三山岛金矿采场充填脱水工艺改进措施

颜丙乾 杨 鹏 吕文生

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083;3.北京市信息服务工程重点实验室，北京100101)

三山岛金矿是我国第一个进行海底采矿的硬岩矿山，为了保证开采工作的连续性和安全性，矿山要求提高井下充填体早期强度，以便充填后短期内相临盘区开展下一步开采工作。采场充填脱水作为充填工艺中的重要组成部分，脱水情况的好坏对充填体的初凝强度和后期强度都将产生较大影响。充填脱水效率高可使充填速度明显加快，同时充填体初凝时间会大大提前，充填体早期强度也会得到有效提高。

1 三山岛金矿充填材料及充填脱水

尾砂可分为分级尾砂和全尾砂2 种，三山岛金矿充填料浆制备主要是使用分级尾砂和充填水泥，用高卤地下水拌合而成。分级尾砂主要是选厂产生的全尾砂经过旋流器分级脱泥脱水产生。

三山岛金矿的充填料浆的浓度一般为70% ～72%，但是在自流输送过程中难免出现部分堵管趋势，此时充填系统将临时调低充填料浆浓度。该矿采场分次充填［1］，灰砂比安排:最下部1 m 为1 ∶ 5(2014 年之前为1∶ 6)，中间1.21 m 为1∶ 10，最上部接顶灰砂比为1∶ 8。分次充填不仅有利于脱水，同时根据现场强度要求不同分配灰砂比，更有利于充填用固结材料的合理利用。

矿用充填材料为非均质流，在充填料浆充填至采空区之后会产生水泥离析现象，为了在充填现场减少离析对充填体的不利影响，在采场内使用可随时移动的充填软管。采场脱水以溢流为主，同时使用土工布渗流脱水，并设置了铁质滤水笼部分代替了木质挡墙。采场中充填料浆会发生沉降，如图1 所示，较粗和较细粒级的颗粒沉降之后，上层出现一定量的相对澄清的水，而这部分水的排出是溢流管脱水的主要任务。排出澄清水之后的充填浆液浓度得到较大提高，但是其中仍有大量结合水、毛细水和重力水［2］，重力水在重力作用下需要通过土工布渗透脱水，而毛细水与结合水很难通过重力或者其他机械脱水方式脱水。虽然充填料浆制备中使用的是分级尾砂，但是矿用充填水泥颗粒相对较细，灰砂比越高的充填料的渗透性越差，渗透脱水的速度越慢、排水量越小。

图1 采场充填沉降后的状态Fig．1 The stope filling state after settlement

尾砂胶结充填料浆沉降过程中，充填管道出料口附近会富集更多的粗粒级颗粒，远离出料口位置细粒级较多［3］，同时粗粒级充填料会沉积在底部，细粒级颗粒处在中间位置，上层为澄清水。三山岛金矿充填用管为移动式充填管道，在防止充填水泥过分离析对充填体产生不利影响的同时，也使充填料浆粗细颗粒分布较为均匀。由于细粒级颗粒和充填水泥部分成分分布在中间位置，保水性好，渗透性较差，充填表层澄清水渗透脱水效果很差，只能通过溢流方式脱出。

2 三山岛金矿采场充填脱水改进措施

2.1 充填脱水理论

尾砂胶结充填体脱水除了沉降后表层水的溢流方式脱出之外，渗透脱水是重力水等其他形式的水脱出的主要方式，渗透脱水效果及脱水速度主要受尾砂的渗透系数的影响。干而密实的尾砂渗透系数与其孔隙率密切相关，如图2(a)中所示的理想状态下等粒径球状颗粒的孔隙率计算公式［4］为

式中，r 为颗粒半径，mm。

从式(1)中可以看出，理想状态下等粒径球状颗粒的孔隙率是常数，不随颗粒粒径的变化而变化。但是等粒径颗粒的分布一般并不是按照图2(a)中所示的状态分布，而是如图2(b)中所示的状态分布的，式(1)并不能完全反应等粒径球状颗粒的孔隙率。因此，式(1)所表现的孔隙率为理想状态的最大值，随着颗粒粒径的减小，实际的孔隙率会变小。渗透系数显然随粒径的减小而变小，这较好地体现了渗透系数与孔隙率的正相关性。

图2 等粒径颗粒分布情况Fig.2 The distribution of equal size particles

正是由于充填体脱水效率和其渗透特性密切相关，因此，充填体渗透系数是影响充填脱水效率的重要因素。

渗透系数通常指在各向同性介质中，流体通过孔隙骨架的难易程度。储水系数，反映含水层水头下降或上升单位高度时，从单位水平面积和高度等于含水层厚度的柱体中释放或储存水体积能力的一个参数。由于储水系数是从单位面积储存中释放出来的水的体积，所以它是个无量纲的量。

通过实验室试验测定出充填分级尾砂的渗透系数和储水系数，设计充填空区中充填层厚度和脱水井间距，研究这些相关参数之间的变化关系。不同影响因素和相关参数之间的关系如图3 ～图6 所示。

图3 渗透系数与渗流时间的关系Fig.3 Relationship between permeability coefficient and percolation time

图4 储水系数与渗透系数的关系Fig.4 Relationship between storage coefficient and permeability coefficient

图5 充填层厚度与渗流时间的关系Fig.5 Relationship between filling thickness and percolation time

图6 脱水管间距与渗流时间的关系Fig.6 Relationship between dewatering tube spacing and percolation time

从图3 可以明显看出，渗透系数增加，脱水时间减少，脱水速度加快，因此可以增加充填料的孔隙度，进一步提高渗透系数，从而提高充填体脱水效率。从图4 可以看出，储水系数和渗透系数呈近似负相关关系，渗透系数随储水系数的增加而减小。从图5 可以看出，充填分层高度对渗流时间影响不大，但是渗流时间会随着充填层高度的增加略微增加，充填层高度越高越不利于渗流速度的提高，因此可以在不影响工程进度和其他参数的情况下，适当控制充填层高度。从图6 可以看出，脱水管布设间距越大，相同充填采场的脱水管数量越少，脱水速度越慢，脱水所需时间随之增加，因此，要提高脱水效率，在充填成本允许的条件下，适当增加脱水管的数量，并将脱水管尽量分布均匀。

2.2 三山岛金矿采场充填脱水改善措施

充填料浆充填至采空区之后，在重力和水力分异作用下，充填体会产生自然沉降，充填料浆中的相对较粗的颗粒沉积在充填采场的下部，相对较细颗粒分布在中间部分，上层出现大量沉积产生的澄清水。在水和细粒级颗粒之间会因水泥中部分成分或尾砂中的泥质富集产生较薄的不透水层。因此溢流管和渗透脱水管可以穿过这个小分层。

由于粗粒级颗粒集中在出料管口位置附近，沉降之后上层澄清水会聚集在远离出料管口的位置，三山岛金矿使用可移动充填管，相对较粗粒级颗粒集中在下部，如图7 所示，上层澄清水相对平均分布在上层。三山岛金矿使用的一根溢流管，溢流管布置在图7 所示位置。

图7 采场充填脱水管布设Fig.7 Arrangement of the stope filling dewatering tube

在溢流管将上层澄清水脱出之后，充填料中的相对粗颗粒和细颗粒中还富存大量重力水和其他形式的水，因此需要加设脱水管。初步设计脱水管布置如图7 所示，由于脱水管在脱水过程中难免出现较细粒级颗粒进入脱水管的情况，为了更好地发挥脱水作用，脱水管不宜水平布置［5］。

脱水管竖直布设，可以在充填之前先将脱水管用专用的连接装置固定在顶板位置，并用连接口将管口封闭，避免接顶充填时料浆灌入脱水管。同时为了进一步增加脱水管与充填料浆的接触面积，更有利于充填脱水，将脱水管设计成波纹管，提高脱水效率。波纹管的的凹槽内每圈钻一些脱水孔，在脱水管外面套一层滤水布，避免充填料浆通过脱水孔进入脱水管。

当采场不满足脱水管竖直布设条件，分层采场不方便构筑向下的脱水井时，则脱水管不能竖直布置，充填料浆脱水不能排到脱水井中。为了使脱水管更好地发挥脱水效果，只能将脱水管倾斜布置，脱水管的一端固定在采场空区的顶板位置，另一端通过滤水挡墙伸向挡墙外，脱水管中间穿过上层澄清水、细粒级充填料颗粒、粗粒级充填料颗粒，脱水管布置与底部的夹角在30°以上，脱水管外部也要包一层滤水布，避免较细颗粒进入脱水管后无法脱水。倾斜布置的脱水管可以通过重力作用将沉降后充填料中的重力水排出，倾角越大排水效率越高。

三山岛金矿现场使用的脱水方案是溢流管溢流脱水和加有土工布的铁丝网滤水挡墙渗透脱水，由于在渗透脱水过程中，滤水挡墙使用的土工布被充填料中的细颗粒堵塞，在后期不能依靠重力和渗透作用脱水。然而，如果将堵塞的滤水布清洗后虽然能继续脱水，但是清洗工作难以开展，必须对挡墙的设计加以改进。由于土工布的孔径较小，因此可以将单层土工布改成双层孔径较大的滤水布，这样可以改善细粒级颗粒对滤水布的堵塞，增加有效渗透脱水时间，脱水工作更高效。另外，由于细粒级颗粒在充填料重力水渗透脱水过程中会聚集在滤水布附近，堵塞滤水布，影响后期脱水，因此可以在滤水布与充填料浆接触部分堆放废石(如图8 所示)，减小充填料浆与滤水布的直接接触，防止细粒级聚集在滤水布附近阻碍重力水的渗透排出。

图8 滤水挡墙和土工布布置Fig.8 Arrangement of retaining walls and drainage geotextile

采场充填过程中为了防止洗管水和引路水进入充填空区，设计使用了充填管道三通阀［6］，将对充填有害水排在充填采场外，三通阀安装在充填管道采空区外10 ～50 m 的位置，虽然操作复杂但有效减少了洗管水和引路水进入充填空区。

然而，三通阀可阻止洗管水和引路水进入采场，但不能对充填料浆直接脱水。为此，设计使用滤水器(如图9 所示)代替三通阀，安装位置与三通阀相似。滤水器是在充填管道中间设计一段比充填管道略粗的金属网管，将充填管道中的充填料浆在进入充填空区前通过金属网滤水，提高进入空区的充填料浆浓度，减少充填料浆中水泥的离析，同时提高充填密实度，大大降低了充填后的脱水量。在金属网和管道内压力作用下，尾砂等不会从金属网流出，滤水器布置方式如图10 所示。

图9 滤水器设计Fig.9 Water filter design

图10 充填管道加设滤水器设计Fig.10 Design of additional water filter for filling tube

充填料浆充入采空区之后能否及时脱水直接影响着充填工作效率和充填能力大小，同时对充填体后期强度产生较大影响。充填料浆脱水速度慢，充填料浆沉降离析严重，充填体质量将大大降低，因此脱水效果的好坏对充填体强度产生较大影响。

鉴于此，很多矿山也尝试使用其他措施提高充填体脱水效果。如有研究［7］发现在直流电作用下，充填料浆脱水速度增加10 倍以上;在采场中安装吸水管形成负压强制脱水［8］，但是负压脱水之前需要封闭空区，以取得良好的脱水效果。

新式脱水笼［9］在很多矿山有过现场使用经验，脱水笼结构如图11 所示。在采空区底部设立底部集水区和底部排水管，集水区上部架设滤水钢结构，滤水钢结构外部使用滤水布。新式脱水笼安装繁琐，但是脱水效果比较好，矿山需要根据自身采空区条件进行选择。

图11 新式脱水笼结构Fig.11 The new dewatering cage structure

3 结 论

三山岛金矿采场充填体脱水速度和效果，对充填体的初凝和后期强度产生较大影响，针对溢流脱水和充填挡墙渗透脱水2 种方案存在的问题，研究了充填体的脱水改进措施。

(1)通过实验室测定及分析得出，渗透系数与充填料的孔隙度有明显的正相关性，增加充填料的孔隙度，可以进一步提高渗透系数，进而提高充填体脱水效率，而储水系数和渗透系数呈近似负相关关系。充填分层高度对渗流时间影响不大，渗流时间会随着充填层高度的增加略微增加，但是脱水管布设间距对脱水效率有较大影响，因此要提高脱水速度需要适当增加脱水管的数量，并将脱水管尽量分布均匀。

(2)通过对充填挡墙滤水布的材料和布设改进，提高渗流脱水效果。增加布设竖直或倾斜脱水管，同溢流脱水和渗透脱水等多种脱水措施并用，进一步提高脱水效率。

(3)为了有效降低充填至空区充填料浆的浓度，减少脱水工作量，对充填管道在空区外增加了滤水器，既可有效降低充填料浆进入空区后的离析，又可使充填体初凝时间大大提前，对充填体后期强度大有益处。

(4)对相关矿山采用的其他脱水措施进行了研究发现，负压强制脱水、直流电脱水和新式脱水笼等脱水方案，虽然脱水效果显著，但是新式脱水笼安装繁琐，对充填采场条件要求较高，使用的经济性还需进一步研究。

［1］ 赵 洋，付其锐，邱云胜.三山岛金矿充填采矿工艺研究［J］.现代矿业，2012(2):1-4.

Zhao Yang，Fu Qirui，Qiu Yunsheng. Study on Filling Mining Technology of Sanshandao Gold Deposit［J］. Modern Mining，2012(2):1-4.

［2］ 刘 凯.全尾砂充填空区的脱水试验研究［D］. 昆明:昆明理工大学，2009.

Liu Kai.Experimental Study on the Back-filling of the Unclassified Tailings into Underground Area［D］. Kunming:Kunming University of Science and Technology，2009.

［3］ 张 磊，吕力行.某矿井下采空区充填体脱水的研究［J］. 矿产保护与利用，2013(5):9-12.

Zhang Lei，Lu Lixing.Research on filling body dewatering of a mine goaf［J］. Conservation and Utilization of Mineral Resources，2013(5):9-12.

［4］ 郑巨明，奉 欣，饶帮良，等. 细粒尾砂作为充填料脱水措施的研究［J］.资源环境与工程，2007(2):184-186.

Zhang Juming，Feng Xin，Rao Bangliang，et al. A discussion on the dewater measures for fine tail sand as filling materials［J］.Resources Environment ＆ Engineering，2007(2):184-186.

［5］ 龙 涛，王建军.某铅锌矿充填采场脱水试验研究［J］. 采矿技术，2009(6):5-8.

Long Tao，Wang Jianjun. Experimental study of a lead-zinc mine stope filling dehydration［J］.Mining Technology，2009(6):5-8.

［6］ 王树海，李启月，赵国彦.提高充填接顶率的技术措施研究［J］.矿冶工程，2011(1):13-15.

Wang Shuhai，Li Qiyue，Zhao Guoyan. Research on technical measures for raising the rate of supporting pit roof［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2011(1):13-15.

［7］ 波尔特诺夫Ф М，杨培章.充填体脱水试验［J］.国外金属矿采矿，1984(11):52-55.

Beltnof Ф М，Yang Peizhang. Backfill dehydration test［J］. Foreign Metal Mining，1984(11):52-55.

［8］ 韦华南. 水力充填负压强制脱水研究［D］. 长沙:中南大学，2010.

Wei Huanan.Dehydration of Hydraulic Filling in Negative Pressure［D］.Changsha:Central South University，2010.

［9］ 肖 刚，李树鹏，姜 磊，等. 尹格庄金矿水砂充填采场脱水技术试验［J］.金属矿山，2013(6):29-30.

Xiao Gang，Li Shupeng，Jiang Lei，et al. Experimental research on dewatering technology of the water and tailings filling stope in Yingezhuang Gold Mine［J］.Metal Mine，2013(6):29-30.