深井长距离大倍线高浓度自流充填技术研究

刘丰韬 丁剑锋 陈国平 李树磊 王京生 周 波

深井长距离大倍线高浓度自流充填技术研究

刘丰韬1丁剑锋2陈国平2李树磊1王京生1周 波1

(1.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东莱州，261441;2.山东黄金矿业股份有限公司，山东莱州，261441)

新城金矿井下采用“竖井+辅助斜坡道”联合开拓方式，机械化盘区上向分层充填采矿法回采。目前，井下生产规模达到6 000 t/d。矿山深部充填采矿存在充填管线长、局部充填倍线高达12.5，且管路直角弯多，管路磨损严重，监护困难，充填过程中堵管以及跑漏等难题。通过深入研究新城金矿充填倍线、充填浓度以及充填流量三者关系，进一步优化充填线路，研究比较充填管材性能，合理选择充填管道，降低管路阻抗。结果表明:在砂仓添加Minefill309，在副桶内添加Minefill501新型化学试剂改善砂浆流动特性，充填浓度稳定在75% ～78%之间，实现了稳定自流输送，防止了充填料浆离析，减少了管路磨损，管路使用寿命延长1倍以上，经济效益可观。新城金矿深井长距离大倍线高浓度自流充填技术填补了相关领域技术空白。

深井 长距离 大倍线 高浓度 自流充填技术

新城金矿地处胶东半岛莱州湾畔，隶属于山东黄金集团，始建于1975年，1980年建成投产。截止到2012年底，累计生产黄金64.15 t，实现利润33.95亿元，黄金产量、经济效益和矿山机械化程度在全国同行业中一直名列前茅。自建矿以来，为适应生产发展，历经3次大的改扩建，由建矿初期的500 t/d扩大到6 000 t/d生产规模。矿山井下采用“竖井+辅助斜坡道”联合开拓方式，机械化盘区上向分层充填采矿回采［1-4］。

1 地质与开采技术条件

新城金矿主要由I#和V#2个矿体组成。I#矿体位于－20～－630 m标高，143#～193#线间，矿体进入－480 m后，矿体由厚变薄，品位也变低，至－630 m水平尖灭。V#矿体为盲矿体，位于－430～－732 m标高(深部见矿孔尚未尖灭)，159#～191#线间，走向长度短，矿体厚大，水平面呈椭圆形，倾角40°左右。由于I矿体上部各中段矿体基本采完，仅存少量残柱和下部数个逐渐尖灭的分枝矿体。矿山目前主要回采矿体是V#矿体，主要开拓水平为－580 m。

新城金矿采掘深度至－730 m水平，同时上部闭坑中段两翼采场重新安排复采，充填管路多被动布置在大巷和回风巷中，增加了管线长度，充填管线长、倍线大，且管路直角弯多，管路磨损严重，监护困难，充填过程中堵管以及跑漏现象时有发生。充填倍线超过6.5就不能实现自流充填，但新城金矿局部充填倍线最大12.5。因此，进行深井长距离大倍线高浓度自流充填技术研究势在必行。

2 深井长距离大倍线高浓度自流充填技术研究

2.1 充填添加剂作用机理

2.1.1 充填剂Minefill 309作用原理

(1)Minefill 309为一种高分子共聚的水溶性聚合物，掺入高浓度的尾砂流变阻力(屈服压力值)平均降低幅度接近45%，如浓度为73%的尾砂不掺Minefill 309的屈服压力值为159 Pa，掺0.5 kg/t的Minefill 309后尾砂的屈服压力值仅为86 Pa。

(2)掺用Minefill 309后，砂仓的沉砂过程中粗细颗粒在网格状分子结构的作用下均匀混合，整体沉降，整体蠕动，形成一个流动的空间结构，让各种粒径的颗粒物体和水分子形成一个均匀流动体。级配优化剂(Minefill 309)使尾砂沉积速度加快50%以上。而且各种粒级的颗粒同时沉积，完全避免了自然沉降中所出现的粗细颗粒的分层现象，从而使砂仓底流能连续均匀放砂，并无需每3～4个月周期停工对砂仓进行清理与维护。Minefill 309的工作原理如图1所示。

2.1.2 充填剂Minefill 501作用原理

(1)该充填剂由聚合物分子链形式分散于充填料浆中，该分子链同时带有电荷、通过电荷排斥工作原理，使胶结物颗粒相互排斥，达到颗粒均匀分布的效果，进而提高了充填体的强度。Minefill 501的长链结构让充填料浆的稳定性提高，达到无离析，流变阻力小。Minefill 501充填剂的分散原理如图2所示。

(2)不掺Minefill 501的充填料浆出现离析，水泥浆液随排水而流失(例如地表灰砂比按1∶6设计的料浆到达采场空区的充填体可能只有1∶8，显然水泥比例流失了20%)，进而降低了充填体的强度。掺用Minefill 501后，排干的水为清水，不带出水泥颗粒，没有水泥流失，充填体的强度得到保证。

图1 Mill 309充填剂作用原理Fig.1 Action principle of Mill309 filling agent

(3)采用化学充填剂Minefill 501的充填料浆因其均匀、密实、高浓度、早滤干、无胶结细料流失而形成高的抗压强度。通过提高充填浓度，达到提高充填体的力学指标，加快分步采矿的循环，提高效率与产量。通过实验，灰砂比为1∶4时，取多组不同浓度砂浆制作试块，分别测定1 d强度和3 d强度;灰砂比为1∶10时，取多组不同浓度砂浆制作试块，分别测定3 d和28 d充填体强度。具体数据如图3～图4所示。

2.2 未添加充填试剂时充填倍线、充填浓度以及充填流量关系研究

充填倍线指充填管线长度与垂高的比值，它是自留输送的一个重要参数，它的大小标志着自留输送的范围。管道自留输送充填倍线一般不大于5～6，超过这个范围一般需要加压输送［5-6］。

根据现场生产情况，取代表性采场作为实验地点，通过调整充填浓度变化，得出充填倍线、充填浓度以及充填流量三者曲线关系图如图5所示。

图2 Minefill 501充填剂的分散原理Fig.2 Dispersion principle of Minefill 501 filling agent

图3 充填体1、3 d强度关系曲线(灰砂比1∶4)Fig.3 Curve of paste concentration and 1，3 d filling strength(the ratio of cement and tailings 1∶4)

(1)在充填倍线一定时，充填流量随着充填浓度的增加逐渐降低;当充填浓度达到72%以上时，充填流量变化较大，是现有条件下的极限充填浓度。

(2)充填倍线越大，在同等充填浓度条件下，充填流量越小，充填效率越低。

(3)充填浓度最大为72%时，随着充填倍线的增加，充填流量逐渐降低，变化范围在70～88 m3/h之间，当局部充填倍线超过10以上时，充填流量变化较大，堵管现象时有发生。

图4 充填体3、28 d强度关系曲线(灰砂比1∶10)Fig.4 Curve of paste concentration and 3，28 d filling strength(the ratio of cement and tailings 1∶10)

图5 充填倍线、充填浓度以及充填流量三者关系曲线(未添加外加剂)Fig.5 Curve of filling times line，filling concentration and filling flow(without admixture)

(4)充填倍线对井下充填的影响是显著的。在一定范围内可以通过适当降低充填浓度来增大充填流量，保证正常充填;但当充填倍线超过一定数值(10)时，充填效率会显著降低，同时存在堵管隐患。

2.3 选择充填外加剂，提高充填浓度，改善砂浆流变特性

选取添加剂水玻璃、Minefill 501、Minefill 309分别进行实验比对，水玻璃虽然在改善稠度、解决充填分层离析、提高充填稳定性和充填强度方面有一定的效果，但是存在计量无法控制，添加量少效果不明显，添加数量大，易出现堵管现象，且在充填体内强度分布不均匀。

通过添加Minefill 501充填剂，提高充填料浆的浓度，进而提升相应流变性能与力学指标。实验表明，添加充填化学剂以后，充填浓度可以提高到75%～78%。采用Minefill 309流变助剂从砂仓顶部添加，改善沉砂的速度与整体性，达到砂仓底流的高浓度尾砂的持续供应。添加充填试剂后实现连续充填，尾砂浓度一直稳定在75% ～78%，操作工人无需频繁调节风压与水量，下砂过程平稳。

实验结果与结论如下:

(1)Minefill 309流变剂可使现有的砂仓沉降效率提高50%，沉砂速度加快，配合双系列充填的有效实施，节省砂仓的建设投资费用。

(2)充填浓度稳定在75% ～78%之间，有效实现了长距离、大倍线、高浓度持续充填，填补国内高浓度自流充填理论与实践的空白。

(3)改善后的充填料浆的屈服压力值仅为原来的充填料浆的55%，有效解决了深井高倍线充填面临的一系列难题。

(4)浓度提高后，砂浆含水量明显降低，平均充填浓度由68%提高到75%，每100 m3砂浆含水量减少9 m3，每天充填流量按2 200 m3计算，每天可有效节约排水200 m3，有效降低排水能源消耗。

(5)充填料浆的流变性能改善后，其流速提高，保证高浓度砂浆稳定自流输送，平均充填流量由90 m3/h提高到110 m3/h，提高幅度接近22%，充填生产效率提升。

(6)Minefill 309解决砂仓尾砂的高浓度与底流放砂难的问题，使得高浓度的充填料浆在Minefill 501充填剂的作用下施工顺畅、效率提升，充填浓度稳定在75%～78%。

(7)不加充填外加剂，管路正常输送540 000 m3，添加充填外加剂以后，管路输送1 200 000 m3，管路输送增加1倍。

添加外加剂充填浓度、充填流量以及充填倍线三者关系如图6所示。

图6 充填倍线、充填浓度以及充填流量三者关系曲线(添加外加剂)●—充填倍线为6;■—充填倍线为8;▲—充填倍线为10;×—充填倍线为12Fig.6 Curve of filling times line，filling concentration and filling flow(with admixture)

2.4 充填管材选型和管路布置研究

对井下废旧管路分段切割，发现管路磨损主要发生在接头位置和转弯位置，弯头切割后会发现切割槽。弯头角度越接近90°时，管路磨损越严重，为此适当增大弯头角度(135°～145°)，可有效降低管路磨损。通过研究耐磨管材的优缺点，选用钢壁复合管和双金属管道作为井下主管路。

3 应用效果和作用

新城金矿通过在砂仓内添加Minefill 309，可有效提高沉砂效率，为井下充填提供稳定的高浓度砂浆，充填浓度可稳定在75% ～78%之间;在副桶内添加Minefill 501，可有效改善砂浆流变特性，保证高浓度充填的稳定自流输送，提供充填效率，保证充填稳定性。

(1)充填料浆的流变性能改善后，其流速提高，保证高浓度砂浆稳定自流输送，单位时间的流量提高，充填生产效率提升。充填管道压力的实测结果:管线压力降低，流速加快。掺入化学充填剂管线压力显著减小，部分管线压力由1 kN降低至0.65 kN，流量由60 m3/h提高到70 m3/h。

(2)充填料浆在管路中以层流/结构流的形式流动，料浆均匀整体性提高后能在充填管壁形成润滑层，保护管壁与砂的之间磨蹭进而减少冲击力与摩擦力，充填管道使用寿命延长1倍以上。

(3)提高尾砂的连续高浓度放砂、添加胶结物(水泥、细料等)、掺用充填剂Minefill 501，实验结果显示可将充填料浆的浓度提高到75% ～78%，相比原来的65%～68%的平均充填浓度，其优势体现如下:以65%浓度充填体计算，每立方米充填料中水的质量为580 kg，固体干料1 092 kg(密度2.6 g/cm3计)，排出的水约200～250 kg。当浓度提高到75%时，每立方米充填料浆水的质量为460 kg，固体干料1 400 kg，排出的水约90 kg。故井下水仓的排水量减少60%以上，而且排出的水中不含水泥，对水泵的磨损也降低。以1 d充填1 500 m3计算，可减少排水200 t/d。

(4)双系列充填的实施，节省了砂仓的建设投资费用，实现了长距离、大倍线、高浓度持续充填。

(5)充填工艺改造前，新城金矿采场回采周期平均为30 d，充填周期为3 d，养护时间为1 d;工艺改造后，现今可实现零养护作业，在1个采充周期内可增加1 d回采时间。

(6)经济效益估算:①充填强度的提高，降低了贫化损失率，每年可增加效益近5 000万元;②添加充填外加剂以后，有效减少管路磨损，提高管路寿命近1倍;③以往管路每年更新2次，需要EVA矿用管近1 7000 m，需要ø133 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管近3 000 m，需要ø108 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管近3 000 m，管材费用240万元，人工费为40万元;④添加充填外加剂以后，EVA矿用管每年节约7 000余m，ø133 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管节约1 300余m，ø108 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管节约1 500余m，管路每年更新1次可节约材料费和人工费160万元;⑤砂仓内添加充填外加剂，可有效降低溢流浓度，提高粗颗粒砂利用率，每年可降低尾砂排放费用近100万元;⑥每天可有效节约排水200 m3，有效降低排水能源消耗10万元/a;⑦节省砂仓的建设投资费用3 000万元，为明年选矿处理量达6 300 t/d奠定了基础。综上所述，该技术每年可实现经济效益8 270万元。

4 结语

新城金矿深井长距离大倍线高浓度自流充填技术通过添加Minefill 309、Minefill 501充填外加剂，有效提高了深井充填效率，避免了堵管爆管，保证了高浓度砂浆稳定长距离输送系统的安全性，有效提高了充填效率及充填体强度，解决了新城金矿深井充填的难题。国内外很多矿山采掘深度超过500 m，有些矿山甚至延伸至1 000 m以下，充填倍线增大，砂浆自流速度慢，充填效率低，管路磨损快且维护困难。国内膏体充填已有比较成熟经验，但该技术仅仅局限于泵压输送，新城金矿深井长距离大倍线高浓度自流充填技术实施简单，实现了深井高倍线条件下膏体砂浆稳定自流输送，填补了相关领域技术空白，使用范围广，可为国内外其他矿山相关领域研究提供依据和借鉴。

［1］ 刘同友.充填采矿技术与运用［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

Liu Tongyou.Filling Mining Technology and Its Application［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2001.

［2］ 王新民，姚 建，张钦礼.深井矿山充填理论与技术［M］.长沙:中南大学出版社，2005.

Wang Xinmin，Yao Jian，Zhang Qinli.Theory and Technology of Deep Mine Filling［M］.Changsha:Central South University Press，2005.

［3］ VERKERK C G.自流输送料浆充填系统设计步骤［C］∥1989—1990年度国际深井采矿大会论文选集.北京:北京有色冶金设计研究总院，1993:548-555.

VERKERK C.G.Design steps of pipeline gravity transportation system［C］∥1989-1990 Annual International Deep Mining Conference Papers.Beijing:Beijing Nonferrous Metallurgical Design and Research Institute，1993:548-555.

［4］ 古德生，李夕兵，等.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京:冶金工业出版社，2006:235-272.

Gu Desheng，Li Xibin，et al.The Science and Technology of Modern Metal Deposit Mining［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2006.

［5］ 于润沧，等.采矿工程师手册(下)［M］.北京:冶金工业出版社，2009:55-124.

Yu Runcang，et al.Mining Engineer Manual(2nd) ［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2009.

［6］ 周 旭，王佩勋.大倍线管道自流输送胶结充填技术［J］.金属矿山，2011(8):25-27.

Zhou Xu，Wang Peixun.Cemented filling technology delivery times line pipeline gravity［J］.Metal Mine，2011(8):25-27.

［7］ 张卓成，张小娟.砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨［J］.金属矿山，2009(S):287-289.

Zhang Zhuocheng，Zhang Xiaojuan.Discussion on the safety operation of filling system mortar conveying times line［J］.Metal Mine，2009(S):287-289.

Study on the High-density Gravity-flow Backfilling Technology of Deep-well Long-distance with Large Time Line

Liu Fengtao1Ding Jianfeng2Chen Guoping2Li Shulei1Wang Jinsheng1Zhou Bo1
(1.Shandong Gold Group Co.，Ltd.Xincheng Gold Mine，Laizhou 261441，China;2.Shandong Gold Group Co.，Ltd.，Laizhou 261441，China)

Xincheng Gold Mine employ the shaft and auxiliary ramp development mode，and mechanized panel upward backfill mining.At present，the scale of production reaches 6 000 t/d.Many problems exit in the deep-well backfill mining of Xincheng Gold Mine，including long backfilling pipeline，partial filling times line up to 12.5，many pipeline quarter turns，serious pipe wear out，difficult guardianship，pipe blockage and mortar leakage in the backfilling process.Through the study of the relationship of filling times line，backfilling density and backfilling flux of Xincheng Gold Mine，we optimize the backfilling line;backfilling pipeline performance was studied comparatively and the backfilling pipe was choosed reasonably to reduce the pipeline impedance;through experimental research，Minefill309 was added in storehouse，and a new chemical reagent Minefill501 was added in vice bucket to improve mortar flow characteristics，which could prevent slurry segregation，reduce pipeline abrasion，increase service life of pipeline more than doubled，and achieve considerable economic benefit.The filling concentration is stable between 75%～78%.The technology fills in the blank of theory and practice of the high-density gravity-flow backfilling，which can provide promotion and guidance for the industries at home and abroad.

Deep-well，Long distance，Large times line，High density，Gravity-flow backfilling technology

TD323，TD407

A

1001-1250(2014)-02-040-05

2013-11-03

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2012BAB08B01)。

刘丰韬(1975—)，男，工程师。

(责任编辑 石海林)