年充填能力可达 3 5万 m’ ， 完全可满足矿 山安全 生产对充填系统的要求。 3 充填系统各运行参数稳定可调。尾砂放砂 浓度稳定 ， 采用电动调节阀调节， 放砂实现了稳定给 料 ， 采用变频调速器调节双管螺旋转速 ， 水泥给料量 按不同配比实现稳定给料 ， 从 而使最终充填料浆浓 度及流量可按配 比参数运行。 4 充填质量满足采矿方法要求。从井下充填 实体看 ， 充填体凝结硬化正常 ， 表观强度完全满足生 产要求 。而通过对充填料浆取样并进行抗压强度测 试 ， 各不同灰砂 比的试块强度均达到了设计要求。 5 充填成本合理。矿房充填综合水泥消耗为 2 0 9 ． 4 k s ／ m ， 充填成本为 7 8 ． 4 3 r n ， 折合吨矿石 充填成本为 2 3 ． 5 5元。考虑矿柱二步回采空区采用 1 4和 l 1 5两种 比例进行充填 ， 其充填成本可控制 在 4 5 m 以内， 则全 矿综 合充 填成 本为 6 1 ． 7 2 m ， 折合吨矿石充填成本为 l 8 ． 5 3元 。 与国内外高浓度或膏体全尾砂 泵送 充填系 统相 比， 该项 目以工艺流程简化 ， 系统建设投资少、 建设周期短 ， 能耗及充填成本低 ， 技术可靠性高等特 点填补了国内外大 型黑色矿山无充填 的空 白， 为国 内外大型铁矿山企业实现充填采矿奠定 了基础， 开 创了新一代充填技术 的先河 ， 具有很好 的社会效益 和广泛的推广价值。 参考文献 [ 1 ] 薛奕忠． 高阶段大直径深孔崩矿嗣后充填采矿法在安庆铜矿 的应用 [ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 7 ， 7 4 1 3～1 4 ． [ 2 ] 王方汉 ， 姚 中亮 ， 曹维勤． 全尾砂 膏体充填技 术及工艺 流程的 试验研究 [ J ] ． 矿业研究 与开发 ， 2 0 0 4， 2 4 s 5 1～ 5 5 ． [ 3 ] 姚 中亮． 全尾砂结构流体胶结充填的理论 与实践 [ J ] ． 矿 业研 究与开发 ， 2 0 0 6 ， 2 6 S I 1 5～I 8 ． [ 4 ] 王风波． 全尾砂胶结充填工艺在马庄铁矿 的应用 [ J ] ． 中国矿 山工程 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 ． [ 5 ] 张省军． 张马屯铁矿床无废开采综合技术研究[ J ] ． 采矿技 术 ， 2 0 0 6 。 6 3 1 6 1～1 6 6 ． [ 6 ] 周爱民． 中国充 填技 术概 述 [ J ] ． 矿 业 研究 与开 发 ， 2 0 0 4， 2 4 S 1 7 ． [ 7 ] 彭怀生， 王春来． 大型矿山的无废开采设计实践[ J ] ． 矿业研 究与开发 ， 2 0 0 4 ， 2 4 s 2 7～3 1 ． [ 8 ] 杨耀亮， 邓代强， 惠林， 等． 深部高大采场全尾砂胶结充填理 论分析[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 0 7 ， 2 7 4 3 ～ 4 ， 2 O ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 8 作者简介 王喜兵 1 9 6 5一 ， 男， 教授级高工， 研究生， 第六 届中国有色金属学会采矿学术委员会委员， 从事采矿工程研 究与管理工作 ， E m a i l w x b ． h e b h x k s ． m i n m e t a l s ． c o rn． c n