呂文俊，鄧春虎，呂宏芝，黃虎輝，趙忠花，羅旋，劉志軍

(1.內(nèi)蒙古銀都礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰市 024000； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)采逐步轉(zhuǎn)向高應(yīng)力環(huán)境下的深部礦床和復(fù)雜開(kāi)采條件下的難采礦床，開(kāi)采過(guò)程中必然面臨由深部高應(yīng)力引起的巖爆巖崩、沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，采場(chǎng)冒頂、巷道片幫等安全性問(wèn)題，地表沉降、塌陷及固廢危害等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。礦山開(kāi)采生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，而充填采礦技術(shù)是解決上述一系列問(wèn)題的有效手段[1-4]。

內(nèi)蒙某鉛鋅銀礦經(jīng)多年地下開(kāi)采，已形成40.41×104m2的（體積為203.9×104m3）采空區(qū)。開(kāi)采完畢的采空區(qū)留有礦石頂柱、底柱和點(diǎn)柱共計(jì)1414個(gè)，預(yù)計(jì)礦石量為126.95×104t。

為解決采空區(qū)隱患，實(shí)現(xiàn)礦柱回收利用，減少尾礦庫(kù)壓力，提高礦山綜合經(jīng)濟(jì)，礦山擬建一套全尾砂膏體充填工藝進(jìn)行采空區(qū)充填。

1 充填材料特性

1.1 全尾砂物理化學(xué)性能分析

利用選礦廠(chǎng)全尾砂進(jìn)行膏體充填，對(duì)水泥含量為7.5%和12.5%，充填料漿質(zhì)量濃度為67%～72%時(shí)的密度、塌落度和析水率等性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1～圖3所示。

圖1 充填料漿體積密度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 析水率試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)可知，全尾砂充填料漿平均密度為2.01 t/m3，塌落度值介于15～25 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的全尾砂充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70.5%，析水率小于3%。

經(jīng)濕法篩分分析，該全尾砂試樣+0.074 mm粒徑顆粒占18.65%、-0.037 mm粒徑顆粒占51.06%、-0.019 mm占24.31%。篩析結(jié)果表明，尾礦試樣總體粒度較細(xì)，有利于充填膏體的輸送和充填膏體的 致密度，但不利于充填膏體膠結(jié)固化。

圖2 充填料漿塌落度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)全尾砂進(jìn)行X熒光光譜及化學(xué)多元素分析，結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2可知，該尾礦樣品中Mg含量為1.09%，SiO2含量為55.12%，說(shuō)明其性能較為穩(wěn)定，強(qiáng)度較高[5-6]。

表1 尾礦X熒光光譜分析結(jié)果/%

表2 尾礦化學(xué)多元素分析結(jié)果/%

對(duì)全尾砂礦漿進(jìn)行濃密試驗(yàn)，在初始質(zhì)量濃度為10%、絮凝劑用量為15 g/t（干重）、沉降5.5 h、沉降體質(zhì)量濃度為68%～70%、溢流水的濁度小于200×10-6的條件下，沉降體具有膏體特征（塌落度為15～25 cm），在非攪動(dòng)狀態(tài)下流動(dòng)性能較差，攪動(dòng)后的流動(dòng)性能較好。

1.2 膠凝材料

礦山全尾砂膏體充填選用的膠凝材料有水泥和水泥代用品[7]。由于該礦山自身和周邊地區(qū)沒(méi)有生產(chǎn)水泥代用品的原料，而礦山周邊地區(qū)水泥價(jià)格低廉、供給充足，因此，本次選用S1、S2、S3三種品牌的復(fù)合硅酸鹽水泥作為膠凝材料。分別以水泥含量為10%，質(zhì)量濃度為70%的參數(shù)制備充填體標(biāo)準(zhǔn)試件（100 mm×100 mm×100 mm），監(jiān)測(cè)3 d，7 d，14 d，28 d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下充填體試塊的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 S1、S2、S3三種水泥試塊強(qiáng)度對(duì)比

由圖4可知，S1水泥充填膏體試塊3 d充填體強(qiáng)度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊3 d強(qiáng)度的137%和149%，S1水泥充填膏體試塊7 d強(qiáng)度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊7 d強(qiáng)度的149%和127%，S1水泥充填膏體試塊14 d強(qiáng)度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊14 d強(qiáng)度的142%和119%，S1水泥充填膏體試塊28 d強(qiáng)度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊28 d齡期強(qiáng)度的152%和141%。三種水泥原料單價(jià)基本相同，因此確定采用S1復(fù)合硅酸鹽水泥。

1.3 灰砂比

大量研究表明，在一定齡期內(nèi)，隨著齡期增加，充填體試樣強(qiáng)度逐漸增大；隨著水泥含量的增加，充填體試樣強(qiáng)度逐漸增大[6-7]。

灰砂比分別按照1∶5，1∶7.5，1∶12.5，1∶15， 1∶17.5，1∶20，質(zhì)量濃度為70%來(lái)配置充填體，監(jiān)測(cè)3 d，7 d，14 d，28 d養(yǎng)護(hù)齡期充填體的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同灰砂比的充填體強(qiáng)度

由圖5可知，全尾砂充填體單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與充填體水泥含量呈正相關(guān)，在同等充填料漿質(zhì)量濃度、充填體養(yǎng)護(hù)齡期的條件下，充填體強(qiáng)度隨著水泥含量的增加而增大，且水泥含量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系。

全尾砂充填體單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與充填體 養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，在同等充填料漿質(zhì)量濃度、水泥含量條件下，充填體強(qiáng)度隨著充填體養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)而增大，且充填體養(yǎng)護(hù)齡期與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系。

2 充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 充填工藝參數(shù)

結(jié)合礦山出礦能力、已形成的采空區(qū)體積以及礦山地質(zhì)災(zāi)害治理需求，計(jì)算確定本次充填系統(tǒng)的 生產(chǎn)能力為160 m3/h。

全尾砂最大粒徑＜1.0 mm，充填固料密度為2.78 t/m3，充填料漿密度＜2.10 t/m3，充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，塌落度為15～25 cm；水泥含量根據(jù)設(shè)計(jì)充填強(qiáng)度要求確定；充填體輸送管道內(nèi)徑為146 mm；輸送能力為80 m3/h，輸送速度V=1.33 m/s；充填工作制度為300 d/a，冬季連續(xù)充填時(shí)間為12 h/d，夏季連續(xù)充填時(shí)間為14 h/d。設(shè)計(jì)選擇的全尾砂膏體配比及對(duì)應(yīng)充填體強(qiáng)度要求見(jiàn)表3。

表3 全尾砂膏體配比及對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

2.2 充填工藝設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用全尾砂膏體充填工藝，充填系統(tǒng)主要由尾礦濃密存儲(chǔ)系統(tǒng)、水泥存儲(chǔ)給料系統(tǒng)、充填料膏體制備系統(tǒng)、充填料膏體輸送系統(tǒng)、充填自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

（1）尾礦濃密存儲(chǔ)系統(tǒng)。選廠(chǎng)質(zhì)量濃度為16%的尾礦漿泵送至一套Φ18 m深錐濃密機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行脫水，形成質(zhì)量濃度不低于68%的全尾砂膏體原料，自流至充填膏體攪拌制備工藝，制備成質(zhì)量濃度為68%～70%的充填膏體。深錐濃密機(jī)溢流水濁度＜300×10-6，排至尾礦庫(kù)曝氣處理后回用于生產(chǎn)流程。全尾砂礦漿濃密脫水采用絮凝沉降，絮凝劑采用聚丙烯酰胺，用量為15～20 g/t[8-9]。

（2）水泥存儲(chǔ)給料系統(tǒng)。充填所需的散裝水泥（膠凝材料）由水泥罐車(chē)運(yùn)輸并加壓輸送至水泥倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存，經(jīng)倉(cāng)底管式螺旋計(jì)量給料機(jī)輸送至充填膏體攪拌制備工藝。

（3）充填料膏體制備系統(tǒng)。全尾砂膏體、水泥和補(bǔ)加水按設(shè)計(jì)配比，同時(shí)輸送到充填膏體攪拌制備工藝的第一級(jí)攪拌機(jī)，混料攪拌后的初級(jí)充填膏體自流到第二級(jí)攪拌機(jī)，經(jīng)第二級(jí)攪拌機(jī)高能攪拌后制備成合格的均質(zhì)活化充填膏體。

（4）充填料膏體輸送系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，該礦等效充填倍線(xiàn)為4.5，幾何充填倍線(xiàn)為8.1～52.1，因此，充填膏體無(wú)法實(shí)現(xiàn)自流，需采用泵壓輸送[10]，泵送工作壓力取8 MPa。合格的均質(zhì)活化充填膏體自流供料至座閥式液壓雙缸柱塞工業(yè)固體泵，經(jīng)加壓輸送至充填膏體輸送管路，通過(guò)管道輸送至各待充填空區(qū)（采場(chǎng)）。

針對(duì)充填區(qū)劃和礦區(qū)氣候?qū)Τ涮钌a(chǎn)的影響，充填膏體制備工藝和輸送工藝均采用2個(gè)系列設(shè)計(jì)，兩個(gè)系列相互獨(dú)立，分別充填不同的分區(qū)，在冬季生產(chǎn)時(shí)2個(gè)系列可互為備用。單系列生產(chǎn)能力為80 m3/h。

充填系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 全尾砂膏體充填系統(tǒng)工藝流程

2.3 充填工業(yè)試驗(yàn)

根據(jù)2021年8月至12月生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該充填系統(tǒng)共充填尾礦量為169 612 m3，通過(guò)對(duì)井下充填膏體進(jìn)行取樣測(cè)試，8月份取樣34個(gè)，平均強(qiáng)度為3.33 MPa；9月份取樣51個(gè)，平均強(qiáng)度為3.76 MPa；10月份取樣48個(gè)，平均強(qiáng)度為3.70 MPa；11月份取樣45個(gè)，平均強(qiáng)度為3.75 MPa；12月份取樣36個(gè)，平均強(qiáng)度為3.75 MPa，均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度3.0 MPa的要求。充填成本為53.95元/m3。實(shí)踐表明，該礦采用全尾砂膏體充填，水泥含量為5%～17.5%，充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)論

針對(duì)某鉛鋅銀礦發(fā)展現(xiàn)狀，在充填材料、工藝 試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。得出以下結(jié)論。

（1）礦山采用全尾砂膏體充填工藝，礦山地質(zhì)災(zāi)害治理效果顯著，礦柱得到了有效回收，尾礦基本無(wú)外排，礦山安全、環(huán)?，F(xiàn)狀得到了明顯改善，企業(yè)綜合效益顯著。

（2）設(shè)計(jì)的全尾砂膏體充填工藝具有充填料濃度高、充填體密度大、充填料基本無(wú)析水、系統(tǒng)建設(shè)投資小、充填消耗水泥量小、充填成本低等優(yōu)點(diǎn)。2021年8月至12月，累計(jì)充填尾礦量169 612 m3，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（3）充填系統(tǒng)分為2個(gè)系列，單系列生產(chǎn)能力為80 m3/h，礦山可根據(jù)需要選擇滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)或只開(kāi)一條生產(chǎn)線(xiàn)，這樣更加靈活便捷，便于生產(chǎn)管理。