熊根 劉鐵軍 許高鋒 屈芳宇

〔摘 要〕對(duì)全尾砂膏體充填的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并且以境外某鉛鋅礦為例，對(duì)該礦全尾砂材料進(jìn)行了物理化學(xué)性質(zhì)、粒級(jí)組成、強(qiáng)度配比等試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)深錐濃密充填工藝和圓盤(pán)過(guò)濾機(jī)充填工藝兩種方案進(jìn)行了工藝比選，最終選擇采用深錐濃密機(jī)充填制備工藝，并詳細(xì)介紹了充填制備站主要設(shè)備的選型計(jì)算過(guò)程。

〔關(guān)鍵詞〕全尾砂膏體充填;濃密機(jī);充填站；設(shè)備選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號(hào)：1004-4345（2024）01-000１-05

Research on the Design Alternatives of Unclassified Tailings Paste Fill for a Foreign Lead Zinc Mine

XIONG Gen， LIU Tiejun， XU Gaofeng， QU Fangyu

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? The paper analyzes the characteristics of unclassified tailings paste fill. Taking an overseas lead zinc mine as an example， the tests were conducted on the physical and chemical properties， particle size composition， and strength ratio of the unclassified tailings. Based on the test results， two alternatives are proposed： deep cone thickener fill process and disc filter fill process. After process comparison， the deep cone thickener fill preparation process was selected， and the selection and calculation of the main equipment of the fill preparation station were described in detail.

Keywords? unclassified tailings paste fill; thickener; filling station; equipment selection

礦山充填技術(shù)主要分為全尾砂充填、分級(jí)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(lèi)型[1]。其中，膏體充填技術(shù)發(fā)展至今已有40余年的歷史，是目前我國(guó)充填技術(shù)的發(fā)展方向。利用膏體充填技術(shù)，能夠減少地表沉降，保持采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定，提高采礦的回采率，還可以解決選廠(chǎng)尾砂的存放問(wèn)題，緩解尾礦庫(kù)的壓力，從而達(dá)到綠色礦山環(huán)保要求[2]。但膏體充填技術(shù)仍有一些難題亟待突破，例如如何保持充填濃度持續(xù)穩(wěn)定[3]，如何確定充填骨料的性質(zhì)和強(qiáng)度[4]，如何合理地控制剩余壓頭[5]，如何保持系統(tǒng)始終滿(mǎn)管輸送等都需要持續(xù)進(jìn)行深入研究[6]。本文擬以國(guó)外某鉛鋅礦全尾膏體充填設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，對(duì)膏體充填技術(shù)的難點(diǎn)進(jìn)行討論。

1? ?項(xiàng)目背景

某項(xiàng)目位于亞洲某國(guó)，礦石類(lèi)型主要為鋅鐵礦石、磁鐵礦石，主要礦物有閃鋅礦、磁鐵礦、黃鐵礦、菱錳礦，礦石中主要有用組分為鋅，平均品位為9.43%。

當(dāng)前礦山處于露天開(kāi)采階段，為提前對(duì)深邊部礦體實(shí)施開(kāi)采，前期采用了露天與地下同時(shí)開(kāi)采的形式。為不影響露天生產(chǎn)，提高礦石收受率，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，結(jié)合礦山實(shí)際情況，決定采用全尾砂膏體充填采礦方法。

該礦深部主礦體屬于中厚礦體，采用中深孔采礦。根據(jù)礦體產(chǎn)狀，采礦方法采用上向分層充填法和分段充填法，二者的使用比例為７∶３，其中分段充填法主要用于礦體厚度大于 15 m處的開(kāi)采。

2? ?全尾砂材料試驗(yàn)

2.1? ?尾砂物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)試

2.1.1? 全尾砂物理性質(zhì)

全尾砂物理性質(zhì)主要有密度、松散容重、壓實(shí)容重、自然安息角以及由密度和松散容重得出的孔隙率等。試驗(yàn)測(cè)得，該礦全尾砂密度為3.61，松散干容重為1.81 t/m3，密實(shí)干容重為2.83 t/m3，最大孔隙率為49.71%，最小孔隙率為34.07%，自然安息角為34 °～35 °。

2.1.2? 全尾砂化學(xué)成分

充填材料中的化學(xué)成分及其含量對(duì)充填體的力學(xué)性能具有一定的影響。充填骨料中對(duì)充填體強(qiáng)度影響作用較大的主要化學(xué)成分有 CaO、MgO、Al2O3、SiO2、PbO、Fe、S、Zn、Cu。試驗(yàn)測(cè)定該礦全尾砂樣品中的化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表 1。

2.1.3? 全尾砂粒級(jí)組成

根據(jù)尾砂樣品的粒級(jí)組成測(cè)試結(jié)果，尾砂中粒級(jí)為-5 μm、-10 μm、-20 μm 的極細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.40％、23.84％、32.85％，-75 μm粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 59.48％，可見(jiàn)尾砂粒級(jí)較粗。從試驗(yàn)結(jié)果看，物料顆粒大小分布范圍大，級(jí)配不均勻，全尾砂平均粒徑為92.861 μm。相比國(guó)內(nèi)類(lèi)似礦山，如新疆阿希金礦全尾的砂平均粒徑為37.5００ μm，云南長(zhǎng)安金礦全尾的砂平均粒徑為61.3００ μm，本次全尾砂試樣粒徑相對(duì)較粗，有利于充填工藝。該礦全尾砂粒級(jí)組成見(jiàn)表2。

2.2? 全尾砂充填料漿強(qiáng)度配比試驗(yàn)研究

充填材料配比試驗(yàn)主要考慮灰砂比、充填料漿質(zhì)量濃度以及充填體養(yǎng)護(hù)齡期３個(gè)因素。全尾砂試樣開(kāi)展了 PC42.5水泥和 PC32.5水泥充填料強(qiáng)度配比試驗(yàn)。膠結(jié)材料采PC42.5水泥。試驗(yàn)按灰砂比1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20 制作試塊，PC32.5水泥，按灰砂比 1∶4、1∶8、1∶12、1∶15 制作試塊。料漿的質(zhì)量濃度分別按照76%、72%、68%調(diào)配，制作了297個(gè)試塊。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)表明，充填體抗壓強(qiáng)度取決于灰砂比和充填料漿濃度。以 PC42.5 水泥為膠結(jié)劑為例，全尾砂料漿濃度（固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 68%～76%，灰砂比 1∶4 時(shí)，28 d養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.73 MPa；灰砂比為1∶8時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.03 MPa；灰砂比 1∶12 時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.61 MPa；灰砂比1∶20 時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.98 MPa，強(qiáng)度發(fā)展正常。

3? ?膏體充填設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合目前采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及深部開(kāi)采的采礦方法，該礦最終確定采用全尾膠結(jié)充填工藝。根據(jù)該礦尾砂性質(zhì)可采用深錐濃密脫水及圓盤(pán)過(guò)濾機(jī)脫水工藝兩種方案，兩種方案比較見(jiàn)表4。從經(jīng)濟(jì)性和可操作性上考慮，推薦采用深錐濃密機(jī)脫水方案。

充填料漿采用全尾砂、膠結(jié)材料和水為原料進(jìn)行制備。選廠(chǎng)產(chǎn)出的全尾砂漿通過(guò)自流至濃密機(jī)，添加適當(dāng)比例的絮凝劑，加速尾砂沉淀。當(dāng)充填站需要制備料漿充填到井下采空區(qū)時(shí)，經(jīng)濃縮沉降后的尾砂，由濃密機(jī)底部管路放砂，通過(guò)底流泵泵送至攪拌設(shè)備內(nèi)，同時(shí)啟動(dòng)微粉秤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，礦漿自流或通過(guò)充填工業(yè)泵加壓泵送，經(jīng)鉆孔輸送至井下采空區(qū)完成充填作業(yè)。根據(jù)本項(xiàng)目采礦工藝及充填工作制度，布置1套充填攪拌設(shè)施。充填作業(yè)時(shí)，選廠(chǎng)尾砂泵送至充填站；當(dāng)充填站設(shè)備保養(yǎng)時(shí)或不需尾砂時(shí)，選廠(chǎng)濃密后尾砂仍泵送至尾礦庫(kù)。

充填工藝流程見(jiàn)圖1。

4? ? 主要充填設(shè)備選擇

充填制備站主要設(shè)備為濃密機(jī)、攪拌設(shè)備、水泥計(jì)量給料設(shè)備及絮凝劑添加裝置。

4.1? 濃密機(jī)

根據(jù)充填試驗(yàn)結(jié)果，灰砂比為1∶4、1∶12、1∶15、1∶20，料漿濃度在72%～76%范圍內(nèi)時(shí)，料漿穩(wěn)定性良好，且無(wú)論在管道還是在料箱中均呈現(xiàn)良好的流動(dòng)性，未產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，也未出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象。因此，最終充填料漿濃度推薦為72%～76%，反算濃密機(jī)底流濃度為70%～76%，推薦濃密機(jī)最大底流濃度應(yīng)達(dá)到76%。

不同設(shè)備廠(chǎng)家設(shè)備技術(shù)方案有所區(qū)別，根據(jù)采礦工藝最大每天消耗４７１ t/d干尾砂最終暫推薦國(guó)內(nèi)某品牌？覬9 m無(wú)動(dòng)力深錐濃密機(jī)。

4.2? 攪拌設(shè)備及充填管路

傳統(tǒng)的立式攪拌設(shè)備攪拌均勻后是通過(guò)自身重力流入充填泵內(nèi)，不均勻性大，導(dǎo)致泵輸送容易出現(xiàn)故障，而臥式攪拌系統(tǒng)是通過(guò)葉片低速均勻性推進(jìn)料漿進(jìn)入充填泵，利于充填泵的輸送。因此，本工程參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似全尾充填礦山，考慮到本項(xiàng)目服務(wù)年限及充填能力要求，采用了兩段臥式攪拌機(jī)。該攪拌系統(tǒng)可以提高攪拌均勻度，減緩輸送過(guò)程中的沉降速度，對(duì)長(zhǎng)距離料漿輸送起到一定的積極作用。

設(shè)備選擇主要與充填規(guī)模有關(guān)，本項(xiàng)目井下充填所需尾砂為283.4 m3/d。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一段及二段攪拌機(jī)處理能力暫按70 m3/h考慮。第一段采用容積為2 m3的葉片式攪拌機(jī)；第二段采用容積為3 m3的螺旋式攪拌機(jī)。料漿經(jīng)一段攪拌均勻后，進(jìn)入二段攪拌，完成兩次攪拌后，再通過(guò)充填泵從鉆孔送到井下采空區(qū)實(shí)施充填。

充填不均衡時(shí)，還需增加充填系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，充填不均衡時(shí)，充填量按1.5倍系數(shù)考慮，則Ｑ＝２８３.4×１.5＝425.1 m3/d，則充填作業(yè)時(shí)間按10 h/d計(jì)算。

4.3? 水泥計(jì)量給料設(shè)備

水泥計(jì)量給料設(shè)備選用微粉秤，它集粉料輸送、稱(chēng)重計(jì)量和定量給料控制于一體，替代了雙管螺旋喂料機(jī)、螺旋電子秤或沖板流量計(jì)，工作簡(jiǎn)單可靠。根據(jù)采礦工藝要求，灰砂比為1∶4時(shí)，膠結(jié)充填料漿中水泥含量最高為３３９ kg/m3；灰砂比為1∶20時(shí)，膠結(jié)充填料漿中水泥含量最少為20 kg/m3。制備系統(tǒng)能力按50 m3/h計(jì)算，則要求微粉秤計(jì)量水泥給料能力為：

Qs1=50 m3/h×339 kg/m3=16 950 kg/h=16.95 t/h；

Qs2=50 m3/h×20 kg/m3=1 000 kg/h=1 t/h。

式中：Qs1為灰砂比為1∶4時(shí)每小時(shí)水泥消耗量；Qs2為灰砂比為1∶20時(shí)每小時(shí)水泥消耗量。

每個(gè)水泥倉(cāng)下配置1臺(tái)處理能力的為3～20 t/h的3 000單管計(jì)量微粉秤，可滿(mǎn)足水泥添加要求。

根據(jù)采礦充填要求，后期開(kāi)采平均需水泥約61 t/d，考慮最大充填量時(shí)膠結(jié)材料的用量及正常生產(chǎn)時(shí)存貯3～7 d水泥用量的原則，由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法購(gòu)買(mǎi)到散裝水泥，需要利用水泥拆包機(jī)將袋裝水泥拆包后裝入水泥倉(cāng)內(nèi)，本次膠結(jié)材料儲(chǔ)存量按500 t考慮，水泥儲(chǔ)存量可滿(mǎn)足礦山1 300 t/d采礦規(guī)模7日的充填制備所需水泥要求，膠結(jié)料儲(chǔ)存量有效容積計(jì)算如下：

Vy = Q/ρs = 500 /1.3 = 384.6 m3

式中：Vy為水泥儲(chǔ)存有效容積，m3；ρs為松散密度，取1.3 t/m3；Ｑ為肢結(jié)材料儲(chǔ)存量，t。

經(jīng)計(jì)算，袋裝水泥儲(chǔ)存量應(yīng)達(dá)到400 m3，可以滿(mǎn)足日均井下充填作業(yè)的要求。另外，還需建設(shè)1個(gè)有效容積為170 m3的水泥倉(cāng)，水泥倉(cāng)采用鋼結(jié)構(gòu)，斷面尺寸？覬5.5 m，水泥倉(cāng)倉(cāng)底為錐形，倉(cāng)體為圓柱體，水泥倉(cāng)體直段高度為6 m，錐體高度為4.0 m。

4.4? 膏體輸送泵

本項(xiàng)目充填料以自流輸送為主，后期開(kāi)采上部掛幫礦量時(shí)或不滿(mǎn)足自流倍線(xiàn)的礦體時(shí)，可再增加充填泵。故本次設(shè)計(jì)未考慮充填泵參數(shù)，僅預(yù)留充填泵位置。

4.5? 充填管網(wǎng)布置

充填管自充填站廠(chǎng)房沿路鋪設(shè)至進(jìn)風(fēng)井，其中主充填管沿進(jìn)風(fēng)井布設(shè)，分別通至礦山服務(wù)的最高和最低水平。在分段巷道與盲進(jìn)風(fēng)井交叉的T型口，接分支充填管依次對(duì)各個(gè)分段采場(chǎng)進(jìn)行充填。充填管道經(jīng)分段巷道、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道直至充填回風(fēng)井，充填料漿自上往下對(duì)空區(qū)實(shí)施充填。

其中，主充填管選用DN125無(wú)縫鋼管，管道之間采用快速接頭進(jìn)行連接。分段巷道充填管選用承壓能力為4 MPa左右的高強(qiáng)度塑料管，例如鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管、超高分子聚乙烯管。該類(lèi)材質(zhì)管道具有強(qiáng)度高、重量輕，耐壓、安裝簡(jiǎn)單等特征。充填管路末端可視情況選用耐壓符合要求的常規(guī)PVC管。

1）管道內(nèi)徑計(jì)算。充填管道內(nèi)徑的確定主要與充填能力與流速相關(guān)，考慮到系統(tǒng)充填能力為40～50 m3/h，通常流速為1～2 m/s，因此對(duì)應(yīng)的所需管道內(nèi)徑為97.12～108.58 mm，即可選管道有兩種型號(hào)分別為DN100和DN125。然而，滿(mǎn)足厚度要求的DN100管道內(nèi)徑較小，難以滿(mǎn)足充填輸送的需要。因此，經(jīng)初步計(jì)算選用DN125無(wú)縫鋼管作為該礦的充填管。

校核驗(yàn)算按式（1）計(jì)算如下：

（1）

式中：Qh為充填系統(tǒng)單小時(shí)最大充填能力，取47 m3/h；v為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流速，參考試驗(yàn)報(bào)告取1.40 m/s。計(jì)算得，Ｄi=109.00 mm，即充填管道內(nèi)徑Ｄi應(yīng)不小于109.00 mm。

2）管道壁厚計(jì)算。最終管道的內(nèi)徑取值還需根據(jù)管道壁厚計(jì)算并參考管道標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)表最終選定。充填管道壁厚按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

（2）

式中：p為管道最低處總壓力，隨γ漿及H的增大而增高；D為管道內(nèi)徑，取值109 mm；[δ]為鋼材抗拉許用應(yīng)力，外層Q235無(wú)縫鋼管取值130 MPa；K為磨蝕、腐蝕量，鋼管的磨蝕、腐蝕量取2～3 mm，本次取值為2.5 mm。經(jīng)計(jì)算得，t=5.14 mm。

根據(jù)以上計(jì)算，可選定充填管的型號(hào)為？覬133×12 mm，材質(zhì)為Q235的無(wú)縫鋼管35.80 kg/m，內(nèi)徑為109 mm，管道對(duì)應(yīng)流速為1.40 m/s。

3）充填倍線(xiàn)。經(jīng)計(jì)算，除少部分中段充填倍線(xiàn)大于6外，其它各中段的充填倍線(xiàn)均小于6，基本可滿(mǎn)足自流輸送條件。針對(duì)少部分中段充填倍線(xiàn)較大的地段，考慮采用低濃度的尾砂充填或廢石充填。

5? ?結(jié)論

通過(guò)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，得出膏體充填技術(shù)的以下幾點(diǎn)結(jié)論：1）在進(jìn)行全尾膏體充填站工藝方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須根據(jù)全尾砂的物化性質(zhì)進(jìn)行選擇，如比重、孔隙率、配比強(qiáng)度等方面因素，同時(shí)還必須考慮項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇充填方案。2）全尾砂充填料漿強(qiáng)度配比試驗(yàn)研究表明，ＰＣ42.5比PC３２.5更適合用作本項(xiàng)目全尾砂充填膠結(jié)材料，且料漿濃度為72%～76%時(shí)，性能更佳。3）充填方案選擇中還需要考慮經(jīng)濟(jì)、設(shè)備適用等可能影響建設(shè)的因素。4）在充填設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)全尾砂進(jìn)行可靠的試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷能否達(dá)到符合要求的膏體流動(dòng)性和強(qiáng)度。這是選擇充填方案的重要參考依據(jù)。

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收稿日期：2023-02-06

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“金屬礦山環(huán)境友好型膠結(jié)尾砂充填開(kāi)采技術(shù)與應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：２０２０２ＢＢＧ７３００１）

作者簡(jiǎn)介：熊根（1992—），男，工程師，主要從事礦山機(jī)械設(shè)計(jì)、研究工作。