红泥坡铜矿井下充填方式对比选择研究

杨 泽，卢 萍，黄建君

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司矿山工程设计院，云南 昆明 650231；2.昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033)

1 工程概况

红泥坡铜矿为地下开采，主要金属为铜，主矿体①号矿体品位达1.67%以上，矿体赋存标高在 1 400～1 820 m 间，厚度薄至厚大，多为缓倾斜矿体，南北长约 1 990 m、东西宽约150～1 590 m，根据现场踏勘及岩芯对比分析，认为其矿岩实际性质同拉拉铜矿落凼矿区相当，属中等稳固至稳固。另地表分布有村寨、基本农田、尾矿库等需保护的工民设施，均位于开采移动影响范围之内，属于典型的“三下开采”高品位矿体。

设计采矿方法均为充填采矿法，采空区全部充填。结合矿体产状、价值、坑内与地表设施关系，富厚矿体采矿方法主要为条带上向水平分层充填法，采后回收盘区矿柱及中段矿柱；贫、薄矿体采用上向水平分层充填法，矿块间留设永久间柱，不留中段矿柱。

开采工艺及充填工艺：中段高度 100 m，分段高度 20 m，盘区沿走向长度为 120 m，宽度为矿体对应的水平宽度，盘区间柱宽度为 16 m，回采条带垂直矿体走向布置，条带宽度7～8 m，分层高度 4 m，长度约30～80 m。盘区内按条带划分为一步骤矿房和二步骤矿房的两步骤间隔回采方式：一步骤为灰砂比1∶10高强度胶结充填方式，二步骤灰砂比1∶15添加少量水泥胶结充填方式。面层均用高灰砂比胶结充填[1]。中段内各矿房自下而上分层回采。

2 充填体强度要求

根据红泥坡铜矿矿岩力学特性及采场结构稳定性研究成果，综合认为，在满足本采矿工艺及地表设施保护需求外，需要的充填体配比及强度应满足如下要求：

一步骤充填体：强度需满足二步骤条带的开采安全，包括满足自立、抗爆破冲击、支撑顶板等，以及上分层回采时作业人员安全、设备运行，因此选择底层灰砂比1∶10，强度须满足 14 d 为 0.6～1.0 MPa，28 d 为 1.0～1.5 MPa。

二步骤充填体：强度能满足上分层回采作业时人员工作、设备运行和支撑顶板围岩、加快脱水的要求，选择底层灰砂比1∶15，强度须满足 14 d 为0.3～0.5 MPa，28 d 为0.5～1.0 MPa。

分层法各步骤面层充填体：强度满足上分层时回采作业人员工作、设备运行，厚度0.6 m，灰砂比1∶5，强度须满足 14 d>1.5 MPa，28 d>2.0 MPa。

薄、贫矿体开采区段：加快脱水，选择底层灰砂比1∶20，强度须满足 7 d 为0.1～0.3 MPa，14 d 为0.3～0.5 MPa；胶结面层厚度 0.6 m，灰砂比1∶4，强度需满足 7 d >1.5 MPa，14 d >2.0 MPa。

3 充填材料

红泥坡铜矿尾矿产率约90%～95%，产生尾矿较多，完全可满足井下大规模充填材料的来源和要求，同时井下充填也可大幅度减少外排堆存的压力和成本。

1)尾砂。根据中国地质科学院矿产综合利用研究所《红泥坡—板山头铜矿充填试验研究报告》提供的扩大试验中浮选尾矿的粒度筛析结果，红泥坡尾矿中 -38 μm 质量分数为39.12%，-74 μm 至 + 45μm 质量分数为34.09%，+74 μm 质量分数为26.61%，尾砂加权平均粒径为dcp= 62.9 μm，尾砂粒级分布曲线见图1。其中 -20 μm 质量分数>20%，适合膏体充填，还可加入一定比例的粗颗粒骨料改善级配及充填质量。

图1 尾砂粒径级配分布曲线图Fig.1 Distribution curve chart of tailings particle size

2)级配碎石。为提高充填料浆浓度，保证充填体强度，改善非胶结充填体脱水性能，掺入一定比例的级配碎石。选取-10mm的级配碎石，选定在一步骤底层充填及所有面层充填中，掺入级配碎石占其充填干料质量的20%。碎石由井下外排废石及排土场供给，均通过卡车运输至充填制备站附近的废石破碎车间进行加工。

3)胶凝剂。胶结材料采用425#水泥，有条件时，可开展水泥替代品的研究工作，如低温陶瓷固化剂、工业炉渣研磨粉、矿粉水泥、粉煤灰等新型胶凝剂，以节约成本。

4 充填方式选择

根据红泥坡铜矿采矿工艺及实际倍线条件，本文对下述2种充填方式进行对比研究(图1)。

方案1全尾砂+级配碎石膏体自流+泵压输送充填，将选厂全尾砂经厂前浓密机浓密后，质量分数约45%的全尾矿送至深锥浓密机浓缩，浓密后底流质量浓度约70%，一步骤底层和所有充填面层均添加一定比例的-10mm级配碎石和胶凝材料，其他不添加碎石，经高浓度双级卧式搅拌机搅拌后，采用膏体充填泵加压或自流送至井下充填采空区，一步骤底层充填灰砂比1∶10，面层部分灰砂比1∶5，充填料浆质量浓度约76%～78%。二步骤充填和贫薄矿体开采充填灰砂比1∶15，面层部分灰砂比1∶5，充填料浆质量浓度约71%～72%。

方案2采用分级尾砂高浓度自流+泵加压输送的组合充填方式。相同充填要求下，其胶结充填水泥耗量高，非胶结充填采场脱水缓慢，充填效果差，不宜用于本类采矿，因此，需要对全尾砂中细泥部分进行筛分后，采用分级尾砂充填。此充填方式，将选厂全尾砂经厂前浓密机浓密后，质量分数约45%的全尾矿恒压送旋流器分级后送至立式砂仓分级浓缩，浓缩后底流质量分数约65%～70%，经搅拌桶添加胶凝材料搅拌后，自流或泵送至井下充填采空区。一步骤底层充填灰砂比1∶8，面层部分灰砂比1∶4，充填料浆质量分数约72%～74%。二步骤充填和贫薄矿体开采充填灰砂比1∶15，面层部分灰砂比1∶4，充填料浆质量分数约71%～74%。

对两方案从技术上对比如下：

方案1全尾砂膏体(+级配碎石)自流+泵压输送组合充填，整个充填系统相对复杂，操作要求严、控制精度高，投资高一些，但有如下优点。

1)充分利用粗细粒尾砂，剩余的全尾砂排入尾矿库，不会增加堆坝困难。

2)料浆浓度高，充填体密实度高，沉缩率小(1%～2%)，接顶好，强度增长快，能有效控制地压及沉陷，总体充填质量好，可提高回采率，并有效保护地表设施。

3)高浓度或膏体初凝时间短，强度增长快，可以减少一、二步骤条带交替及条带自身充填养护的周转时间，有利于提高盘区生产能力。

4)充填体要达到相同强度，高浓度或膏体充填耗用水泥量小，有利于降低成本。

5)深锥浓密机溢流水质好，可直接回用，且井下充填膏体泌水较少，可大量减少井下充填泌水，同一般高浓度或常规浓度自流充填相比，井下每天可减少泌水约 700 m3，年减少约18.82万m3。

方案2分级尾砂高浓度自流+渣浆泵加压输送组合充填，整个充填系统相对简单，易操作，控制及操作要求一般，投资低一些，分级尾砂相对较粗，充填脱水效果好，同等浓度，其水泥较全尾砂消耗少;但与全尾砂膏体充填方案相比，存在以下几方面的不足：

1)分级后较大部分粗尾砂用于充填，较细尾砂排入尾矿库，不利于尾矿堆坝。

2)充填体密实度相对要差，沉缩率大，接顶效果一般，浓度对水泥离析现象影响较大，强度分层现象明显，从而降低了充填质量。

3)充填含水大，不利于条带式采场脱水，采充循环时间长。

4)立式砂仓溢流水需经处理方可达到回水水质。

5)相对会泌出较多充填水，增加排水费用。

两种方案技术经济对比如下：

方案1为全尾砂+碎石膏体充填，在针对该矿开采条件情况下，具有技术上的优越性，契合矿山生产现状，有利于提高矿石回采率，但基建投资相对高一些，采用柱塞泵送电费及折旧、维修费也相对高，而具备充填浓度高、充填输送可靠、相同强度所需水泥消耗量较少及水处理费用低等特点，详细对比情况见表1。

表1 两种充填方案经济比较表Tab.1 Economic comparison table of two filling schemes

5 结论与建议

1)由上述经济比较可见，方案1相对投资多 1 890 万元，方案1运营成本添加碎石费用高，但其输送浓度高，水泥耗量低、无需水处理费用，两者年运营成本相差不多，方案1年运营费较方案2少231万元，按 14 a 达产年总计节省约 3 233 万元。

2)通过以上技术经济对比评价，最终确定方案1：全尾砂+级配碎石膏体自流+泵送充填工艺作为矿山充填系统方案，该方案原矿充填成本为24.78元/t。

3)另外，全尾砂+级配碎石膏体充填方案回采率高，经计算如果回采率提高5%，将多产出金属量2.17万t，可多获得利润3.91亿元。

4)建议在以后生产作业过程中，持续积极开展水泥胶凝剂替代品等方面的研究工作，如低温陶瓷固化剂、工业炉渣研磨粉、矿粉水泥、粉煤灰等新型胶凝剂，以节约成本。