尾砂充填和尾礦制磚綜合利用探索

葉順如

福建省明溪縣礦管站（365200）

尾砂充填和尾礦制磚綜合利用探索

葉順如

福建省明溪縣礦管站（365200）

針對(duì)福建省明溪縣地區(qū)礦產(chǎn)資源回采率低，礦山采空區(qū)未及時(shí)治理存在安全隱患，尾砂直接外排投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高等現(xiàn)狀，擬采用尾砂充填采空區(qū)和尾砂制磚的綜合利用方案，以提高礦產(chǎn)資源回采率，減少安全隱患，并徹底解決礦山尾砂排放的問(wèn)題。為當(dāng)?shù)氐V山無(wú)廢開(kāi)采，綠色開(kāi)發(fā)，提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

尾砂充填；尾砂制磚；無(wú)廢開(kāi)采；綜合利用

1 工程背景

根據(jù)福建省三明市國(guó)土部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全市有552家礦山，其中80%以上礦山采用地下開(kāi)采,目前還沒(méi)有礦山企業(yè)對(duì)尾礦進(jìn)行綜合利用[1]。為了適應(yīng)礦山無(wú)廢開(kāi)采，綠色開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，這里以三明市明溪縣胡坊螢石礦尾砂綜合利用項(xiàng)目為例，闡述該項(xiàng)目為當(dāng)?shù)氐V山企業(yè)尾砂綜合利用提供的經(jīng)驗(yàn)。

胡坊礦區(qū)螢石礦開(kāi)采礦種為螢石礦，開(kāi)采規(guī)模為9.9×104t/a，年工作天數(shù)330 d，日產(chǎn)螢石礦300 t/d。采用地下開(kāi)采，斜坡道開(kāi)拓，淺孔留礦采礦法回采，淺孔爆破落礦，采下礦石經(jīng)井下小型自卸汽車(chē)運(yùn)出。

礦區(qū)地形地貌簡(jiǎn)單，礦體埋藏在侵蝕基準(zhǔn)面之下，其水文地質(zhì)條件屬于中等～復(fù)雜類(lèi)型。礦體頂?shù)装鍑鷰r主要是花崗巖，均屬半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖石。據(jù)井下坑道揭露，巖石穩(wěn)固性較好，除個(gè)別地段受斷層影響外，坑道基本不用支護(hù)，礦床工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。礦體呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)礦體，其中主礦體為Ⅰ和Ⅱ號(hào)礦體。礦體傾角一般為69°～77°，厚度2.2～8 m，主礦體平均厚度大于5 m。礦體平均品位33%。礦石主要為螢石礦，其次為石英、蛋白石。礦石結(jié)構(gòu)主要為晶粒、碎粒結(jié)構(gòu)。

礦山建有選礦廠，原礦處理規(guī)模為300 t/d。原礦經(jīng)破碎浮選回收,形成螢石精粉。目前礦山日產(chǎn)尾礦201 t/d，年產(chǎn)尾礦約6.6×104t,尾礦產(chǎn)率為67%。

2 項(xiàng)目建設(shè)的可行性分析

目前，國(guó)內(nèi)尾礦利用的主要方向有以下幾個(gè)方面:

1）尾礦中有價(jià)金屬及其他高附加值組分的回收。

2）制備建筑材料。

3）充填采空區(qū)[2]。

由于該礦礦體成分比較單一，伴生其他有用礦物資源少，經(jīng)選礦回收后從尾砂中提取有價(jià)金屬及其他高附加值組分意義不大。因此，尾礦的綜合利用要從制備建筑材料和充填采空區(qū)兩方面入手?？紤]到礦山所處位置交通便利，運(yùn)輸費(fèi)用低，建材中尾砂制磚工藝技術(shù)成熟、完善、成本低、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單[3]，故擬采用尾砂充填和尾砂制磚項(xiàng)目對(duì)尾砂進(jìn)行綜合利用。

2.1 尾砂充填經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1.1 尾砂充填所需的投資及充填成本計(jì)算

根據(jù)礦山生產(chǎn)規(guī)模，采用尾砂充填，只需新建一座小型充填站即可滿足要求，參照類(lèi)似礦山所需的投資估算如表1[4]:

表1 充填站投資費(fèi)用估算表（萬(wàn)元）

2.1.2 采用尾砂膠結(jié)充填的成本（見(jiàn)表2）

建設(shè)一座五等庫(kù)（總庫(kù)容小于100×104m3，壩高小于30 m），若按尾砂壩征地建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用15元/m3計(jì)算[5]，則新建一座尾礦庫(kù)平均每年所需的費(fèi)用約為:15元/m3×6.6×104m3=99萬(wàn)元。

尾砂充填采礦回采率可由原來(lái)的82%提高至95%，每年可以多回收的礦石約(9.9/0.85×0.95-9.9)× 104=1.5×104t，礦石利潤(rùn)按200元/t計(jì)算，則每年可增加300萬(wàn)元收入。

表2 尾砂充填成本費(fèi)用計(jì)算表

2.2 尾砂制磚的經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目初期定為年產(chǎn)1 500萬(wàn)塊蒸壓尾砂磚，后期可根據(jù)市場(chǎng)行情擴(kuò)大規(guī)模，年消耗尾砂量約4.5×104t，總投資約為525萬(wàn)元。經(jīng)初步核算，尾砂制磚的綜合成本約為0.15元/塊，售價(jià)按0.2元/塊，扣除成本，每塊磚純利潤(rùn)約按0.05元/塊計(jì)算[6]，每年可為礦山增收75萬(wàn)元。

以上，采用充填法開(kāi)采和尾砂制磚工藝，每年企業(yè)可為增加370萬(wàn)元收入，扣除充填設(shè)施和尾砂制磚生產(chǎn)線的投資，約3年即可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

尾礦綜合利用還具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]:

1）無(wú)需新建尾礦庫(kù)，減少投資，不存在尾礦庫(kù)潰壩現(xiàn)象和閉庫(kù)問(wèn)題；2）尾礦充填采空區(qū)可以從根本上解決采空區(qū)垮塌對(duì)周邊環(huán)境的影響，消除安全隱患；3）尾砂建材不僅可以實(shí)現(xiàn)尾礦零排放，還可以為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益；4）采空區(qū)充填技術(shù)已經(jīng)成熟，也是今后礦山開(kāi)采的發(fā)展方向。

綜上所述,尾砂綜合利用是實(shí)現(xiàn)礦山無(wú)廢開(kāi)采，綠色開(kāi)發(fā)，可持續(xù)發(fā)展的最有效途徑。

3 尾砂充填系統(tǒng)

3.1 開(kāi)采系統(tǒng)

礦山采用淺孔留礦嗣后充填采礦法，分兩步回采，第一步先間柱，形成空區(qū)后，采用膠結(jié)充填，作為連續(xù)支撐柱；第二步回采礦房，礦房回采結(jié)束后，直接采用高濃度尾砂充填采空區(qū)。

3.1.1 礦房礦柱尺寸的確定

膠結(jié)充填采礦法的礦房礦柱尺寸，除根據(jù)礦石的穩(wěn)固程度確定外，還需考慮在經(jīng)濟(jì)上是否合理，即在礦石穩(wěn)固性允許的條件下，礦房應(yīng)盡量采用較小尺寸，礦柱可采用較大尺寸，以節(jié)省膠結(jié)充填費(fèi)用，降低采礦成本[7]。

3.1.2 采用地壓理論計(jì)算確定

前蘇聯(lián)學(xué)者薩斯列夫通過(guò)研究巖石的壓力曲線，認(rèn)為巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，造成開(kāi)采空間頂板冒落的主要原因是頂板中拉應(yīng)力作用的結(jié)果，開(kāi)采空間頂板的拉應(yīng)力隨著其跨度的增大而增加。近年來(lái)的大量研究成果也已證明，一般情況下，巖石的單軸抗拉強(qiáng)度僅為單軸抗壓強(qiáng)度的1/10，因此，礦房和礦柱跨度以開(kāi)采空間頂板所允許的拉應(yīng)力來(lái)確定。

本礦礦體頂?shù)装鍑鷰r主要是花崗巖，均屬半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖石。為了確保開(kāi)采的安全，以強(qiáng)度較低的大理巖的力學(xué)指標(biāo)為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。開(kāi)采深度按200 m計(jì)，花崗巖容重γ=2.3～2.8 t/m3，取平均值γ= 2.55 t/m3；泊松比u=0.2～0.35[8]，取平均值0.275；則側(cè)壓系數(shù):

單軸抗拉強(qiáng)度σt=6.68～24.5 MPa[9]，取小值σt= 6.68 MPa=700 t/m2，安全系數(shù)n=3(因礦柱不需長(zhǎng)期保留，且開(kāi)采空間形成后不久即進(jìn)行充填），則花崗巖許用拉應(yīng)力為:

開(kāi)采空間的跨度a可根據(jù)“拉應(yīng)力條件計(jì)算極限跨度”的公式求得，即:

式（3）計(jì)算得出11.4 m的跨度較小，原因是開(kāi)采空間頂板是水平的,若頂板為拱形則可顯著加大；若頂板拱高能與自然平衡拱的拱高相同，則開(kāi)采空間頂板跨度可以容許很大。

根據(jù)上述計(jì)算，結(jié)合所采用的淺孔留礦嗣后充填采礦法，設(shè)計(jì)取礦房的寬度為10 m，礦柱的寬度為5 m。礦塊分兩步回采，第一步先采礦柱，形成空區(qū)后，采用膠結(jié)充填，作為連續(xù)支撐柱；第二步回采礦房，礦房回采結(jié)束后，直接采用高濃度尾砂充填采空區(qū)。膠結(jié)充填占1/3。

3.1.3 礦塊構(gòu)成參數(shù)

礦塊沿著礦體走向布置，長(zhǎng)度40～50 m，中段高度40 m，每個(gè)礦塊分為多個(gè)礦房開(kāi)采。

3.1.4 采準(zhǔn)切割

礦房和礦柱均布置聯(lián)絡(luò)道、切割平巷及切割上山。

3.1.5 鑿巖爆破

礦房和礦柱均采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖，淺孔爆破。

3.1.6 回采

礦房和礦柱的回采均以拉底巷道為自由面，然后挑頂，拉低的高度2～2.5 m，采場(chǎng)采用分層回采，每次分層高度為2 m左右，挑頂至礦體頂板。

3.1.7 采場(chǎng)通風(fēng)

新鮮風(fēng)流由主運(yùn)輸巷道進(jìn)入人行通風(fēng)天井，沖洗工作面后,污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井進(jìn)入上中段回風(fēng)巷道，再由總回風(fēng)巷道排出地表。

3.1.8 礦石運(yùn)輸

采場(chǎng)爆破下的礦石,由人工裝上自卸汽車(chē)后，運(yùn)至選礦廠。

3.1.9 采場(chǎng)頂板管理

在爆破結(jié)束后，裝礦前，應(yīng)對(duì)頂板浮石進(jìn)行處理，頂板浮石采用人工處理，對(duì)局部不穩(wěn)定地段采用留設(shè)礦柱方式進(jìn)行支護(hù)。

3.1.10 采場(chǎng)充填作業(yè)

1）礦柱膠結(jié)充填

礦柱回采結(jié)束，清理場(chǎng)地后，在采場(chǎng)內(nèi)架設(shè)充填管路，聯(lián)絡(luò)道安裝濾水門(mén)，然后向采空區(qū)注入膠結(jié)充填材料。

2）礦房充填

礦房充填與礦柱充填類(lèi)似,準(zhǔn)備工作結(jié)束后，向采空區(qū)注入高濃度尾砂充填材料。

3.2 充填設(shè)施

我國(guó)大部分采用管道充填的礦山，料漿濃度一般在60%～65%[10]，本項(xiàng)目為首次采用，充填料漿濃度采用平均值62.5%。由于地表充填站與井下充填采場(chǎng)之間的高差達(dá)100 m以上，因此，可以采用自流輸送充填料漿的方式進(jìn)行充填。井下充填系統(tǒng)分為兩步,第一步充填礦柱采空區(qū)采用膠結(jié)充填，即采用立式砂倉(cāng)制備的高濃度尾砂漿通過(guò)流態(tài)化造漿技術(shù)活化后，自流至攪拌桶與水泥倉(cāng)放出的水泥攪拌均勻，并經(jīng)過(guò)充填管路自流至井下充填管網(wǎng)進(jìn)行充填。第二步充填礦房采空區(qū)采用高濃度尾砂充填。選廠排出的尾砂漿通過(guò)管道泵送至充填站立式砂倉(cāng)，全尾砂漿通過(guò)添加絮凝劑加速沉降濃縮，之后經(jīng)過(guò)充填管路自流至井下充填管網(wǎng)進(jìn)行充填。

充填站配備一座立式砂倉(cāng)，一座水泥倉(cāng)及其攪拌裝置，立式砂倉(cāng)容積為500 m3，水泥倉(cāng)容積為200 m3。水泥為散裝水泥，由水泥罐車(chē)運(yùn)到充填站，并通過(guò)水泥罐車(chē)自帶壓縮空氣系統(tǒng)吹入水泥倉(cāng)。水泥倉(cāng)頂設(shè)有倉(cāng)頂吸塵器。膠結(jié)充填時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的灰砂比提供所需的水泥量，通過(guò)由變頻器控制的螺旋輸送機(jī),將水泥倉(cāng)內(nèi)水泥輸送至攪拌桶與尾砂混合，攪拌均勻后通過(guò)充填管路自流至井下充填管網(wǎng)。充填管路系統(tǒng)參數(shù)為:管徑Φ100 mm、濃度62.5%、料漿流量60～80 m3/h。

3.2.1 管道輸送系統(tǒng)

充填料制備包括尾砂給料線、水泥給料線、調(diào)濃水供給線、充填料攪拌輸送線等。

3.2.2 通信設(shè)施

對(duì)于尾砂充填系統(tǒng)，通信系統(tǒng)的暢通是非常重要的。遇到充填事故時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知地表停止輸送充填料。

充填采場(chǎng)、充填攪拌站、充填調(diào)度室等處應(yīng)設(shè)專用電話相互聯(lián)系，以保證充填過(guò)程的暢通。

3.2.3 管道沖洗

每次充填作業(yè)結(jié)束后,應(yīng)用清水沖洗管道，清除殘留在管道中的尾砂，確保管道不被堵塞。清洗管道的污水不能流入采場(chǎng)。

4 尾砂制磚工藝

礦山每年產(chǎn)生的尾砂除了充填采空區(qū)外，還有部分剩余，由于礦山所處位置交通便利，運(yùn)輸費(fèi)用低，而且當(dāng)?shù)卣块T(mén)出臺(tái)政策鼓勵(lì)礦山企業(yè)進(jìn)行尾礦綜合利用,同時(shí)尾砂制磚工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，因此，本項(xiàng)目采用尾砂進(jìn)行制磚，以徹底解決尾砂排放問(wèn)題。

本項(xiàng)目暫定為年產(chǎn)1 500萬(wàn)塊蒸壓尾砂磚，年消耗尾砂量約4.5×104t，后期可根據(jù)市場(chǎng)行情擴(kuò)大生產(chǎn)線。

尾砂制磚工藝簡(jiǎn)述如下[11]:

1）物料平衡配比

尾砂∶砂子∶石灰∶水泥=0.65∶0.1∶0.15∶0.1。

2）原材料儲(chǔ)存及制備

生石灰塊由自卸汽車(chē)運(yùn)入廠內(nèi)，倒入破碎機(jī)受料斗，用顎式破碎機(jī)破碎成粒徑≤25 mm的石灰顆粒，斗式提升機(jī)送入生石灰?guī)靸?nèi)儲(chǔ)存。庫(kù)內(nèi)的石灰經(jīng)皮帶給料機(jī)定量向球磨機(jī)送料磨成石灰粉，當(dāng)物料細(xì)度達(dá)到3 500～4 000 cm2/g后，經(jīng)螺旋給料機(jī)、計(jì)量稱計(jì)量后待用。

石英砂由自卸汽車(chē)運(yùn)入廠內(nèi)，堆放在堆棚內(nèi)，由裝載機(jī)倒入配料機(jī)的儲(chǔ)料斗中待用。

選礦廠尾砂漿通過(guò)管道泵送至制磚廠，通過(guò)尾砂脫水機(jī)脫水后的干尾砂由皮帶輸送機(jī)輸送至堆棚內(nèi)，再由裝載機(jī)倒入尾砂配料機(jī)儲(chǔ)料斗中待用。

3）配料攪拌機(jī)

儲(chǔ)存在儲(chǔ)料斗內(nèi)的干尾礦和石英砂，經(jīng)計(jì)量斗計(jì)量后,由皮帶輸送機(jī)送入攪拌機(jī)的爬斗內(nèi)待用，同時(shí)將石灰粉倉(cāng)內(nèi)的粉料按配比要求由螺旋給料機(jī)經(jīng)計(jì)量斗計(jì)量后待用。生產(chǎn)時(shí)按加入爬斗內(nèi)的物料、螺旋給料機(jī)的石灰粉、水先后順序經(jīng)計(jì)量后依次卸入攪拌機(jī)，攪拌后，混合料送入消化倉(cāng)，消化時(shí)間2～3 h。消化好的混合料經(jīng)過(guò)輪碾機(jī)碾壓后，由皮帶輸送機(jī)送入成型機(jī)受料斗。

4）磚坯成型

成型機(jī)受料斗將混合料送入壓機(jī)模具，壓制成磚塊，每次成型32塊，成型周期13～16 s，成型磚塊由皮帶輸送機(jī)送至碼坯機(jī)，再由碼坯機(jī)碼放在蒸壓小車(chē)上。

5）蒸壓養(yǎng)護(hù)

碼好磚坯的蒸壓小車(chē)移至蒸壓釜編組軌道，再由釜后移動(dòng)式卷?yè)P(yáng)機(jī)拉入蒸壓釜內(nèi)進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。蒸壓小車(chē)進(jìn)去后關(guān)好釜門(mén)，開(kāi)啟真空泵約0.5 h以排除釜內(nèi)空氣，再送入飽和蒸汽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間:升壓2.0 h、恒壓7.0 h、降壓1.5 h，整個(gè)養(yǎng)護(hù)時(shí)間約10.5 h。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，卷?yè)P(yáng)機(jī)將蒸壓小車(chē)連同成品拉出至釜后軌道上，再通過(guò)成品叉車(chē)將蒸壓養(yǎng)護(hù)車(chē)上的成品磚碼放到成品堆場(chǎng)中。蒸壓小車(chē)返回碼坯機(jī)重復(fù)工作。

5 總結(jié)

福建省三明市明溪縣胡坊螢石礦尾砂綜合利用項(xiàng)目的實(shí)施，不僅可以大量消耗尾砂，減少環(huán)境污染，提高資源回采率，實(shí)現(xiàn)礦山無(wú)廢開(kāi)采，綠色開(kāi)發(fā)。而且可以增加當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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