全尾砂结构流充填工艺在内蒙某多金属矿的研究与应用

2019-03-21康瑞海

采矿技术 2019年1期

康瑞海，王旭，彭亮

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012； 3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012)

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1228.67万t，生产规模为45万t/a。矿区地表海拔标高约1000 m，目前开采水平为+700～+850 m。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，2012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=127 μm，其中-75 μm颗粒含量约为57.83%，-20 μm细颗粒含量为39.8%，全尾砂较细，不均匀系数a2=d60/d10=42.45，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70%～68%时，坍落度为22～24.5 cm，料浆流动阻力大，料浆流动性差。料浆浓度降至66%时，坍落度为26 cm，料浆流动性得到改善，但料浆粘度依然较大，料浆流速慢。料浆浓度64%～60%时，料浆坍落度范围27.7～28.2 cm，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64%～60%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110 mm，流量80 m3/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60%～64%，灰砂比1∶4～1∶8时，28 d试块强度为3.2～0.7 MPa，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60～80 m3/h；

(3) 充填料浆浓度为60%～64%；

(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[10]系统和永久充填系统。临时充填系统是为尽快充填-150 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15#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120 m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2 m3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PC.32.5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60 m3/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DN80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1 m3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3000 t/d，各选厂均安装有6PNJ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15%～18%。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Φ328 mm×(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2600 t/d、尾砂浆浓度为15%～18%时，尾砂浆流量为654～534 m3/h，尾砂输送管内料浆流速为2.097～2.571 m/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Φ12 m、容积1540 m3的立式砂仓储存全尾砂浆。浓度为15%～18%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Φ400 mm×6 mm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6000 s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Φ6 m、容积360 m3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。