草楼铁矿全尾矿充填系统设计初步研究

李宗洋

（安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000）

草楼铁矿地处安徽省淮河流域中上游冲积平原区，地势平坦，周边有蓄洪区。区内气候温和，四季分明，属季风暖温半湿润气候。矿区面积约3km2，为沉积变质铁矿。

1 矿床地质特征

草楼铁矿含矿岩系呈向东突出的弧形贯穿全矿区，厚度为6.86m～122.34m，平均55.97m。矿床中部较厚，南北两端均较薄，主要岩石组合为黑云角闪斜长片麻岩，少量斜长角闪岩，整体可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号三个矿体，三个矿体总体呈层～似层状整合产出，倾向西，平均倾角40°～52°。在7线、15线深部混合花岗岩侵入切割，终止于-500m附近。

2 矿山生产系统

矿山主要开采对象为Ⅱ号矿体，采用竖井开拓方式，开采范围为-170m～-410m的矿体。通风系统共布置五条竖井，即主井、副井、进风兼措施井、北风井、南风井。进风兼措施井井筒净井主要作为专用进风井，在矿山建设期间作为临时提升之用。北风井位于井筒净直径3.5m，南风井位于井筒净直径4.5m，矿山形成副井入风，北、南两风井出风的中央对角式通风系统。矿体开采顺序为自上而下回采，阶段矿体自两端向后退式回采。

3 采矿方法

现采用的采矿方法有下向大孔空场采矿法、分段空场采矿法和潜孔留矿法三种，嗣后充填。主要为下向大孔空场采矿法（即VCR采矿法）：分三步骤进行，第一步回采拉底层，第二步回采矿房，胶结充填矿房后，第三步回采矿柱。回采采用隔1采1的回采方式，用“VCR”掏槽，掏槽区一般布置在采场中部。掏槽区两侧向中间崩矿，采用孔内双根导爆索、孔口非电毫秒雷管延时起爆方式。

待矿房矿石全部出完后，集中一次用全尾砂胶结充填，待两边矿房采完后，用尾砂胶结充填好并养护60天以上。矿柱采用与回采矿房相同的方式进行回采出矿，充填则采用尾砂非胶结充填，仅在底部10m用尾砂胶结充填。

4 充填系统设计研究

（1）充填系统总体布置。充填管道出口水平为-170m，矿区地面标高+40m左右，站内设立两套独立的充填系统，其充填倍线在3.5m以内，最北端矿体较薄部位线达到5.0。-290m中段采矿时，一般控制在4.0以内。

（2）充填方式。对急倾斜矿体和倾斜、缓倾斜矿体而言，利用井下掘进废石充填采空区，无需额外增加投资，工序简单，充填成本低，保护环境，可作为首选方法。但对于缓倾斜、倾斜薄矿体，采用废石充填，废石在采空区自流输送范围非常小，需要借助机械和人力搬运，劳动强度大，效率低。井下掘进废石量满足不了采空区充填要求。为此，考虑利用本矿区尾砂对采空区进行充填处理。

考虑到选厂排出的尾砂沉降性和透水性较好，不进行尾砂分级而采用水泥粉煤灰全尾矿胶结充填方式。

（3）充填系统相关参数设计。矿山已建成的充填系统相关技术参数为：①单套充填系统制备输送能力：70m³/h～90m³/h；②充填料浆浓度：70%～72%；③单套系统连续稳定运行时间：10h～12h；④单套系统一次最大充填量：800m³～1000m³；⑤灰砂比：1：4～1：20可调；⑥充填体强度（28天）：灰砂比为1：4时≥3MPa，灰砂比为1：12时≥1.0MPa。

（4）充填配比设计。充填配比根据采场充填体强度要求进行调整，其中：矿房底部8m≥3Mpa，中下部12m≥2Mpa，中部20m≥1.5Mpa，中上部12m≥2Mpa，顶部≥2.5Mpa；矿柱底部8m≥3Mpa，顶部≥1.5Mpa。

矿房充填使用胶结材料部分为自产胶凝剂和外购胶固粉，胶凝剂与胶固粉的充填配比如下：

上部矿柱如下：

表1 胶凝剂与胶固粉的充填配比

深部矿房例如下：

表2 深部矿房凝胶剂使用量

外购胶固粉如下：

表3 外购胶固粉使用量

（5）充填系统用量设计。充填料浆用量设计为2059m³/d，单套充填系统制备输送能力80m³/h，一次连续最大充填料浆制备量800m³。设计矿山建立4套彼此独立的充填系统，每套系统每日平均纯运行时间为8.58h。

充填料浆日平均用量计算：

式中：Q1--充填料日平均需用量，m³/d；Q--矿山年产量，300万t/a；γ--矿石体重，3.3t/m³；T--年工作日，330d；Z--采充比，取Z=1.0；K1--沉缩比，取K1=1.1；K2--流失系数，取K2=1.05。

取充填不均衡系数为3，则一次最大充填量为9545.46m³。

（6）充填工作制度。正常充填时，检测人员要每小时在充填站下料口取样一次，用重量法测定浓度，每班计算报出平均浓度，检测人员每班接取料浆制作试块，分别测定3天、7天、28天试块强度，检测强度是否达标。

矿房充填接顶3个月后，对充填体进行钻孔施工(φ91mm)、编录、拍照、取样，由检测员使用压力试验机检测抗压强度，报出检测报告。

（7）充填工艺流程方案设计。矿山充填设计采用立式砂仓，风动造浆的尾砂充填系统。将选矿厂经浓密后浓度55%的尾砂输送至砂仓，选厂尾砂通过地表管路送入充填站立式砂仓顶部，溢流水由仓顶内环形溢流槽排出。充填料浆经上述两段搅拌均勻后，通过充填井及井下管网栗送至井下采场进行充填。在平巷中设计一条充填管路，使高浓度充填砂浆管道自流输送的要求。尾砂由仓顶中心注入仓内仓内尾砂用压气（压水）造浆均匀后，打开放砂管向搅拌机供给尾砂浆。

具体流程方案：①采用全尾砂及水泥(或矿渣胶结剂）作为充填料，每套系统设置两个尾砂仓及一个水泥仓。单个尾砂仓容积850m，有效容积约750m，水泥仓容积220m，可装水泥约260t。

②全尾砂采用自然沉降脱水、溢流及排水阀联合排水，充填时压气造浆、管道放砂。

③充填料制备采用双轴搅拌机+高速活化搅拌机两段连续搅拌。

④充填料浆采用充填钻孔及井下自流输送，每套充填系统设置两个充填钻孔，钻孔中心距3m。

⑤系统设置较完善的自动检测及调节装置，充填站各运行参数可实现有效的调控。

⑥系统运行主要技术参数：制备输送能力80m/h～100m/h充填料浆浓度70%～72%灰砂比1：4～1：20可调一次连续最大充填量700m～750m。

5 结论

（1）草楼铁矿尾砂沉降性和透水性较好，不需要进行尾砂分级，适宜采用水泥粉煤灰全尾矿胶结充填。

（2）根据采矿工艺等的要求，充填系统灰砂比在1:4-1:20范围内（可调），总充填比例中低灰沙比占比较大，部分使用外购胶固粉，整体成本低廉。

（3）充填系统设计采用立式砂仓，风动造浆的尾砂充填系统，以简化充填工艺，减少系统的基建和经营费用，保证矿山的采充平衡能力。

（4）充分利用采矿产生的废石和尾砂作为充填原料进行回填开采，缓解了矿山尾矿库库容压力，降低了尾矿库环境和安全的隐患，有效地保护矿区地表及周边环境。