谦比希铜矿膏体充填井下工业试验研究①

李 辉，许 斌，焦华喆，陈新明，杨柳华

（1.中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿，赞比亚 基特韦22592；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454003）

谦比希铜矿隶属中色非洲矿业有限公司，矿区位于海拔+1 189～+1 450 m相对平缓的高原上，矿山建设规模为10 000 t／d，矿区矿体品位较低，对经济成本控制提出较高要求。基于此背景，引入膏体充填技术，最大化地利用选厂尾砂进行膏体充填以充分降低充填成本。

膏体充填是一种技术含量较高的现代采矿方法［1］，涉及细颗粒砂浆浓缩脱水技术、高浓度浆体泵送设备、活化搅拌设备等多项高新技术与设备［2］。该方法通常用尾砂、废石进行充填，能实现废弃物资源化利用，有利于矿业可持续发展［3-4］。

为实现谦比希铜矿设计的采矿生产能力，充填系统需在充填工艺、充填材料和充填强度等方面适应采矿方法的不同要求。进行工业试验，可有效考察充填系统长距离、长时间使用的运行状态，为正常充填工作提供经验［5-7］。本文以谦比希铜矿充填系统井下工业试验为基础，对充填材料、充填系统及投入使用前井下工业试验情况予以简述，并结合试验中的关键性数据及问题提出相应的建议，保障谦比希铜矿膏体充填系统正常工作。

1 充填系统

1.1 充填工艺

谦比希铜矿充填工艺流程见图1，该充填系统以全尾砂为主，尾砂由渣浆泵输送到膏体充填制备站浓密机，多余的尾砂经原有尾矿排放系统输送到尾矿库储存。浓密机制备的高浓度尾砂由底流泵输送到搅拌机与水泥混合，形成全尾砂胶结膏体充填料，然后采用自流和泵压相结合的方式将膏体充填料输送到采场进行充填。

图1 谦比希铜矿膏体充填工艺流程

1.2 充填材料

1.2.1 水 泥

充填配比室内试验结果表明：使用42.5R型普通硅酸盐水泥能满足充填体强度要求。结合经济成本、运输等问题，选取当地普遍使用的42.5普通硅酸盐水泥，即能满足供应量大的需求。

1.2.2 全尾砂

尾砂来源于该矿自身，浮选过程中未添加有毒有害药剂，在井下完成充填后不存在环境污染问题，但尾砂浓度较低，充填效果受其浓度影响较大，故需先浓缩脱水以确保矿浆浓度。通过室内试验发现：经过深锥浓密机脱水后选厂尾砂质量浓度可超过70%。

1.2.3 粗骨料

由于全尾砂颗粒相对较细，根据密实度理论，集料颗粒连续性越好，密实度越高，制成的膏体强度越好，故需在充填系统中添加粗骨料。经过现场调研，粗骨料来源于井下掘进的破碎废石，经过人工筛分控制粒径小于10 mm。

1.3 充填强度

根据各种类比及经验公式计算得到：谦比希铜矿低暴露面对充填体强度要求较低，大面积暴露面对充填体强度要求较高，推荐充填体强度设计值为1.0 MPa和0.5 MPa，充填体强度1.0 MPa用来满足预切顶向下中深孔分条空场嗣后充填法等厚大矿体充填，充填体强度0.5 MPa用来满足房柱法、分条进路采场充填。

2 井下工业试验

2.1 试验采场及充填管路

选择200 m水平15＃采场第1分层作为试验采场，该采场目前采用进路式开采，沿矿体走向开掘两条进路，如图2所示。经计算，方量约2 250 m3。试充前，采场已垫渣约750 m3，膏体可充方量约1 500 m3。

图2 15＃采场结构

相应充填管路布置如图3所示，管线总长约606 m，采场联络道内的充填管采用内径75 mm的PVC管，共2条，分别充填东西两侧进路，长约90 m。

图3 充填管线

2.2 充填情况概述

采场共分5次充填完成，共充填方量约2 008 m3，消耗水泥约72.5 t，综合灰砂比为1∶32.4，详见表1。

表1 试充填情况统计

2.3 试验现象

2.3.1 正常充填时系统状态

正常充填时，压力表数值不应超过1 MPa，爆管前正常充填浓度为70.4%，压力值一直在0.5～1.0 MPa内波动。根据压力数据进行计算，此时浆体在管道内的沿程阻力约3.4 MPa／km。

若不添加水泥，即非胶结膏体充填，其流动性与上述浆体相同，但凝固效果很差，图4为非胶结充填9天后膏体表面情况，局部区域可以行人，但下陷厉害。这是因为膏体内尾矿颗粒间的饱和水渗出困难，导致其凝固缓慢。由此可知，在二步骤矿柱回采完毕后，若直接采用全尾砂非胶结膏体充填，其凝固时间很难满足生产要求，必须添加少量水泥。现有试验结果表明，灰砂比1∶30可以满足凝固要求，为减少水泥用量、降低成本，建议开展进一步的膏体凝固试验。

图4 非胶结全尾膏体凝固效果

2.3.2 堵管现象

进行工业试验过程中，发生过1次堵管事故。

正常情况下，压力表数值不应超过1 MPa，发生堵管现象前，压力表数值突然增至2.2 MPa，然后卸压。该变化过程反映的管道实际状态为：地表管道某连接处漏浆。经过约2 h的漏浆处理，恢复充填后，管道压力仍持续增大，在达到2.1 MPa时突然卸压，钻孔底部单边复合管爆管，在此过程中，柱塞泵油压和压力表数据呈相同变化趋势。经过9 h事故处理后，重启系统，但压力值居高不下，且采场无料流出。

取样烘干测试，膏体浓度70.4%，实际灰砂比为1∶23.6。观察搅拌槽膏体较为黏稠，目测流动性较差，如图5所示。

图5 搅拌槽膏体

2.3.3 防范措施

根据工业试验过程中发现的问题，对系统进行了改造，防范措施如下：

1）搅拌槽加设格筛，防止槽内水泥块大块掉落。

2）更换局部单边复合管为锰钢管，提高整个管网的抗压系数。

3）更换管道连接垫为抗压强度较高的石棉垫，确保管道抗压能力。

4）更换采场充填管为PVC管，降低系统运行过程中的压力。

5）在关键位置加设冲洗三通管，防止管内膏体长时间停留进而凝固。

6）建立井下通信及巡管制度。

2.4 试验结果

1）正常充填时管道压力较小，一般在0.3～0.5 MPa波动（与充填浓度相关），一旦压力超过1 MPa则表明管道某处可能发生堵塞现象。

2）根据目前井下管道情况，充填浓度不宜过高，现场试验测试结果表明：浆体保持在66%～68%范围内流动性较好，塌落度为26～28 cm，管道沿程阻力损失3～4 MPa／km，在采场内的流动性能较好。

3）工作时，充填系统流量约60 m3／h，浆体平均流速约1 m／s。在试充填过程中，管线长度约700 m，水到采场约10 min，浆体到采场约20 min，用于润管的水量为15 m3，用于管道冲洗的水量为30 m3。

3 结 论

井下工业试验结果证明，在一定条件下，谦比希铜矿膏体充填系统是安全可靠的，但在使用过程中应注意：充填浓度应保持在66%～68%范围内，此时膏体流动性较好。应随时关注管道压力变化，当压力超过1 MPa时，应观察流量大小以确定是否出现堵管现象；当压力达到2 MPa时，立即停止充填。在充填过程中发生事故时，处理时间不超过2 h时可继续充填，处理时间超过2 h时应先放水冲洗。