王正輝

(金川鎳鈷研究設(shè)計院， 甘肅金昌市 737100)

金川礦山廢料膠結(jié)充填工藝技術(shù)研究

王正輝

(金川鎳鈷研究設(shè)計院， 甘肅金昌市 737100)

分析了金川礦山工程廢石、選礦尾砂和礦坑廢水的物理化學(xué)性質(zhì)，研究了滿足金川礦山下向膠結(jié)充填采礦工藝條件的“廢石+尾砂+水泥+廢水”膠結(jié)料漿配合比參數(shù)，提出了“廢石+尾砂+水泥+廢水”膠結(jié)料漿的制備工藝和滿足遠(yuǎn)距離管道輸送的工藝流程參數(shù)。

廢料;膠結(jié)充填;材料配比;工藝流程

0 前 言

隨著世界對環(huán)保和資源的不斷重視，充填采礦方法在采礦領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于采用充填采礦方法的礦山，充填材料的選擇，不僅與礦山的生產(chǎn)成本密切相關(guān)，而且與礦山的資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)。金川礦山采用下向分層膠結(jié)充填采礦方法，采用高濃度自流充填工藝，所用的充填骨料主要是人工加工的成本高達(dá)38元/t的棒磨砂，并且年用量達(dá)到260萬t。而金川礦山每年有超過100萬t的工程廢石和超過600萬t的選礦尾砂排放，也有超過150萬m3的礦坑廢水排放。如果能夠利用金川礦山產(chǎn)生的廢石、尾砂、廢水作為充填材料，實現(xiàn)工業(yè)廢料膠結(jié)充填，不僅可以解決金川礦山充填材料成本居高不下的問題，還能夠大幅度降低礦山廢石、選礦尾礦和礦山廢水的地表排放量，改善金川礦山周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。因此，研究金川礦山的工業(yè)廢料膠結(jié)充填工藝技術(shù)對降低金川礦山的充填成本和減少工業(yè)廢料的露天排放量具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 金川礦山廢料的性質(zhì)研究

工程廢石、選礦尾砂和礦坑廢水等是否可用于礦山充填，首先要對其物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測、分析和研究，再參照低標(biāo)號混凝土用料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來判斷其是否符合充填用料的選型條件。

1.1 工程廢石

金川礦山的工程廢石是指金川礦山井下巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的廢石和井下巷道返修時產(chǎn)生的廢棄物，其巖石類型主要有二輝橄欖巖、大理巖、花崗巖、蛇紋透閃綠泥片巖等。按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685－2001)中的方法對取樣巖石進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測試，測試結(jié)果見表1和表2。

表1 金川礦山幾種巖石的物理性質(zhì)

表2 4種巖石的基本物理力學(xué)性能

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，工程廢石的表觀密度大于 2.5 g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于 30 MPa，符合《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》(JGJ53－92)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，可以用做充填骨料。

1.2 選礦尾砂

金川礦山的全尾砂是指金川硫化銅鎳礦石經(jīng)過浮選工藝后產(chǎn)生的全粒度級配的尾礦砂。取樣檢測全尾砂的比重為 2.87 t/m3，容重為 1.22 t/m3，空隙率為57.49%。全尾砂的化學(xué)成分見表3。

依據(jù)表3，全尾砂的堿性、活性和質(zhì)量系數(shù)計算如下。

全尾砂的堿性率:

表3 金川礦山全尾砂的化學(xué)成份

全尾砂的活性率:

全尾砂的質(zhì)量系數(shù):

根據(jù)計算結(jié)果，全尾砂的堿性系數(shù)接近于1，屬于中性物質(zhì);全尾砂的活性系數(shù)小于0.17、質(zhì)量系數(shù)小于1.6，全尾砂沒有膠結(jié)活性、為惰性材料，滿足礦山充填材料的選型條件;但全尾砂中MgO和SO3含量較高，對充填體的后期質(zhì)量有一定程度的負(fù)面影響。

1.3 礦坑廢水

金川礦山的廢水是指從礦山井下排放到地表的工程廢水和裂隙水。依據(jù)《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63－2006)，對金川礦山的礦坑廢水進(jìn)行了取樣檢測，檢測結(jié)果見表4。

表4 金川礦山礦坑廢水所含的化學(xué)元素

分析表4數(shù)據(jù)，金川礦坑廢水的pH值、不溶物含量(Ca、Fe、Si等)、CL 含量、折算可溶物(Al2O3、MgO)含量、折算堿(CaOH)含量等指標(biāo)均不超過《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63－2006)規(guī)定的范圍，可以用于礦山充填。

2 充填料漿的配合比試驗研究

2.1 采礦方法對充填工藝參數(shù)的要求

金川礦山采用下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，充填體既是相鄰進(jìn)路回采時的間柱，又是下一分層進(jìn)路回采的頂板，不僅要承擔(dān)上部充填體傳遞的地應(yīng)力和充填體自重壓力作用，還要承受進(jìn)路回采時的爆破沖擊作用，其強(qiáng)度必須同時滿足兩種情況下的穩(wěn)定性要求。根據(jù)金川集團(tuán)有限公司制定的充填采礦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，金川礦山充填體的3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度必須滿足 R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5.0 MPa的要求。金川礦山采用高濃度細(xì)砂自流管道輸送充填工藝，充填管線長度在1200～2700 m之間，采空區(qū)(進(jìn)路)的規(guī)格為:寬度×高度×長度=5 m×4 m×50 m。要保證充填料漿通過管道順利地輸送到采空區(qū)，并保證充填料漿在采空區(qū)的流動過程中不發(fā)生分層、離析現(xiàn)象，充填料漿的流動度不能小于9 cm，坍落度不能小于20 cm、分層度不能超過 2.0 cm。

2.2 骨料組成研究

以工程廢石和全尾砂為充填骨料，配置出滿足管道輸送條件的充填料漿，其固體顆粒的最大粒度不能超過輸送管道有效直徑的1/5。根據(jù)金川礦山充填系統(tǒng)的實際輸送管道直徑情況，固體顆粒的最大粒度不能超過20 mm。同時，－20 mm破碎廢石與全尾砂為骨料，添加水泥材料后，只能配成含粗骨料成份的混凝土料漿，采用泵壓輸送。要保證料漿滿足可泵性要求，其固體顆粒至少有20%以上的－30 μm細(xì)顆。因此，要將金川礦山的工程廢石破碎到20 mm以下，并與全尾砂進(jìn)行合理的搭配才能構(gòu)成滿足條件的骨料級配。金川工程廢石按－20 mm標(biāo)準(zhǔn)破碎后的粒度分布見圖1。全尾砂的粒度級配見圖2。

圖1 破碎后廢石的粒度分布

根據(jù)破碎后廢石和全尾砂的粒度分布，綜合考慮骨料級配滿足可泵性條件和物料的密實度最優(yōu)(d60/d10=4～5)條件，選擇廢石與尾砂的比例范圍為 6∶4 ～5∶5。

圖2 金川礦山全尾砂的粒度分布

2.3 廢料混凝土料漿的配比參數(shù)試驗研究

以破碎廢石、全尾砂、廢水和32.5級普通水泥為原料，廢石與尾砂的比例為6∶4和5∶5，水泥添加量分別為220，240 kg/m3和260 kg/m3，混凝土料漿重量濃度分別為77%，78%，79%，80%，按照《金川充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和混凝土試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面試驗。用標(biāo)準(zhǔn)砂漿稠度儀、標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒檢測稠度和坍落度，用100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具澆注試塊，用SBY－300型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱按溫度25℃、濕度85%進(jìn)行試塊養(yǎng)護(hù)，用NYL－600型壓力試驗機(jī)進(jìn)行試塊強(qiáng)度檢測。試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 配合比試驗獲得的數(shù)據(jù)

分析試驗數(shù)據(jù)，滿足流動度≥9 cm、坍落度≥20 cm，強(qiáng)度滿足 R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5.0 MPa條件的配比參數(shù)有3組，即:廢石與尾砂的比例為6∶4，水泥耗量為260 kg/m3，料漿濃度分別為77%，78%和79%。以這3組配比為依據(jù)，進(jìn)行混凝土料漿的分層度試驗，獲得的試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 分層度試驗數(shù)據(jù)

依據(jù)表6，結(jié)合表5數(shù)據(jù)，可滿足金川礦山下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦方法工藝條件的廢料膠結(jié)料漿配合比參數(shù)為:廢石∶尾砂=6∶4，水泥耗量260 kg/m3，濃度78%或79%。

3 廢料膠結(jié)充填的工藝研究

3.1 工藝參數(shù)選擇

金川二礦區(qū)是金川公司的主力礦山，其年出礦能力超過400萬t，年充填量超過145萬m3，年廢石排量達(dá)到60萬t，年廢水排放量達(dá)到90萬m3。因此，將金川的廢料混凝土充填系統(tǒng)首先選擇在金川二礦區(qū)進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。按照廢物利用最大化原則，擬設(shè)計兩套小時充填能力240 m3(每套120 m3/h)、日充填2400 m3、年充填72萬m3的廢料混凝土泵送充填系統(tǒng)。每年可利用工程廢石56.16萬t，利用工程廢水31.68萬m3。選擇料漿的重量濃度為78%，廢石與尾砂的比例為6∶4，水泥耗量為260 kg/m3這一組配比參數(shù)，計算出廢料混凝土充填的各種材料的用量見表7。

表7 年廢物利用量

3.2 工藝流程研究

根據(jù)工業(yè)廢料所處的地理位置，為了減少工程廢石的提升運(yùn)輸量，將廢料混凝土充填工藝系統(tǒng)設(shè)計為地表部分和井下部分。尾砂、水泥與廢水的混合料漿制備系統(tǒng)建設(shè)在地表，廢石的破碎系統(tǒng)和全廢料料漿的制備及輸送系統(tǒng)建設(shè)在井下。在地表將尾砂、廢水與水泥混合攪拌配制成重量濃度為39%的料漿，采用自流輸送的方式輸送到井下，與井下的破碎廢石混合攪拌后形成重量濃度為78%的廢料混凝土料漿，采用HBMD－150/15－500S混凝土泵將其泵送到采空區(qū)完成充填作業(yè)。廢料混凝土料漿充填的總體工藝流程見圖3。

圖3 廢料混凝土泵送充填的工藝流程

3.2.1 地表系統(tǒng)

(1)供水系統(tǒng)。井下廢水排放到地表后，由于存在泥沙等雜物，需要進(jìn)行沉淀處理。設(shè)計采用二級沉淀工藝，一、二級沉淀池有效容積200 m3，清水池按1 d的用水量計算其有效容積為1000 m3。沉淀后的清水通過計量泵向攪拌槽供水。

(2)供灰系統(tǒng)。供灰系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的立式水泥倉，雙管螺旋輸送、沖板流量計計量的方式供料。

(3)供料系統(tǒng)。尾砂采用臥式砂倉存儲，通過抓斗、料倉、圓盤給料機(jī)、電子皮帶秤計量，以干料方式添加到攪拌桶。尾砂用自卸汽車或火車從尾礦壩拉運(yùn)到充填站。

(4)攪拌及輸送系統(tǒng)。選用Φ2.0 m×2.1高濃度攪拌桶，Φ133 mm自流輸送管道。

(5)工藝參數(shù)。尾砂給料62.4 t/h，水泥給料31.2 t/h，廢水給料52.8 t/h，砂漿重量濃度39%，砂漿流量85 m3/h。其工藝流程見圖4。

圖4 地表系統(tǒng)工藝流程

3.2.2 井下系統(tǒng)

(1)廢石破碎系統(tǒng)。井下廢石破碎系統(tǒng)利用金川二礦區(qū)1250 m中段至1150 m中段之間遺留下來的溜井進(jìn)行建設(shè)，在溜井底部安裝往復(fù)式破碎機(jī)，采用單級破碎方式將工程廢石破碎到20 mm以下，再用皮帶運(yùn)輸機(jī)將其運(yùn)送到兩個容量分別為940 t的碎石倉存儲。

(2)井下攪拌及輸送系統(tǒng)。廢石采用Φ2000園盤給料機(jī)給料，攪拌采用ATDⅢ－700型雙軸雙螺旋攪拌機(jī)，輸送采用HBMD－150/15－500S混凝土泵，其工藝流程見圖5。

圖5 井下系統(tǒng)工藝流程

4 結(jié) 語

膏體充填工藝技術(shù)和似膏體充填工藝技術(shù)已經(jīng)成為世界充填工藝技術(shù)發(fā)展的主要方向，以礦山自身產(chǎn)生的工業(yè)廢料為充填骨料，開發(fā)礦山全廢料混凝土泵壓輸送充填技術(shù)和充填工藝，為礦山實現(xiàn)無廢開采和零排放提供了有效途徑。圍繞以廢料充填、降低成本和提高充填體質(zhì)量為中心的研究，是充填工藝技術(shù)的發(fā)展方向，必將推動充填工藝技術(shù)的長足發(fā)展，促進(jìn)無廢礦山的建設(shè)步伐。

[1] 王正輝.全尾砂+棒磨砂膠結(jié)充填試驗研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設(shè)計院礦山分院，2007.

[2] 王正輝.井下廢水應(yīng)用于礦山充填的試驗研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設(shè)計院礦山分院，2010.

[3] 馬利民，等.金川礦區(qū)下向進(jìn)路式采礦廢石膠結(jié)充填工藝技術(shù)可行性研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設(shè)計院礦山分院，2008.

[4] 王正輝.膏體充填料的工程檢測與判別[J].有色礦山，2000，(5):11－14.

[5] 王正輝，張豐田，等.尾砂充填料漿的配合比試驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，(1):11 －13.

[6] JGJ53－92.普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法[S].

[7] JGJ63－2006.混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)[S].

2011－04－02)

王正輝(1966－)，男，四川人，高級工程師，主要從事充填采礦方面的科研、設(shè)計和現(xiàn)場服務(wù)工作，Email:abkj@vip.sina.com。