袁世倫 陳金平 程戰(zhàn)明 徐剛 劉守安

摘要：對銅山銅礦全尾砂膠結充填系統(tǒng)投入運行存在的系列問題進行分析，采取有針對性的優(yōu)化和完善改造措施，解決了極細顆粒尾砂難以沉降、充填濃度低且極不穩(wěn)定等問題。實施后的生產運行表明：改造后，獲得了較好的生產指標，下砂濃度穩(wěn)定在63 %～67 %，下漿濃度穩(wěn)定在65 %～70 %，放漿流量為100～120 m3/h，充填綜合成本為75～80元/m3;充填體質量得到了保證，改善了二步驟采場回采環(huán)境，節(jié)約了充填成本，充填系統(tǒng)優(yōu)化效果顯著，對同類礦山具有借鑒和示范作用。

關鍵詞：極細顆粒;全尾砂;膠結充填;充填濃度;充填成本

中圖分類號：TD853.34????????? 文章編號：11001-1277（2022）05-0043-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20220508

引 言

銅陵有色金屬集團股份有限公司銅山銅礦分公司（下稱“銅山銅礦”）位于安徽省銅陵市，于1959年建成投產，日處理礦石1 500 t，主要從事銅金屬的采選生產。礦山經過多年開采，前期資源逐漸枯竭，為實現企業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略目標，銅山銅礦積極實施二輪找礦，新探明銅礦石資源2 189.92萬t，銅金屬量235 378 t。新礦山于2009年開始建設，于2014年進入試生產階段，采用分段空場充填采礦法開采，順利實現了新老礦山平穩(wěn)接替。目前，銅山銅礦年采選礦量66萬t，年產銅5 000 t、硫精砂（35 %）15萬t、鐵精砂（63 %）5萬t。

銅山銅礦新充填站建成后，委托銅陵有色金屬集團控股有限公司技術中心從選礦廠磁尾等多點取全尾砂樣品進行尾砂特性分析，發(fā)現尾砂顆粒極細且含硫高，粒徑-37 μm占60 %左右，屬于細—極細顆粒尾砂。使用普通的硅酸鹽水泥，即使是高強度等級、高配比，充填體都難以膠結固化。而分級后的尾砂量（一般剔除掉37 μm以下顆粒尾砂）不能滿足井下采充平衡要求，遂采用全尾砂膠結充填[1]。在原充填系統(tǒng)的基礎上對新充填系統(tǒng)進行技術改造，以實現采充平衡，為礦山安全高效開采提供技術支撐。

1 充填材料物理化學特性分析

對銅山銅礦尾砂進行多次取樣，對其化學成分進行分析，結果見表1。

由表1可知：銅山銅礦尾砂中Fe、Al2O3、MgO和CaO質量分數較高，分別為10.80 %、3.65 %、0.86 %和25.75 %，K、Na2O質量分數分別為0.23 %和0.086 %，Cu質量分數為0.052 %。尾砂中主要非金屬成分為SiO2和S，分別為24.42 %和9.92 %，硫質量分數高。硫質量分數的高低對全尾砂充填體強度有重要影響，銅山銅礦尾砂中硫質量分數高，對充填體強度非常不利。其他元素質量分數為24.23 %。

對銅山銅礦T4#尾砂樣進行粒徑分析，結果見圖1。由圖1可知：銅山銅礦T4#尾砂樣d10為1.081 μm，d50為23.85 μm，d60為39.66 μm，d90為118.0 μm，+74 μm的尾砂占比24 %，尾砂中粗顆粒含量較少，屬于細—極細尾砂，T4#尾砂樣泥化現象明顯。根據計算公式求得銅山銅礦尾砂顆粒不均勻系數為36.68，結合粒徑分布曲線可認為T4#尾砂樣顆粒級配不均勻。

對尾砂進行沉降試驗，由試驗結果可知：初始濃度較低的砂漿，開始時沉降高度變化較快，初始沉降界線較明顯，上部細粒較多，30～60 min后變化明顯趨緩，濃度10 %的砂漿3 h沉降濃度可達56 %，24 h沉降濃度58.2 %～58.6 %;初始濃度較高的砂漿初始沉降變化慢，前30 s內沉降變化很小，界線不清晰，50 s后界線逐漸清晰，上部細粒較少，60～90 min后變化明顯趨緩，濃度35 %～40 %砂漿6 h沉降濃度可達60.0 %，24 h沉降濃度可達63.0 %～66.6 %。

全尾砂沉縮的實質是一個沉降過程，表現出3種狀態(tài)特征：①全尾砂分級，在沉降開始后的一段時間內，粗重顆?？焖傧侣?，較細顆粒緩慢下移，更細的顆粒則懸浮于上部，漿面與液面界線渾濁不清;②粗粒沉縮，粗重顆粒沉降壓縮到相互緊密接觸的狀態(tài);③細粒沉縮，懸浮于上部的細顆粒沉降壓縮到顆粒緊密接觸的狀態(tài)，達到最大沉降濃度[2-3]。自然沉降速度太慢，上部液面渾濁，不能滿足工業(yè)生產需要。

2 全尾砂膠結充填系統(tǒng)及其存在的問題

銅山銅礦全尾砂輸送流程見圖2，新充填系統(tǒng)工藝流程見圖3。根據礦山的充填現狀，發(fā)現新的全尾砂膠結充填系統(tǒng)在實施過程中存在如下問題：

1）新充填系統(tǒng)安裝存在缺陷?；覀}內除塵器四周有積水，鋼筋條焊接不密實，水易滲入灰倉，灰倉出現膠凝材料結塊現象;濃密池輸送流量400 m3/h，進入砂倉時，溢流管管徑過小，造成砂倉滿溢;膠凝材料輸送管道水平管過長，管道易堵死或輸送膠凝材料的能力變小;砂倉絮凝劑添加管道安裝位置過低，易出現回流水。

2）生產用水水質的影響。生產用水用來造漿和稀釋攪拌桶內的膠結充填料，但是礦區(qū)的生產用水含泥重、雜質多，不僅對攪拌后充填料漿的性能起到抑制作用，還會堵塞水泵和造漿管道，腐蝕砂倉，對充填體的指標有很大的影響。

3）儀器儀表需要調試和校核。在啟用新設備前，各種儀器儀表都是原裝出廠設置，部分參數需要根據銅山銅礦尾砂、膠凝材料和砂倉儲料特性進行設置，且在使用前需要對各種儀器儀表進行重新校核。這主要包括濃度計計量前的校核、雙螺旋給料器計量的校核、攪拌桶轉速的校核、操作系統(tǒng)的表單和聯動數據的更新和設置、料位儀的校核等。

4）現行工藝條件難以實現全尾砂充填。目前，銅山銅礦的沉降措施只有一個防擾動的格槽，很難將 -37 μm 的顆粒進行沉降，這樣60 %的尾砂將從溢流槽外溢，尾砂量將難以滿足井下采空區(qū)的采充平衡。因此，需強化尾砂沉降，保證溢流濃度在5 %以內。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

5）工作人員對操作工藝不熟悉。新充填工藝操作系統(tǒng)分手動和自動2套系統(tǒng)。整個流程工藝較復雜，開啟的閘閥和控制的指標量較多，具體流程見圖4。在此過程中遇到下砂濃度不夠時需及時調整下漿管閘閥的大小，同時調整下灰量，必要時可能還需要調換下料砂倉。在這個過程中需要隨時注意下砂濃度、下砂流量、下灰量、下漿濃度、下漿流量和流速、攪拌桶液位高度、地表下漿口的漿液流動狀況，盡量控制各項指標在穩(wěn)定的范圍內。

3 充填系統(tǒng)優(yōu)化及效果

3.1 充填材料

3.1.1 尾砂特性研究

分別對尾砂的粒徑、滲透性、流動性、密度、孔隙率等特性進行了細致分析，相關試驗結果見表2～4。

3.1.2 絮凝劑添加試驗研究

采用聚丙烯酰胺系列絮凝劑，共有N345陰離子型、A756陰離子型、A556陰離子型、A245弱陰離子型和N134非離子型5種。將絮凝劑配成質量分數0.1 %的溶液進行沉降試驗。料漿濃度為20 %，沉降記錄時間為1 h，絮凝沉降基本在3 min內完成，剩下基本是沉降尾砂在自重下的自我壓縮與上部細小未絮凝沉降顆粒的自然沉降過程[4-5]。因此，為反映絮凝沉降過程，進行沉降試驗，試驗結果表明：

1）N345陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t，在對溢流澄清要求不高，有充足時間（1 h以上）沉降時，可以考慮20 g/t添加量。A756陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t，在對溢流澄清要求不高，有充足時間沉降時，可以考慮15 g/t添加量。A556陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t，在對溢流澄清要求不高，有充足時間沉降時，可以考慮20 g/t添加量。A245弱陰離子型絮凝劑添加量為25 g/t，在對溢流澄清要求不高，有充足時間沉降時，可以考慮10 g/t添加量。N134非離子型絮凝劑添加量為15 g/t，在對溢流澄清要求不高，有充足時間沉降時，可以考慮10 g/t添加量。

2）絮凝劑沉降效果排序：N134非離子型>A245弱陰離子型>A756陰離子型>N345陰離子型>A556陰離子型。

3）工業(yè)試驗中，料漿濃度為10 %～20 %時，絮凝劑添加量可以在建議用量的基礎上向下浮動5 g/t。

3.1.3 膠凝材料選擇

針對銅山銅礦全尾砂特性，選擇了多種新型膠凝材料進行室內試驗，在室內試驗的基礎上，篩選了2種進行現場工業(yè)試驗，研究分析新型膠凝材料在新充填系統(tǒng)應用的效果。在-568 m中段選擇了西1#和西3# 2個采場，采用2種新型膠凝材料分別進行充填試驗，充填結束28 d后分別對西1#和西3#采場充填體進行鉆孔取樣（見圖5），對所取鉆樣進行單軸抗壓強度試驗。由鉆孔取樣結果可知，2個采空區(qū)充填體均存在離析現象，采空區(qū)下部充填體巖心較好，上部較差。充填體取樣單軸抗壓強度試驗結果如下：

1）西1#采場充填體試樣的單軸抗壓強度大小不一，質量較大的試樣單軸抗壓強度在2.70 MPa以上，也有個別試樣單軸抗壓強度達到5.89 MPa。質量較小的試樣單軸抗壓強度大部分在2.00 MPa以下，其中最低僅為1.12 MPa，單軸抗壓強度差異明顯，平均單軸抗壓強度為2.78 MPa。

2）西3#采場充填體試樣單軸抗壓強度最大可達5.70 MPa，最小僅為0.95 MPa，平均單軸抗壓強度為2.66 MPa。

2種膠凝材料均能完整取出充填體巖心，其單軸抗壓強度平均值均超過2.50 MPa，滿足銅山銅礦充填系統(tǒng)的要求，最終選擇其中一種性價比高的膠凝材料作為全尾砂膠結充填的膠凝材料。

3.2 工藝流程完善

3.2.1 添加尾砂減速緩沖裝置

由于系統(tǒng)砂倉進砂管沒有安裝在砂倉中心位置，進砂偏向一側，從而導致該側的尾砂在砂倉中停留時間較短，來不及沉降;進砂速度較快或砂漿過于集中，對倉內尾砂漿沖擊較大，導致沉降下來的尾砂被沖起，引起返渾。因此，將出砂口挪至砂倉的中心位置;同時，對出砂口進行改造，采用多孔溢流方式，降低出砂口料漿速度，分散砂漿的入倉點，避免進入的料漿由于速度過快或過于集中對砂倉內尾砂漿的沖擊而引起返渾。多孔溢流結構見圖6。

另外，針對溢流管不夠粗，導致溢流水從砂倉頂部溢出的問題，在砂倉外側增加1條溢流管或換裝更大的溢流管。

3.2.2 優(yōu)化絮凝劑添加系統(tǒng)

原采用柱塞泵振動，在原有的管道上增加1個阻尼器和蓄能器氣囊，同時在管道轉彎處加固穿墻鉚釘;在原有儲藥桶的基礎上增加2個7.5 m3的儲藥桶，在鐵桶內壁加防腐涂層，使3個儲藥桶串接起來，保證攪拌后的低濃度絮凝劑能夠靜置60 min后再輸送到倉頂。在倉頂處采用多點下料的方式進行添加，管道采取防凍設計，添加濃度控制在0.5 ‰～1.0 ‰，并且選用生活用水作為絮凝劑制備用水。同時，加強絮凝劑添加過程的管理，不但要保持添加過程勻速，還要控制攪拌時間和攪拌速度，每次添加完畢要清洗攪拌桶。

3.2.3 局部工藝系統(tǒng)優(yōu)化

為了使充填系統(tǒng)更加完善，對局部工藝進行優(yōu)化，其中主要有：①下漿槽口添加防堵塞格網，防止攪拌桶內未清洗干凈的水泥漿凝固結塊后堵塞充填管道;②在下砂管進攪拌桶前的管道上增開取樣口，方便濃度壺取樣，及時測定尾砂濃度，以進行濃度儀表讀數的校核;③在灰倉下料口增開活動槽口，方便處理水泥結塊;④在PLC控制原理中將灰砂配比瞬時一一對應的配比關系調整為在某個較短時間段內一一對應的控制原理，即實行軟量批控制的策略，提高了灰砂比控制的準確性;⑤灰料的輸送采用軟管傾斜輸送，輸料口能夠簡易移動，方便輸送管道之間的對接。

3.3 充填工藝標準完善

優(yōu)化后的全尾砂膠結充填系統(tǒng)設備發(fā)生較大變化，自動化控制進一步提高，原有的分級充填工作標準無法滿足現有生產要求。對此，銅山銅礦組織工程技術、生產操作和相關管理人員，制（修）訂了相關崗位工作標準和技術標準，制作統(tǒng)一標牌，懸掛在操作崗位，規(guī)范員工操作行為。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

3.4 加強技能培訓

鑒于老充填站生產和新充填站建設同時進行，為了做好新老充填生產對接，采取多種形式的培訓，提高充填員工操作技能，確保新充填站正常生產。一是選派部分生產骨干和相關管理人員到相關礦山充填站進行學習培訓，借鑒先進的生產管理經驗。二是抽調部分人員，參與新充填站建設和設備安裝工作，熟悉充填生產系統(tǒng)和設備特性。三是組織全體充填員工參與生產系統(tǒng)和充填設備調試工作，聘請設備廠家技術人員進行針對性培訓工作。四是抽調工程技術人員，參與充填試驗研究工作，及時了解掌握充填生產技術條件。五是組織全體充填員工進行充填知識、崗位工作標準、技術標準、新充填工藝流程及充填設備特性培訓工作，通過座談、交流，分享學習成果。

3.5 優(yōu)化實施效果

1）溢流水澄清。絮凝劑添加系統(tǒng)完善后，溢流水呈澄清狀態(tài)溢出。尾砂供給量滿足生產要求。

2）系統(tǒng)運轉穩(wěn)定可靠。經過系統(tǒng)優(yōu)化改造后，充填系統(tǒng)各種儀器儀表運轉正常，各種指標之間聯動穩(wěn)定，充填系統(tǒng)的下砂濃度為63 %～67 %，下漿濃度穩(wěn)定在65 %～70 %，放漿流量控制在100～120 m3/h。

3）充填體強度指標。銅山銅礦選礦磁尾全尾砂粒徑37 μm以下占60 %，74 μm以上粒徑只占20 %，含硫一般在5 %～18 %，且含泥量大，比表面積500～600 m2/kg。充填站采用全尾砂膠結充填工藝，采用絮凝劑（有機高分子聚丙烯酰胺）加速尾砂沉降，絮凝劑添加量一般在30 g/t，0.05 m下料管放漿濃度在65 %～70 %。充填體自立高度在45 m左右，使用新型膠凝材料，通過現場原位取樣，其單軸抗壓強度在2.50 MPa以上。

從現場膠結效果來看，新型膠凝材料不但能適應新充填系統(tǒng)放漿濃度不穩(wěn)定的問題，還能解決高硫極細顆粒尾砂固結后容易崩解和形成裂隙的難題。

4）經濟成本對比。按照室內試驗配比，采用強度等級42.5水泥，灰砂比1 ∶4，凝固后，充填體的強度難以達到2.00 MPa;而采用新型膠凝材料尾砂膠結灰砂比1 ∶8，能夠滿足單軸抗壓強度2.00 MPa以上的要求。按照水泥與尾砂的配比1 ∶4和新型膠凝材料灰砂比1 ∶8進行成本計算，1 m3充填體需水泥475 kg，以400元/t計算，則采空區(qū)成本為190元/m3;而1 m3充填體需新型膠凝材料是211 kg，以410元/t計算，則采空區(qū)成本約為87元/m3;一年按照36萬t采礦量計算，采用隔一采一的方式進行充填，每年需要膠結充填6萬m3采空區(qū)，至少節(jié)約成本618萬元。與此同時，使用新型膠凝材料后提高了充填體穩(wěn)定性，有效保證了充填體強度要求，對礦體起到了支撐和保護作用，保障了井下生產的安全。

總之，通過對充填系統(tǒng)的優(yōu)化改造，充填系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，在充填過程中，充填濃度穩(wěn)定在65 %～70 %，保證了充填體質量，改善了二步驟采場回采環(huán)境，目前膠結充填膠凝材料灰砂比由1 ∶8優(yōu)化至1 ∶12，充填綜合成本為75～80元/m3，進一步節(jié)約了充填成本，為礦山安全生產奠定了堅實的基礎。

4 結 論

1）本文對銅山銅礦全尾砂膠結充填系統(tǒng)投入運行存在的系列問題進行了細致的分析，并采取有針對性的優(yōu)化和完善改造措施，有效解決了極細顆粒尾砂難以沉降、充填濃度低且極不穩(wěn)定等問題。

2）充填系統(tǒng)優(yōu)化效果顯著，實施后的生產運行表明，下砂濃度穩(wěn)定在63 %～67 %，下漿濃度穩(wěn)定在65 %～70 %，放漿流量在100～120 m3/h。

3）充填體質量穩(wěn)定，改善了二步驟采場回采環(huán)境，充填綜合成本為75～80元/m3，充填成本顯著降低。

[參 考 文 獻]

[1] 銅陵有色金屬集團控股有限公司技術中心，銅陵有色股份有限公司銅山礦業(yè)有限公司.銅山礦業(yè)公司高濃度全尾砂充填技術研究階段報告[R].銅陵：銅陵有色金屬集團控股有限公司技術中心，2016：11.

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[3] 張省軍.張馬屯鐵礦床無廢開采綜合技術研究[J].采礦技術，2006，6（3）：161-166.

[4] 王風波.全尾砂膠結充填工藝在馬莊鐵礦的應用[J].中國礦山工程，2008，37（5）：23-24，45.

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Application and optimization of extremely fine ungraded tailings cemented filling process system

Yuan Shilun，Chen Jinping，Cheng Zhanming，Xu Gang，Liu Shouan

（Tongshan Copper Mine Branch，Tongling Non-ferrous Metals Group Co.，Ltd.）

Abstract：The study analyzes a series of problems related to the ungraded tailings cemented filling system put into use in Tongshan Copper Mine，and based on that，carried out targeted optimization and improvement measures，so that the problems that extremely fine tailings are difficult to settle and that the filling concentration is low and very unstable are effectively solved.The production practice shows that good prodution index are oblained after the renoration：the sand concentration was stable at 63 %-67 %，the mortar concentration was stable at 65 %-70 %，the discharge slurry flow was 100-120 m3/h，and the comprehensive cost of filling was 75-80 yuan/m3.The quality of the filling body has been guaranteed，which improves the two-step stoping environment and saves the cost of filling.The optimization of the filling system has a significant effect and can be referred to by similar mines.

Keywords：extremely fine;ungraded tailings;cemented filling;filling concentration;cost of filling

收稿日期：2021-11-02; 修回日期：2022-03-05

作者簡介：袁世倫（1963—），男，安徽來安人，教授級高級工程師，從事礦山工程技術研究與管理工作;安徽省銅陵市銅山礦礦區(qū)內（礦辦大樓），銅陵有色金屬集團股份有限公司銅山銅礦分公司，244000;E-mail：yuansl2008@hotmail.corn4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846