張云韋 郭利杰 周光信 楊超

摘要：充填工藝參數(shù)的合理性，是保障采場充填質(zhì)量的核心，充填質(zhì)量是保障充填采礦安全回采的關(guān)鍵。基于冶煉渣、尾砂等一般工業(yè)固體廢物制備膏體充填料漿，通過測試充填材料的基本特性，并結(jié)合充填料漿相關(guān)特性試驗結(jié)果，確定了最佳的充填工藝參數(shù)：假底層充填體強度3.0 MPa，接頂層充填體強度1.0 MPa;冶煉渣和尾砂質(zhì)量比（3∶7）～（5∶5）;充填料漿濃度74 %～78 %;假底層充填灰砂比1∶5，接頂層充填灰砂比1∶10;充填流量90～110 m3/h。結(jié)合礦山生產(chǎn)實際進行了充填系統(tǒng)方案設(shè)計，確定了核心工藝方案。最終經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)驗證，所推薦充填工藝能夠滿足生產(chǎn)需求，且充填效果良好。

關(guān)鍵詞：膏體充填;礦冶固廢;充填參數(shù);充填工藝;充填質(zhì)量

中圖分類號：TD853.34????????? 文章編號：1001-1277（2021）08-0032-04

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210807

充填是充填采礦法生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，充填質(zhì)量與充填成本決定著礦山安全高效回采及企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“喀拉通克礦”）自建礦以來，一直采用戈壁集料+水泥的粗骨料充填工藝，其存在充填成本高的問題，同時礦山生產(chǎn)的尾砂、冶煉渣等一般工業(yè)固體廢物堆存于地表，未進行綜合利用。為了降低充填成本，開展了利用一般工業(yè)固體廢物冶煉渣、尾砂作為充填骨料代替戈壁集料的充填技術(shù)研究。本文通過試驗研究確定了最佳的尾砂與冶煉渣的質(zhì)量比及相關(guān)充填工藝參數(shù)，并結(jié)合礦山生產(chǎn)情況確定了相適應(yīng)的充填系統(tǒng)工藝方案，最終在確保充填質(zhì)量的前提下，大幅降低充填成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益與社會效益最大化，確保了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 充填材料

1.1 尾 砂

1）化學(xué)成分。對充填所用尾砂進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

由表1可知：尾砂中SiO2、Al2O3及CaO含量較高，有利于充填體強度增長。另外，尾砂中S含量較高，尾砂濃縮過程中容易板結(jié)，且不利于強度增長。整體來看，充填所用尾砂屬于一般工業(yè)固體廢物，能夠作為充填材料使用。

2）粒徑組成。對充填所用尾砂粒徑組成進行測定，結(jié)果見表2。由表2可知，充填所用尾砂屬于極細尾砂，其濃縮性能較差。

1.2 冶煉渣

1）化學(xué)成分。對充填所用冶煉渣化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表3。由表3可知，冶煉渣中SiO2含量較高，尾砂中添加冶煉渣有利于提高充填體強度。

2）粒徑組成。測定了充填所用冶煉渣的粒徑組成，結(jié)果見表4。由表4可知：冶煉渣顆粒較粗，且分布比較集中，其與尾砂可形成互補，增加粗骨料含量，有利于提高充填體強度。

1.3 充填骨料物理參數(shù)

測定充填骨料基礎(chǔ)物理參數(shù)，結(jié)果見表5。

1.4 其他材料

1）水泥。充填所用水泥為強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，密度3.000 g/cm3。

2）充填用水。對充填用水進行pH和常見陰離子檢測，測定結(jié)果見表6。由表6可知，充填用水偏堿性。

2 充填工藝參數(shù)

2.1 充填體強度要求

在充填采礦過程中充填體首先需要保證一定的自立強度，否則將出現(xiàn)垮落現(xiàn)象[2]。當(dāng)充填體作為自立性人工礦柱時，可將充填體高度和強度視為一對主要矛盾[3]。國內(nèi)外研究人員在計算分析充填體自立強度方面做了大量的工作，提出了多個較為可靠實用的計算方法，具有代表性的主要有安慶銅礦公式、米切爾（Mitchell）法等[4]?？说V采用下向進路充填采礦法開采，其采場進路尺寸為：寬×高×長=3.5 m×3.5 m×40.0 m。按照該尺寸，根據(jù)以上計算方法，計算得出充填體自立強度為0.444～1.571 MPa（安全系數(shù)FS=1.0）。根據(jù)經(jīng)驗類比法，結(jié)合下向進路充填采礦法的特點，考慮一定的安全系數(shù)得出：下向進路假底層充填體強度3.0 MPa，接頂層強度1.0 MPa。其中，假底層高2.0 m，接頂層高1.5 m。

2.2 充填骨料配比

膏體充填料漿具有不離析、不沉降及不脫水的優(yōu)點[5]。由于冶煉渣密度大，所以基于冶煉渣與尾砂制備膏體時需確定最佳的添加比例，從而制備出具有膏體性能的充填料漿，且流動性能較好。同時，在保障制備合格的膏體充填料漿的前提下，應(yīng)盡可能多地添加冶煉渣，從而提高充填體強度，保障充填質(zhì)量。通過泌水試驗及擴散度試驗，最終確定冶煉渣與尾砂質(zhì)量比為（3∶7）～（5∶5）時能夠制備出各項指標(biāo)較好的膏體充填料漿。

2.3 充填料漿濃度

充填料漿濃度是影響充填質(zhì)量的關(guān)鍵因素，充填料漿濃度低易造成充填料漿沉降離析，導(dǎo)致充填強度低、充填體質(zhì)量差等，從而影響回采的安全性[6]。因此，基于冶煉渣與尾砂制備的膏體充填料漿需達到均質(zhì)的賓漢母體，即需要盡可能提高充填料漿濃度，同時其充填料漿還需保障具有一定的流動性及可輸送性。通過流動性試驗，最終確定在冶煉渣與尾砂質(zhì)量比為（3∶7）～（5∶5）時，充填料漿濃度應(yīng)控制在74 %～78 %。

2.4 充填灰砂比

充填灰砂比也是影響充填質(zhì)量的關(guān)鍵因素，灰砂比越大充填體強度越高，但充填成本越高;反之灰砂比越小充填體強度越低，但充填成本較低[7]。因此，應(yīng)在保障充填質(zhì)量的前提下，選擇適宜的灰砂比，從而降低充填成本。通過充填體強度試驗，并結(jié)合下向進路充填采礦法對充填體強度需求，最終確定下向進路假底層充填灰砂比為1∶5，接頂層充填灰砂比為1∶10。

2.5 充填流量

充填流量是反映充填效率的一項重要指標(biāo)，充填流量越大則充填效率越高，反之則越低。充填流量取決于充填系統(tǒng)制備及相應(yīng)的輸送管路。根據(jù)充填系統(tǒng)設(shè)計礦山充填流量為90～110 m3/h，對于充填倍線較小的采場采用自流輸送的方式進行充填料漿輸送，充填倍線較大的采場采用加壓泵送的方式進行充填料漿輸送。

3 充填系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)工藝流程

選礦廠尾砂通過渣漿泵輸送至充填站深錐濃密機，深錐濃密機溢流清水通過渣漿泵再次輸送回選礦廠濃密池，用于補充尾礦至尾礦庫輸送流量。深錐濃密機底流輸送至立式砂倉進行存儲，充填時通過立式砂倉放砂系統(tǒng)輸送至攪拌系統(tǒng)。水泥通過水泥倉存儲，采用微粉秤計量并輸送至攪拌系統(tǒng)。調(diào)濃水采用流量計與電動閥門調(diào)節(jié)。冶煉渣及其他粗骨料采用皮帶電子秤計量，通過皮帶輸送至攪拌系統(tǒng)。最終尾砂、冶煉渣、水泥及水通過兩段臥式攪拌系統(tǒng)共同攪拌制備膏體料漿，制備完成的均質(zhì)膏體料漿通過溜槽分別進入泵送系統(tǒng)或自流充填系統(tǒng)用于井下采場充填。具體工藝流程見圖1。

3.2 尾砂供料、濃縮及回水

按照選礦廠尾砂排放濃度24 %、充填尾砂需求量1 420 t/d計算，所需尾礦料漿輸送量為4 980.6 m3/d，采用每天24 h不間斷輸送，則每小時輸送量為207.5 m3。據(jù)此按照250 m3/h供砂能力計算，設(shè)計采用16Mn無縫鋼管進行尾砂輸送，管道尺寸為203 mm×10 mm，此時對應(yīng)輸送流速為2.2 m/s。

充填供砂輸送能力為250 m3/h，即進入濃密機內(nèi)物料體積為250 m3/h，濃密機底流通過底流泵輸送至立式砂倉，底流濃度按照68 %計算，排出尾砂干量為57.6 t，底流排出流量為47 m3/h。因此，溢流回水量為203 m3/h。設(shè)計回水管道為159 mm×6 mm，按此回水量，其回水流速為3.32 m/s。

3.3 計量與輸送

1）冶煉渣計量與輸送。采用配料斗+皮帶電子秤的方式進行冶煉渣計量，采用輸送皮帶的方式進行物料輸送，實現(xiàn)冶煉渣計量與輸送。

2）膠凝材料計量與輸送。礦山充填所用膠凝材料為水泥，水泥通過水泥罐車運輸至充填站，采用水泥倉進行存儲，水泥倉容積為400 m3。充填時通過微粉秤進行計量與輸送，將水泥倉中水泥輸送至攪拌系統(tǒng)。

3.4 料漿攪拌

由于膏體充填料漿濃度高，不易攪拌均勻，一般采用兩段臥式攪拌方案進行攪拌，即一段采用漿葉式攪拌，二段采用螺旋式攪拌。但是，基于冶煉渣與尾砂共同制備的膏體料漿存在粗骨料，且冶煉渣密度較大，易沉降。針對該問題設(shè)計采用兩段漿葉式臥式攪拌機進行料漿攪拌，從而達到增強攪拌的效果，保障料漿攪拌均勻。

4 充填效果

采用以上充填工藝參數(shù)進行充填，經(jīng)過1年多的運行，充填系統(tǒng)運行可靠、工藝參數(shù)穩(wěn)定，充填體強度較高，其進路假底層強度能夠達到3.0 MPa，接頂層強度能夠達到1.0 MPa，滿足下向進路充填采礦法開采需求，充填整體質(zhì)量較高。同時在充填過程中進行取樣檢測，冶煉渣能夠在充填體中均勻分布（見圖2），未出現(xiàn)沉積等現(xiàn)象，充填體均質(zhì)性較好。

5 結(jié) 論

根據(jù)喀拉通克礦采用下向進路充填采礦法開采的實際，采用所確定的充填工藝參數(shù)及設(shè)計的充填系統(tǒng)方案，生產(chǎn)實踐表明：

1）通過計算確定下向進路假底層充填體強度為3.0 MPa，接頂層強度為1.0 MPa的工藝參數(shù)能夠滿足下向進路充填采礦法開采的需求。

2）研究確定的冶煉渣與尾砂質(zhì)量比（3∶7）～（5∶5），充填料漿濃度應(yīng)控制在74 %～78 %及下向進路假底層充填灰砂比1∶5、接頂層充填灰砂比1∶10等工藝參數(shù)，能夠滿足下向進路開采所需的充填體強度，且充填體整體質(zhì)量較高。

3）本文所確定充填工藝流程及系統(tǒng)方案，能夠滿足充填生產(chǎn)需求，充填系統(tǒng)運行可靠、工藝參數(shù)穩(wěn)定、充填體強度較高。

4）通過生產(chǎn)取樣檢測，冶煉渣能夠在充填體中均勻分布，未出現(xiàn)沉積等現(xiàn)象，充填體均質(zhì)性較好，從而保障了充填體質(zhì)量。

[參 考 文 獻]

[1] 王新民.深井礦山充填理論與技術(shù)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005：57-63.

[2] 楊小聰，郭利杰.尾礦和廢石綜合利用技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2018.

[3] 李鑫，王炳文，游家梁，等.尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)研究[J].中國礦業(yè)，2016，25（6）：169-172.

[4] 李欣，郭利杰，許文遠，等.某鐵礦全尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)性能研究[J].中國礦業(yè)，2019，28（增刊2）：402-424.

[5] 楊超，郭利杰，侯國權(quán)，等.細粒級尾礦膏體最佳排放濃度確定方法[J].金屬礦山，2017（5）：29-32.

[6] 伊繼申，孫素坤.三山島金礦井下充填質(zhì)量的分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2002，22（1）：26-27.

[7] 裴啟濤.影響膠結(jié)充填體質(zhì)量的主要因素及控制措施[C]∥中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會.2009全國采礦新技術(shù)前沿論壇論文集.北京：中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會，2009：99-102.

Research on paste backfill technique using mining

and smelting solid wastes and its application

Zhang Yunwei1，Guo Lijie2，3，Zhou Guangxin1，Yang Chao2，3

（1.Xinjiang Karatunk Mining Co.，Ltd.;

2.General Research Institute of Mining and Metallurgy;

3.National Center for International Research on Green Metal Mining）

Abstract：The rationality of filling process parameters is the core of ensuring the filling quality in stopes.The filling quality is the key to the safe extraction in filling mining process.Common industrial solid wastes such as smelting slag and tailings are used for the preparation of paste slurry.By testing the basic characteristics of filling materials，and based on the characteristics of paste slurry，the best filling process parameters were chosen：the filling body strength on artificial bottom layer is 3.0 MPa，the filling body strength on roof connection layer is 1.0 MPa;the mass ratio of smelting slag and tailings are （3∶7）-（5∶5）;filling slurry concentration is 74 %-78 %;filling cement-sand ratio on artificial bottom layer is 1∶5，filling cement-sand ratio on roof connection layer is 1∶10;filling flow is 90-110 m3/h.The filling system scheme is designed according to the production practice in the mine，and the core process scheme is decided.Proved in field production，the recommended filling process can meet the production requirement，and the filling effect is good.

Keywords：paste backfill;mining and smelting solid waste;filling parameter;filling process;filling quality