国内某铁矿充填工艺技术优化

彭志华，陈鑫政，郭利杰，赵 越，杨 超

（1.云南富宁县博奥矿业有限公司，云南 富宁 663400；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628）

充填采矿法因其安全、环保等特点，已成为国内地下金属矿山开采的首选采矿方法。充填工艺技术直接影响充填采矿法的开采效率和开采成本［1-3］。充填骨料的级配对充填料浆的和易性和充填体的质量具有较大影响，充填料浆的离析会降低充填体质量［4-5］。对于采用全尾砂等细粒级骨料，其沉降浓缩方式和浓缩效率是充填工艺技术的关键［6-10］。为解决国内某铁矿充填工艺系统存在堵管事故频发和充填体质量差等问题，本文通过开展充填材料的物化参数测试，流动性、泌水率和抗压强度等一系列试验，对矿山充填工艺参数进行优化以及充填管线进行设计，以期实现矿山稳定高效充填，实现最大的经济效益与社会效益，确保企业可持续发展。

1 矿山充填工艺现状

那纳铁矿山位于云南省文山州富宁县，矿石品位约48.78%，属于国内少有的高品位铁矿，采用上向进路式充填采矿法开采。矿山目前采用分级粗尾砂胶结充填工艺，充填骨料采用经捞砂机分级后的粗尾砂，胶凝材料为当地生产的P.O 42.5水泥，充填管道采用DN150的无缝钢管，充填流量为60 m3／h。

由于分级粗尾砂颗粒较粗、地表充填管线起伏较大，井下管线布置不合理等问题，导致矿山充填过程中频繁出现堵管等事故，同时井下充填体存在明显的分层离析现象，使矿山充填系统一直无法稳定连续充填，且井下充填体质量差，影响了矿山的生产，也给矿石回采带来一定的安全隐患。

2 充填试验研究

2.1 充填材料

试验材料取自那纳铁矿选矿厂，包括全尾砂、分级粗尾砂和分级细尾砂，根据《土工试验方法标准》（GB／T 50123—1999）测得全尾砂的相对密度为2.937 g／cm3，其化学成分分析结果见图1，结果表明全尾砂中SiO2、Al2O3及CaO含量较高，有利于充填体强度增长。分级粗尾砂和分级细尾砂是全尾砂经捞砂机分级的产物，其物化性质与全尾砂相同。

图1 全尾砂化学成分分析结果Fig.1 Analysis results of chemical composition of the unclassified tailings

采用振动筛析法和激光粒度分析仪测得全尾砂、分级粗尾砂和分级细尾砂的颗粒粒径分布结果见图2和表1。结果表明全尾砂的不均匀系数为7.14，曲率系数为0.7（d10＝7μm，d30＝50μm，d60＝250μm），属于颗粒不连续分布不均匀的全尾砂；分级细尾砂的不均匀系数为24，曲率系数为1.5（d10＝2.5μm，d30＝10μm，d60＝60μm），属于颗粒连续分布不均匀的极细尾砂；分级粗尾砂－38μm颗粒占比为7.64%，＋125μm颗粒占比为87.97%，属于相对较粗尾砂。

表1 分级粗尾砂粒径分布Table 1 Particle size distribution of the classified coarse tailings

图2 全尾砂和分级细尾砂粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution of the unclassified tailings and classified fine tailings

根据粒径分布测试结果，全尾砂的粗细颗粒分明，级配较差，不能直接用于矿山充填，而经捞砂机分级后的粗尾砂颗粒相对较粗，单独用于充填制备的充填料浆分层离析严重。为此，提出在分级粗尾砂中加入一定比例的细尾砂改善尾砂整体级配组成，用于改善料浆的流动性能和均和性，制备出质量较优的膏体料浆，从而解决充填料浆分层离析现象，提高充填体质量。

2.2 分级细尾砂沉降试验

经捞砂机分级后的细微砂浆浓度低，需经沉降浓缩制成高浓度的尾砂浆才可以用于充填，为此开展分级细尾砂的沉降试验，试验过程如图3所示。

图3 分级细尾砂絮凝沉降试验过程Fig.3 The process of flocculation sedimentation test of classified fine tailings

通过开展分级细尾砂的自然沉降试验和絮凝沉降试验，确定分级细尾砂的最佳絮凝剂型号为爱森6013S系列，最佳进料浓度为8% ～10%，絮凝剂添加量为10～15 g／t。当进料浓度为10%、絮凝剂添加量为15 g／t时，分级细尾砂的固体通量为4.29 t／（h· m2），底流浓度可达到58%，试验结果如图4所示。

图4 分级尾砂絮凝沉降试验结果Fig.4 Results of flocculation sedimentation test of classified tailings

2.3 流动性测试

充填料浆的流动性直接影响充填料浆的输送方式，通过采用小型坍落度筒测试充填料浆的扩散度［11-13］，扩散度越大表明其流动性越好，反之则表明流动性越差，通常充填料浆较佳的扩散度范围为12～20 cm。设计粗、细尾砂比例为6∶4、5∶5和4∶6三种类型、充填料浆质量浓度为74%～78%，灰砂比为1∶4～1∶10，试验结果见图5。结果表明质量浓度对充填料浆的扩散度影响显著，随质量浓度的增加，扩散度逐渐变小；灰砂比对充填料浆的扩散度影响较小。根据扩散度试验结果，当粗、细尾砂比例为6∶4时，输送浓度不宜高于78%；当粗、细尾砂比例为5∶5时，输送浓度不宜高于76%；当粗、细尾砂比例为4∶6时，输送浓度不宜高于76%。

图5 充填料浆扩散度试验结果Fig.5 Results of spread test of backfilling slurry

2.4 充填配比试验

根据充填料浆流变试验结果，选择粗细尾砂比例为5∶5和4∶6两种骨料类型，制备质量浓度为74%～78%，灰砂比为1∶4～1∶10的充填试块，分别测试其7和28 d单轴抗压强度，试验结果如表2所示。试验结果表明粗细尾砂比例为5∶5～4∶6，相同灰砂比充填试块的单轴抗压强度相差不大，且随着质量浓度和灰砂比的增加，单轴抗压强度逐渐增加。

表2 充填试块抗压强度测试结果Table 2 UCS test results of backfill blocks

3 充填管线优化

通过现场调研，矿山目前充填管线布置如图6（a）所示。自充填站（标高＋814 m）通过山体自然地形铺设至＋993 m坑口，然后通过＋993 m斜坡道进行铺设，最后在＋650 m标高处通过斜上山进入＋620 m中段，然后通过上山敷设至＋565 m中段。经计算，自充填站至＋565 m中段，目前充填管线总长度为1 341 m，平均充填倍线约6.4，且充填管路存在多处拐弯，转弯角度小，现有充填管线局部损失多，不利于充填料浆管道输送，容易引起堵管事故。

图6 充填管线优化前后布置Fig.6 Layout comparison of filling pipeline before and after optimization

为优化充填管线布置，充分利用矿山已有工程，提出利用1＃透气钻孔作为充填钻孔的方案，充填管线自充填站经1＃透气钻孔输送至＋650 m硐室，然后通过斜坡道输送至620 m中段，再通过620 m中段至590 m中段通风天井输送至590 m中段，利用原管线经上山铺设至56 m中段，具体铺设方案如图6（b）所示。经计算，经过优化管线布置，总管线长度减少485 m，平均充填倍线为4.5，且管线拐弯少，能够实现充填料浆自流输送。

4 充填工艺优化效果

通过充填试验研究和充填管线优化，确定充填骨料采用在分级粗尾砂中加入分级细尾砂的混合尾砂，其中粗细尾砂比例在5∶5～4∶6。具体充填工艺流程为：选厂全尾砂经捞砂机分级，其中分级粗尾砂进入皮带输送机进入充填站堆场备用，分级细尾砂进入浓缩设备进行沉降浓缩，底流浓度达到50%以上。分级粗尾砂经铲车运输至尾砂给料机，然后经皮带计量输送至一级搅拌机，同时经浓缩的分级细尾砂通过泵输送至一级搅拌机，与水泥加水搅拌均匀后进入二级搅拌机再次搅拌，最后搅拌均匀合格的膏体充填料浆自流至井下充填采场，如图7所示。

图7 充填工艺流程图Fig.7 Flow chart of filling process

根据现场充填料浆取样，充填浓度达到74%以上，充填体最高强度能够达到3 MPa以上，充填质量高。那纳铁矿采用优化后的充填工艺，能够保障充填工艺参数的稳定性，同时实现充填料浆稳定可靠自流输送，充填采场几乎无排水，为矿石的回采工作提供了安全保障，实现高品位矿石的高效开采，提高了资源的利用率。

5 结论

1）针对矿山全尾砂级配不佳的现状，提出全尾砂先分级，然后通过在分级粗尾砂中加入分级细尾砂的方案优化骨料级配，试验结果表明分级细尾砂沉降浓缩最佳进料浓度为8%～10%，絮凝剂添加量为10～15 g／t，底流高度可达到56%～60%，粗、细尾砂的比例在5∶5～6∶4范围内最佳，质量浓度74%～78%的充填料浆具有较好的流动性和均合性，灰砂比1∶4充填体强度可达到4 MPa以上。

2）通过对矿山充填管线进行优化配置，利用原1＃透气钻孔作为充填钻孔，使充填总管线长度减少485 m，平均充填倍线由6.4降至4.5，实现了充填料浆自流稳定输送。

3）通过对那纳铁矿进行充填工艺技术的优化，解决了矿山堵管事故频发、充填离析分层严重等问题，保障了矿山充填工艺参数的稳定。