王剛 ，張峰 ，康瑞海 ，陳繼倫 ，張念超

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 廈門市 364200；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012；4.塞爾維亞紫金礦業(yè)有限公司， 塞爾維亞 波爾市)

0 引言

2010—2012年是礦業(yè)市場的一個(gè)高峰時(shí)期，我國采礦業(yè)對外直接投資發(fā)展較為迅速[1]。受當(dāng)?shù)卣址€(wěn)定性、當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政策、金屬價(jià)格波動(dòng)等多方面因素影響，國際市場礦業(yè)投資整體呈現(xiàn)較高的風(fēng)險(xiǎn)性[2]。對外投資的礦山相比國內(nèi)多數(shù)礦山而言，其儲(chǔ)量大、金屬品位高，因此礦山往往需要盡快進(jìn)行礦石開采以便資金的回收。充填采礦法作為一種環(huán)境友好型的采礦方法，加上其能顯著提高礦石回采率，近些年來成為了礦山開采中的最主要方法。充填采礦法的核心內(nèi)容之一在于充填系統(tǒng)的搭建，以便對采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)回填，推進(jìn)下一個(gè)開采循環(huán)[3-7]。對大中型礦山而言，傳統(tǒng)的充填站建設(shè)由于涉及到深錐濃密機(jī)、立式砂倉等大型混凝土構(gòu)建筑物，其建設(shè)周期往往較長，若再遇到突發(fā)事故，建設(shè)周期進(jìn)一步拉長，則會(huì)對整個(gè)采礦建設(shè)規(guī)劃造成較大影響。此時(shí)，臨時(shí)性的充填應(yīng)對措施對國外投資新礦山的生產(chǎn)保障顯得尤為重要。

臨時(shí)性的充填應(yīng)對措施在國內(nèi)外的報(bào)道及應(yīng)用較少，鑒于此，針對丘卡盧-佩吉銅金礦實(shí)際情況，結(jié)合多年的充填設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[8-12]，研發(fā)了粗骨料臨時(shí)充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)投資少、應(yīng)用快、效果好，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過渡期間對井下充填的需求問題。

1 項(xiàng)目背景

丘卡盧-佩吉銅金礦位于塞爾維亞東部的 Bor市南部，隸屬于Bor市管轄。項(xiàng)目由紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司旗下全資子公司塞爾維亞紫金礦業(yè)有限公司開發(fā)建設(shè)。

丘卡盧-佩吉銅金礦設(shè)計(jì)開采規(guī)模為 10000 t/d，330萬 t/a。礦山分為 3個(gè)采區(qū)（-30～-440 m），從上至下品位逐漸降低，礦山資源總量為3851萬t，銅金屬為122.64萬t，平均品位為3.18%，金金屬為 77324 kg，平均品位為 2.01 g/t。

一采區(qū)（-140 m以上）采用上向進(jìn)路充填采礦法，二采區(qū)（-140～-260 m）主要采用分段充填采礦法，三采區(qū)（-260 m以下）采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。設(shè)計(jì)充填方式為全尾砂膏體膠結(jié)充填。目前礦山正在做基建準(zhǔn)備工作，主皮帶道、主斜坡道、主進(jìn)風(fēng)井、主回風(fēng)井正在施工，在2020年底-80 m中段已初步形成出礦能力，可滿足投產(chǎn)要求。-80 m中段礦石品位高，礦體穩(wěn)固性差，經(jīng)論證需采用上向進(jìn)路充填采礦法，其進(jìn)路尺寸確定為5 m×5 m。由于該水平為首采分層，為了提高礦石回采率，其充填體強(qiáng)度需達(dá)到R3≥1.5 MPa，R7≥2.5 MPa，R28≥5.0 MPa。

但受多種因素影響，永久充填站的充填鉆孔施工未能按進(jìn)度計(jì)劃完成，從而使充填系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行的時(shí)間相對滯后。為使采礦作業(yè)按計(jì)劃進(jìn)行，有必要在永久充填站建成投入使用前建設(shè)一套臨時(shí)充填系統(tǒng)，對-80 m首采分層進(jìn)路進(jìn)行及時(shí)充填，使其充填能力滿足前期采礦能力要求，充填質(zhì)量滿足首采分層進(jìn)路充填體強(qiáng)度要求。

在臨時(shí)充填系統(tǒng)投入使用前需進(jìn)行充填材料實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，測定各物料的基本物化參數(shù)、充填料漿流變參數(shù)及輸送性能，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度配比試驗(yàn)，從而確定充填料漿制備輸送參數(shù)，給充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析提供依據(jù)。

2 臨時(shí)充填系統(tǒng)工藝研究

根據(jù)丘卡盧-佩吉銅金礦周邊情況的調(diào)研，綜合考慮基建投資、臨時(shí)充填系統(tǒng)使用期限、首采分層充填體強(qiáng)度要求等問題，決定以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，可用的充填骨料有A、B、C 3種粗骨料及JM尾砂，膠凝材料選用當(dāng)?shù)氐墓杷猁}425水泥，地表路線部分充填料漿由水泥攪拌運(yùn)輸車裝載輸送，最后通過鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至-80 m首采分層采空區(qū)充填。充填工藝流程見圖1。

圖1 充填工藝流程

根據(jù)充填所用原料性質(zhì)和組成，混凝土攪拌站不需要進(jìn)行改造，料漿制備時(shí)采用原有的操作方式，考慮下料斗處車輛間的倒運(yùn)時(shí)間，在實(shí)際充填過程中會(huì)出現(xiàn)短暫斷料的現(xiàn)象。混凝土攪拌站與臨時(shí)充填鉆孔下料斗存在一定距離，車輛輸送需要一定時(shí)間，為防止堵管現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)根據(jù)單輛混凝土攪拌運(yùn)輸車下料時(shí)間適當(dāng)增加運(yùn)輸車輛的數(shù)量，以滿足料漿的連續(xù)下放。實(shí)際生產(chǎn)過程中，可對料漿下放速度做適當(dāng)調(diào)整，以提高其充填能力。

該充填系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)在于可以充分利用周邊混凝土攪拌站，無須建站，并可靈活選擇混凝土攪拌站的來源和數(shù)量，以提高充填制備能力，可以擺脫對單一攪拌站的依賴，通過多方供料，實(shí)現(xiàn)井下采場的充填需求，如圖2所示。

圖2 多方供料充填

3 臨時(shí)充填系統(tǒng)試驗(yàn)研究

根據(jù)上述充填工藝內(nèi)容，可知臨時(shí)充填系統(tǒng)順利運(yùn)行的關(guān)鍵在于充填配比的確定，該配比下的充填料漿需要同時(shí)滿足輸送安全性及對應(yīng)齡期下的強(qiáng)度要求。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件，主要進(jìn)行了坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 坍落度試驗(yàn)

在丘卡盧-佩吉銅金礦臨時(shí)充填系統(tǒng)料漿制備過程中，采用的充填骨料為3種粗骨料和JM尾砂。為保證料漿在輸送過程中具備良好的流動(dòng)性及一定的抗離析能力，特此開展了不同灰砂比下不同骨料比例組合的充填料漿坍落度試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表1。

表1 充填坍落度試驗(yàn)結(jié)果/cm

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）在充填骨料主要為A和B，灰砂比為1:6時(shí)，料漿坍落度隨濃度變化較快，且容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

（2）灰砂比為1:4，當(dāng)骨料全部為A時(shí)的坍落度曲線比骨料為A、B按比例添加情況下要緩和，即可選及控制的濃度范圍較大，為78%～82%。

（3）當(dāng)采用C和JM 礦全尾砂按比例添加作為充填骨料時(shí)，在1:6灰砂比下，料漿坍落度在濃度為80%～82%時(shí)的變化較平緩。

根據(jù)上述分析，可初步確定3種可行的充填配方，即：

（1）配比一，采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%～82%；

（2）配比二，采用C：JM全尾砂=7:3作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%～82%；

（3）配比三，采用C：JM全尾砂=6:4作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%。

3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果，各配比下充填料漿的充填強(qiáng)度試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 臨時(shí)充填系統(tǒng)試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表2可得出以下結(jié)論：

（1）充填體強(qiáng)度隨著充填濃度上升而增大。當(dāng)充填濃度從82%上升至84%時(shí)，充填體強(qiáng)度增幅明顯，但根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果可知，各骨料配方下的料漿流動(dòng)性較差，為保障輸送的安全性，實(shí)際充填過程中不宜使?jié)舛冗_(dá)到84%。

（2）充填體強(qiáng)度隨著齡期增長而明顯增大。在骨料配方為A時(shí)，以充填濃度82%為例，齡期從3 d上升到7 d時(shí)，充填體強(qiáng)度從3.53 MPa上升到6.44 MPa，強(qiáng)度增加幅度為82.4%；齡期從7 d上升到28 d時(shí)，充填體強(qiáng)度從6.44 MPa上升到9.6 MPa，強(qiáng)度增加幅度為49.1%。

對比充填濃度為82%的不同粗骨料添加比例方案的強(qiáng)度可知，在灰砂比為1:6條件下的充填體28 d強(qiáng)度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的5 MPa，隨著粗骨料C與尾砂添加比例的變化（從6:4變化到7:3），其充填體強(qiáng)度有小幅度上升，28 d強(qiáng)度從2.95 MPa上升到 3.18 MPa，上升幅度為7.8%。由此可知，在相同灰砂比的情況下，隨著粗骨料C添加比例的上升，充填體強(qiáng)度變大但幅度較小，這種情況下仍需增大水泥添加量方能達(dá)到充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

而由第一組骨料全部為A的坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，在灰砂比為1:4情況下，充填體強(qiáng)度在濃度80%時(shí)已經(jīng)超過了5 MPa，且此時(shí)的坍落度值為29.1 cm，完全可以作為臨時(shí)充填系統(tǒng)的主配方使用。雖然在粗骨料C與尾砂以一定比例添加作為充填骨料的方案中，可以繼續(xù)通過調(diào)整灰砂比及粗骨料添加量來適配出合適的充填體強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，尾砂的添加增加了臨時(shí)充填系統(tǒng)工藝的復(fù)雜性，且含水尾砂在配料斗下放至稱重皮帶的過程中易造成結(jié)拱現(xiàn)象。因此，為保障臨時(shí)充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在充填要求工期緊、充填站預(yù)制漿系統(tǒng)即將投產(chǎn)使用等因素背景下，可不再消耗大量時(shí)間適配出尾砂添加方案。

通過上述試驗(yàn)及分析，得出了臨時(shí)充填系統(tǒng)的料漿制備配方，即采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

該臨時(shí)充填系統(tǒng)建設(shè)投資主要為臨時(shí)充填鉆孔施工及井下管網(wǎng)的鋪設(shè)，相比常規(guī)建站充填投資而言，成本降低了60%以上。當(dāng)井下管網(wǎng)鋪設(shè)完成、充填鉆孔及下料斗施工完畢后，即可開始試充填作業(yè)。在調(diào)試完畢后，2021年5月4日至2021年5月10日的充填作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 臨時(shí)充填系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)能力在運(yùn)行初期即可達(dá)到60 m3/h。另外，可通過增加料漿供應(yīng)商數(shù)量及攪拌運(yùn)輸車數(shù)量來進(jìn)一步加快單車下料時(shí)間，協(xié)調(diào)各混凝土攪拌站供料時(shí)間來提高充填作業(yè)時(shí)間，以提高單日充填總方量，滿足井下充填需求。

由現(xiàn)場的應(yīng)用效果可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)作業(yè)方式靈活，可以較好地滿足過渡期間的充填采礦需求，保障采礦作業(yè)規(guī)劃，為國內(nèi)外礦山相似情況充填作業(yè)提供一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）針對丘卡盧-佩吉銅金礦實(shí)際情況，采用了以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，粗骨料+水泥為充填材料，充填料漿由水泥攪拌運(yùn)輸車聯(lián)合鉆孔及井下管網(wǎng)輸送的方式，形成了一套靈活多變、效果好的臨時(shí)充填系統(tǒng)，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過渡期間對井下充填的需求。

（2）通過對丘卡盧-佩吉銅金礦周邊可用充填材料情況調(diào)研，結(jié)合臨時(shí)充填工藝情況，在現(xiàn)場坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，給出了臨時(shí)充填系統(tǒng)的料漿制備配方，即采用粗骨料A作為充填骨料，灰砂比為 1:4，充填濃度為 80%。此時(shí)的料漿坍落度值為 29.1 cm，充填體 28 d 強(qiáng)度為 7.48 MPa。在保障輸送安全性的前提下，滿足了充填體強(qiáng)度的要求。

（3）根據(jù)該套臨時(shí)充填系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用情況可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)建設(shè)投資主要為臨時(shí)充填鉆孔施工及井下管網(wǎng)的鋪設(shè)，相比常規(guī)建站充填投資而言，成本降低了60%以上，建設(shè)工期也大幅度縮短。該臨時(shí)充填系統(tǒng)能力在運(yùn)行初期即可達(dá)到 60 m3/h的充填能力，為國內(nèi)外礦山相似情況充填作業(yè)提供了一定的參考價(jià)值。