許高鋒，王鑫，劉鐵軍，熊根

（1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038；2.江銅集團(tuán)武山銅礦，江西瑞昌 332000）

為了滿足采礦工藝發(fā)展的需要，緩解礦山地壓，減少尾礦庫庫容，保護(hù)環(huán)境，礦山充填技術(shù)得以逐步發(fā)展起來。 目前， 礦山充填技術(shù)主要分為全尾砂充填、分級尾砂充填、塊石砂漿膠結(jié)充填、碎石水泥漿膠結(jié)充填和膏體泵送充填等類型， 其中尾砂充填技術(shù)在金屬礦山得到了廣泛推廣應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，在灰砂比確定的情況下， 充填體的強(qiáng)度與料漿濃度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，即充填料漿濃度越高，對于充填體強(qiáng)度的增長越有利。在同樣的強(qiáng)度要求下，提高充填料漿濃度能大大減少水泥用量， 降低充填成本，并解決采場脫水等一系列的問題[1]。因此，提高充填料漿濃度成為充填技術(shù)發(fā)展的主線， 膏體充填技術(shù)就是在此思路的啟發(fā)下發(fā)展而來的綠色開采新技術(shù)，并逐步成為礦山充填技術(shù)的發(fā)展方向。本文以武山銅礦全尾膏體充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例， 探討膏體充填技術(shù)在有色金屬礦山的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 礦山現(xiàn)狀

武山銅礦位于江西省九江瑞昌市， 是一座地下開采礦山。 該礦始建于1966年，幾經(jīng)改造，于2009年擴(kuò)產(chǎn)達(dá)到5 kt/d 的采選規(guī)模。 礦山一直沿用分級尾砂加江砂充填工藝，2015年礦山啟動(dòng)了三期擴(kuò)產(chǎn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)模為10 kt/d。 若仍采用分級尾砂充填，則尾砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需采購大量的江砂。充填成本的增加將導(dǎo)致采礦成本隨之增加， 因此礦山在擴(kuò)建前設(shè)計(jì)人員研究采用全尾砂膏體充填技術(shù)替代原有分級尾砂加江砂充填方式。該礦2017年正式啟動(dòng)膏體充填設(shè)計(jì)研究，2019年項(xiàng)目開工建設(shè)，2020年12 月試運(yùn)行投產(chǎn)。經(jīng)過2年多的運(yùn)行，目前該礦全尾膏體充填系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到并超過設(shè)計(jì)值， 在國內(nèi)銅礦山行業(yè)名列前茅。

2 充填材料研究

2.1 全尾砂粒分布及真密度測試

采用水篩篩分法對全尾砂粒徑進(jìn)行分析[1]。水篩篩分法由100 目、200 目、325 目、400 目篩網(wǎng)組成，試驗(yàn)前將待測全尾砂放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重， 每次取樣500 g， 采用水洗的方法對全尾砂過100～400 目篩。 試驗(yàn)過程中，嚴(yán)禁利用振動(dòng)篩網(wǎng)或其他施加外力的方式加快過篩， 每一級篩網(wǎng)必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的全尾砂收集分類、干燥，計(jì)算收率。

本次試驗(yàn)對全尾砂采取多點(diǎn)分布取樣， 然后通過水篩分析法進(jìn)行粒徑分布測試，結(jié)果見表1。 全尾砂真密度測試結(jié)果見表2。

表1 全尾砂粒徑分布

表2 全尾砂真密度測試結(jié)果g/cm3

根據(jù)表1、表2 測試結(jié)果可知，武山銅礦全尾砂現(xiàn)場取樣測的真密度平均值為2.975 g/cm3， 尾砂粒徑較細(xì)，其中0.074 mm 以上占33.5%，0.037 mm 以下占40.93%。

2.2 全尾砂濃密試驗(yàn)

為研究在一定泥層高度的情況下， 同時(shí)進(jìn)料和排放底流，底流固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，以及溢流水固含量的范圍，該礦開展了全尾砂濃密試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)結(jié)果

由表3 動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)結(jié)果可以看到， 當(dāng)進(jìn)料的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%左右，單位面積處理量在0.5～0.9 t/(m2·h）時(shí)，濃密后尾砂的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在70%～74%范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到工藝要求濃度，溢流水固含量基本在300×10-6以下。 對不同濃度下全尾砂屈服強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同濃度下全尾砂屈服應(yīng)力測試

圖1 表明：當(dāng)全尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%時(shí)，屈服應(yīng)力為182.3 Pa，達(dá)到了膏體狀態(tài)。

2.3 全尾砂配比試驗(yàn)

當(dāng)灰砂比在1∶4.19～1∶4.88 時(shí)， 固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在76.55%～81.21%，28 d 強(qiáng)度可以達(dá)到4 MPa 以上；灰砂比在1∶8.17～1∶8.94 時(shí)， 固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在73.79%～76.84%，28 d 強(qiáng)度可以達(dá)到1.4 MPa 以上。不同配比充填體齡期單軸抗壓強(qiáng)度值，見表4。

表4 不同配比充填體齡期單軸抗壓強(qiáng)度值

因此，綜合試驗(yàn)結(jié)果及膏體材料配比原則[2]，初步擬定采用灰砂比分別為1∶4 和1∶8 的兩種充填料，料漿固體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（72±2）%。 待充填系統(tǒng)試運(yùn)行后，將對采場的充填體強(qiáng)度再次進(jìn)行實(shí)測，根據(jù)采場實(shí)測結(jié)果的反饋， 再反過來調(diào)整采場充填材料配比，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、高效充填的目的。

3 充填工藝方案

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定充填料漿以全尾砂、膠結(jié)材料和水為原料進(jìn)行制備。 選廠產(chǎn)出的全尾砂漿通過渣漿泵泵送至深錐濃密機(jī)頂部后添加適當(dāng)比例的絮凝劑，加速尾砂沉淀。當(dāng)充填攪拌站需要制備料漿充填到井下采空區(qū)時(shí)， 進(jìn)入深錐濃密機(jī)的尾砂經(jīng)濃縮沉降后，由深錐濃密機(jī)底部管路放砂，經(jīng)泵輸送至攪拌設(shè)備內(nèi)；同時(shí)，啟動(dòng)雙管螺旋輸送機(jī)，將水泥粉送入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，按濃度要求添加定量的水，攪拌均勻后通過充填工業(yè)泵輸送， 經(jīng)鉆孔至井下采空區(qū)實(shí)施充填作業(yè)。 充填制備站系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 充填工藝流程

圖3 充填工業(yè)泵與攪拌槽連接大樣

3.1 尾砂濃密方案比較及確定

根據(jù)充填能力需要， 充填制備站采用2 座深錐濃密機(jī)，前期安裝1 座，三期建設(shè)期間再安裝另外1座。 單個(gè)濃密機(jī)每天需要處理全尾砂2 315 t（干量，后同），選廠輸送至深錐濃密機(jī)的尾砂漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，按照充填作業(yè)時(shí)間14.1～19.7 h 考慮，每小時(shí)由選廠輸送至深錐濃密機(jī)的尾砂漿量為392.5 m3，即全尾砂干量為165 t。 根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，初步確定最佳濃密質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11%左右， 輸送至深錐濃密機(jī)的尾砂漿通過深錐濃密機(jī)自身稀釋系統(tǒng)將砂漿稀釋至要求濃度，再添加15～35 g/t 絮凝劑加速沉降，完成沉降后的濃密機(jī)排料質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到70%～72%。底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%時(shí)， 濃密機(jī)的設(shè)計(jì)選取單位面積處理量約為0.8 t/（m2·h）。

深錐膏體濃密機(jī)作為整個(gè)充填系統(tǒng)最核心的設(shè)備之一， 設(shè)備選取直接關(guān)乎著系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定以及后期運(yùn)行成本。 針對直徑為18 m、 驅(qū)動(dòng)功率為75 kW、扭矩為2.5×106N·m 的18 m 深錐膏體濃密機(jī)，技術(shù)人員綜合國內(nèi)外主流廠家設(shè)備性能及實(shí)際生產(chǎn)案例進(jìn)行了深入對比分析，比較結(jié)果如表5 所示。

表5 國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備價(jià)格及性能參數(shù)比較

由表5 可見，盡管進(jìn)口設(shè)備投資費(fèi)用高，但只需7～8 a， 其節(jié)省的維修及耗材費(fèi)即可抵消設(shè)備投資差額。 由于膏體充填工藝在國內(nèi)應(yīng)用很少， 而膏體充填又是武山銅礦三期擴(kuò)建工程的關(guān)鍵工藝，為了使該系統(tǒng)更加可靠， 確保該項(xiàng)目采礦方法改進(jìn)的成功，該礦最終確定采用國外品牌的深錐濃密機(jī)。

經(jīng)計(jì)算，選擇1 臺18 m 的深錐濃密機(jī)，配2 臺底流剪切輸送泵（2 用1 備）。 該濃密機(jī)處理能力約為203.5 t/h，該底流泵除剪切輸送功能外，還可用于極端情況下的稀釋和破拱。 充填時(shí)，先開啟1 套剪切系統(tǒng)，對物料進(jìn)行剪切，把底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合到（71±1）%；充填作業(yè)完成后，深錐內(nèi)的全尾砂儲存高度下降，濃度也會降低，此時(shí)停止充填，待深錐濃密機(jī)內(nèi)的全尾砂儲存高度達(dá)到要求時(shí)制備系統(tǒng)再開始工作，如此反復(fù)。

3.2 攪拌設(shè)備及水泥給料設(shè)備確定

料漿被傳統(tǒng)的立式攪拌設(shè)備攪拌均勻后， 是通過自身重力流入充填泵內(nèi)，料漿不均勻性差，容易導(dǎo)致用泵輸送出現(xiàn)故障。 而臥式攪拌系統(tǒng)是通過葉片將料漿低速均勻地推進(jìn)充填泵， 更利于充填泵的輸送[3]。國外類似膏體充填礦山均采用的是二級臥式攪拌系統(tǒng)，故本充填攪拌設(shè)備也采用兩段臥式攪拌機(jī)。該攪拌系統(tǒng)可以提高攪拌均勻度， 減緩輸送過程中的沉降速度， 對長距離料漿輸送能起到一定的積極作用。

充填站內(nèi)布置3 個(gè)系列攪拌機(jī)， 每個(gè)系列包含兩段攪拌機(jī)， 每段攪拌機(jī)處理能力暫按130 m3/h 考慮。 第一段采用葉片式攪拌機(jī)， 容積為4 m3，37×2 kW；第二段采用螺旋式攪拌機(jī)，容積為6.4 m3，45×2 kW。前期先安裝兩個(gè)系列攪拌機(jī)，一備一用；后期再增加一個(gè)系列攪拌機(jī)，兩用一備。如果由于井下充填不均衡導(dǎo)致地表充填設(shè)備制備時(shí)間過長， 單系列制備系統(tǒng)作業(yè)壓力大，可啟動(dòng)備用系列，以減少單系列的作業(yè)時(shí)間。

水泥計(jì)量給料設(shè)備選用微粉秤。 該設(shè)備集粉料輸送、稱重計(jì)量和定量給料控制于一體，可替代雙管螺旋喂料機(jī)、螺旋電子秤或沖板流量計(jì)，工作簡單可靠。 單個(gè)水泥倉下配置1 臺?250-3600 雙管計(jì)量微粉秤，電機(jī)采用變頻調(diào)速，并可通過控制室遠(yuǎn)程控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)充填料漿的水泥配比。

3.3 充填工業(yè)泵方案比較

根據(jù)本次膏體充填范圍（-360 m 中段及以下）要求， 按照最不利充填倍線計(jì)算，-310 m 中段北礦帶最大充填倍線達(dá)到了7.0 以上。 而料漿的自流倍線要求在3.0 以內(nèi)，所以上部大于3.0 倍線以上的采空區(qū)料漿均不能通過自流輸送至采場，需加壓泵送。

為提高膏體料漿輸送的穩(wěn)定可靠性， 本充填系統(tǒng)前期擬選擇2 臺充填泵。 為此對國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行了比較見表6。

表6 國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備比較

由表6 可見，盡管進(jìn)口品牌設(shè)備初期投資高，但只需4～5 a，其節(jié)省的電費(fèi)、耗材費(fèi)用可抵消設(shè)備投資差額， 而且進(jìn)口設(shè)備的可靠程度更高。 經(jīng)綜合比較，本次設(shè)計(jì)采用了國外生產(chǎn)的充填工業(yè)泵。

考慮井下管道走向較為復(fù)雜， 結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，充填站內(nèi)選擇2 臺充填工業(yè)泵，單臺泵的排量130 m3/h，泵正常工作時(shí)出口壓力11.5 MPa（井下采場管道端部料漿出口壓力按0.2～0.3 MPa 考慮），電機(jī)功率710 kW，充填作業(yè)時(shí)1 備1 用，后期2 用1 備。

4 工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)

4.1 深錐濃密機(jī)工作方式的選擇

全尾砂濃密設(shè)備的選擇是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 如選擇不合適，則影響沉淀后尾砂濃度，濃度過低，充填體的強(qiáng)度達(dá)不到要求，濃度過高，增加濃密機(jī)壓耙風(fēng)險(xiǎn)。 全尾砂動(dòng)態(tài)濃縮試驗(yàn)見表7。

表7 全尾砂動(dòng)態(tài)濃縮試驗(yàn)

隨著沉淀濃縮時(shí)間的推移， 沉淀后尾砂屈服應(yīng)力增加過快。 該因素產(chǎn)生最大的風(fēng)險(xiǎn)就是濃密機(jī)壓耙。 一旦濃密機(jī)壓耙將對礦山生產(chǎn)造成較為嚴(yán)重后果，膏體充填站停止生產(chǎn)，導(dǎo)致井下不能充填，影響井下采礦。因此，本設(shè)計(jì)調(diào)整了深錐濃密機(jī)進(jìn)料及貯存方式，深錐濃密機(jī)內(nèi)不儲存尾砂，僅留充填2 h 充填所需尾砂量。 深錐濃密機(jī)同時(shí)進(jìn)料， 同時(shí)充填制備，讓深錐濃密機(jī)內(nèi)的物料保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而避免壓耙現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.2 充填工業(yè)泵與攪拌機(jī)連接方式的選擇

二段攪拌機(jī)與充填工業(yè)泵采用“軟連接”方式，漏斗下方通過法蘭與充填泵入料口管道連接， 二段攪拌機(jī)的出料口管道懸空在漏斗中， 漏斗上方不密封，做成開放式漏斗，使得攪拌機(jī)出料管道不與充填泵進(jìn)料口直接接觸連接。 該方式避免了充填工業(yè)泵振動(dòng)通過剛性連接傳導(dǎo)至上一個(gè)樓面， 帶來震動(dòng)影響。輔以合理的連接設(shè)計(jì)，就可以在滿足設(shè)備有效性和安全性的情況下進(jìn)行充填工作， 并有效地減弱給上層樓面帶來的震動(dòng)強(qiáng)度，延長建筑物的使用壽命，同時(shí)獲得令人滿意的充填效果。

5 結(jié)語

綜上所述， 盡管全尾砂膏體充填系統(tǒng)工藝目前已較為成熟，但由于該系統(tǒng)涉及許多技術(shù)難點(diǎn)，且需要針對不同的物料對部分工藝進(jìn)行調(diào)整， 因此國內(nèi)正在使用的案例較少。目前，武山銅礦膏體充填站已運(yùn)行兩年多時(shí)間， 深錐濃密機(jī)底流出料的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持在70%～74%之間，攪拌后輸送料漿的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在72%～76%， 各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 滿足礦山井下生產(chǎn)需要， 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益， 是目前國內(nèi)銅礦山唯一運(yùn)行較好的膏體充填系統(tǒng)。 其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得在類似礦山中推廣。