金川礦山廢石－全尾砂高濃度充填工藝試驗研究

喬登攀， 姚維信

（昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093）

金川礦山廢石－全尾砂高濃度充填工藝試驗研究

喬登攀， 姚維信

（昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093）

廢石和尾砂是礦山企業(yè)的大宗工業(yè)廢料且不存在來源不足問題，如何高效利用廢石和尾砂進行充填采礦是采礦界的前沿性課題.本文結合金川公司充填工藝介紹了廢石-尾砂高濃度管輸充填新技術，并闡述了該技術中高濃度充填和膏體充填的特點，且充填成本低.

充填；全尾砂；廢石；高濃度充填

1 塊石充填工藝的應用現狀

自20世紀70年代以來，澳大利亞、前蘇聯(lián)等國試驗成功了在空區(qū)內先倒入塊石充填，再向塊石中壓注水泥凈漿或水泥砂漿的充填工藝，如Mount Isa礦、Kidd Creek礦，1973年Mount Isa礦開始塊石膠結充填工藝應用[1－3].我國則試驗成功了在塊（碎）石倒入采空區(qū)的同時，將水泥砂漿用管路輸送注入空區(qū)自淋混合膠結充填.如大廠錫礦、銅錄山銅礦等試驗成功了塊石—水泥砂漿自淋混合充填工藝，結果表明充填體強度高且充填成本低.個別礦山則試驗成功了在采空空區(qū)的上部，用電耙、無軌設備或溜槽進行廢石與水泥砂漿的混合拌制，而后利用空區(qū)自落條件充填采空區(qū)的塊石膠結充填工藝.紅透山銅礦在井下建立了一套塊石倒運與充填系統(tǒng)并形成較大充填能力，達到了廢石不出坑[4－5].

一般情況下，塊石膠結充填體在試塊強度3 MPa條件下水泥含量小于100 kg/m3,僅是尾砂膠結充填水泥用量的一半，從而使成本大幅度降低.生產實踐表明，在相同水泥用量的條件下，與其他膠結充填工藝相比較，塊石膠結充填體強度更高，充填體穩(wěn)定性比細砂膠結充填好得多，能有效保證二步礦房 （礦柱）回采時的安全.空場嗣后塊石膠結充填采礦法礦石貧化小、能力大、廢石提運少，也能夠緩解地表堆放廢石引起的諸多問題，是當前膠結充填工藝的發(fā)展方向之一.但是，目前塊石充填工藝需利用采空區(qū)落差條件，通過充填料分流輸送和自淋混合方式實現膠結充填，僅以空場（分段或階段）嗣后充填方式實現，對分層采礦法（上向或下向）并不適用，因而目前塊石充填應用仍非常有限[6].

2 金川公司充填現狀與廢石量

金川鎳礦規(guī)模大、埋藏深，礦巖破碎且蠕變特征明顯、地應力大，其開采難度世界罕見.金川礦山在復雜的工程地質條件下遇到了各種各樣的涉及到充填采礦的技術問題，在長期的大規(guī)模工業(yè)生產實踐和國內外的科技合作中，從未間斷過開展充填采礦領域的試驗研究，其中一批重大問題多次列入國家重點科技攻關計劃，積累了豐富的充填采礦經驗和大量的技術資料.金川礦山先后進行過VCR法、上向分層進路式膠結充填法和下向分層膠結充填法試驗；經過幾十年探索最終定型為下向水平分層進路式膠結充填采礦法，發(fā)明和應用成功了下向六角形進路式充填法.目前，金川三大礦山（龍首礦、二礦區(qū)、三礦區(qū)）已形成1000萬t/a的生產規(guī)模，是全球應用下向水平分層充填法規(guī)模最大、機械化程度最高的礦山.2010年，龍首礦西部貧礦開采項目開始投產，另外金川四礦區(qū)工程也已開工建設.根據金川公司的總體規(guī)劃，“十二五”末，所屬四大礦山的生產能力將超過1200萬t/a，屆時，充填能力將達到400萬m3/a以上.

經調查，金川礦山地表堆放的可用于充填的廢石量總計約1800萬t，今后廢石量將超過130萬t/a，2009年廢石綜合出窿費用高達約1.96億元.廢石外排不僅會大大影響到礦山周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，也是礦山生產中的沉重負擔，如何處理大量工業(yè)廢石是解決金川公司礦山周邊生態(tài)環(huán)境保護與污染防治、礦山生產提運壓力的重中之重.因此，研究粗粒級廢石破碎集料高濃度充填技術非常重要[7].

3 廢石與全尾砂的級配與濃度選擇

3.1 廢石集料

金川礦區(qū)井下廢石混合料主要來自礦山生產掘進和巷道返修所產生的廢石.金川礦山充填管道主要有內徑110 mm和80 mm兩種，一般要求骨料粒徑不能超過管徑的1/5～1/4，故試驗將工程廢石的破碎粒度確定為-16 mm.廢石破碎集料對于充填料漿配合比設計的主要影響因素是集料級配.通過篩分統(tǒng)計，金川礦區(qū)廢石破碎集料的粒度級配見表1.

經測定，廢石破碎集料的加權平均粒徑為dav=5.803 mm，中位粒徑dˉc=5.235 mm，d60=7.023 mm，d10=0.391 mm，則有d60/d10=17.96.顯然，按塔博條件（塔博研究認為：當d60/d10=4～5時，物料的密實度最好，即最佳顆粒級配.）廢石破碎集料的級配并不好，粗粒料偏多，細粒級含量偏小，料漿由于難以形成絮網結構，管道輸送（無論是泵壓或自流輸送）中料漿易發(fā)生泌水現象而導致堵管.因此，需要添加相應的細粒料—全尾砂進行骨料級配優(yōu)化.

表1 破碎廢石集料粒度級配表/%

3.2 全尾砂

金川公司全尾砂是一選廠與二選廠排放的尾砂混合物.金川全尾砂平均粒度細，氧化鎂含量高，滲透系數小(15 mm/h).應用激光粒度分析儀對金川公司全尾砂進行分析，見表2.

3.3 水泥

金川礦山充填所用的膠結材料為325級增強復合水泥，水泥比重3.1 t/m3，密度1.1 t/m3,其比表面積為 3100～3300 cm2/g.

表2 全尾砂粒級分布表/%

3.4 廢石-全尾砂料漿的級配與濃度

通過測試與分析，金川公司破碎廢石集料和全尾砂的有關參數見表3.

表3 廢石集料-全尾砂的物理參數

廢石-全尾砂膠結充填料漿是一種低標號的多相混合體.理想狀態(tài)下的充填料漿，其組分如廢石集料、全尾砂和水泥是相互均勻分散的，相互填充.對于料漿中體積占絕大多數的廢石集料而言，良好的級配不僅可以減少離析現象，改善料漿拌合物的工作性，而且增加了廢石集料顆粒之間的嵌鎖能力.實際上，破碎廢石集料與全尾砂是不能用來選配的.一定程度上是不能選別的，只能應用，也只能采用合適的比例來確定最大密實度.

根據廢石—全尾砂高濃度漿體的環(huán)管試驗和流動性度試驗結果，獲得了金川廢石—全尾砂高濃度料漿的配合比參數為：最優(yōu)廢石尾砂比為6.0∶4.0，最適宜管輸充填的料漿重量濃度為77%～79%，漿體坍落度≥22 cm，325#水泥添加量為260 kg/m3，該配合比條件下的膠結體工業(yè)強度滿足下向水平分層進路式充填法人工假頂的強度要求[8-9].

4 廢石—全尾砂高濃度管輸試驗

4.1 進路脫水情況

工業(yè)試驗共進行了廢石全尾砂比5∶5和6∶4兩種配合比試驗，完成了進路充填量10080 m3.工業(yè)試驗充填管道最長1858 m，最短1650 m，管道系統(tǒng)總垂直落差492 m，最大充填倍線為4.78,最小為4.35.

廢石-全尾砂充填料漿骨料粒級范圍比較大（0～16 mm），不同于金川礦山現用的棒磨砂骨料，充填起始階段需要迅速提高料漿濃度，以防止堵管并保證充填體的整體性和穩(wěn)定性.工業(yè)試驗廢石—全尾砂料漿攪拌在二礦區(qū)膏體系統(tǒng)中完成，主攪拌為ATDⅢ-Ф700型雙螺旋攪拌輸送機，攪拌軸長達6 m，設計攪拌槽的最大容積為5 m3，設計生產能力為35～90 m3/h，采用2×30 kW電機傳動.工業(yè)試驗中要求充填導流水和洗管水不能進入采空進路，如此方能真實反映進路內充填體脫水情況和膠結體強度.但由于受采場充填接管方式和移管安全等因素影響，實際上難以進行分離導流水和洗管水.工業(yè)試驗中充填進路脫水情況，采用與礦山現用的自流和膏體充填采場脫水情況相比較，分別設定了無水、少量水、中等水、大量水4個層次進行定性分析.無水指進路內無法用泵進行脫水，即實際沒有脫水.少量水是指進路內用泵進行了脫水，但脫水量明顯少于平常膏體充填脫水量.中等水是指進路脫水量與脫水時間與膏體充填相當.大量水是指進路脫水量與自流充填相當.試驗共完成了15條進路充填，經統(tǒng)計無水情況有4條，占26.7%；進路中有少量水有7條，占46.6%；采場中等水有4條，占26.7%.結果表明，盡管充填引流水和洗管水仍然進入采場，但廢石—全尾砂高濃度充填料漿的脫水量明顯少.如果充填中能將引流水和洗管水進行分流，廢石—全尾砂高濃度（77%～79%）充填不需要人工脫水，自然脫水即可[10].

4.2 充填體強度

試驗期間，由充填站按規(guī)范（密度壺）進行了料漿取樣與裝模.試塊裝模時要求進行自然裝填，不可振動和搗實.試塊壓裂結果見圖1.

由圖1可見：①強度試塊中仍存在全尾砂團塊和少量的水泥團塊，表明存在水泥漿攪拌不均勻和尾砂強力攪拌不均勻現象；②試塊中粗粒級的廢石分布比較均勻，無離析分層，表明應用廢石—全尾砂配制成的高濃度料漿具有良好的抗離析性.根據進路內充填體的脫水情況、流動性及強度試塊壓裂情況綜合來看，只要將配合比和料漿濃度控制穩(wěn)定，并解決了引流水與洗管水，就可以達到進路內充填體不脫水及充填體不離析的目標.工業(yè)試驗中在金川二礦區(qū)1178 m分段6盤區(qū)3分層28號進路進行了強度直接測試，結果見表4.

圖1 試塊壓裂結果照片

表4 采場充填體強度測試結果（廢石尾砂比6∶4)

進路內充填膠結體的工業(yè)強度分布特征為：由進路充填下料點到進路中部小隔墻處充填體強度總體呈降低趨勢，但強度降幅很小，分析認為這種強度的變化是由于進路內充填料漿的長距離自流動而造成的；沿進路高度方向充填體強度總體呈 “下高上低”特點，這是由于進路內充填料漿的輕度離析造成的.由于充填中引流水、洗管水沒有排出采場，并且充填過程中也偶爾出現供料中斷、供料不穩(wěn)等情況，造成料漿濃度變化和料漿的不均勻，引起充填體強度變化.

4.3 進路內充填料漿的流動特征

根據進路內充填體揭露情況，并結合試塊壓裂后骨料分布情況，試驗組對比設定了均勻層（粗骨料分布均勻，骨料填隙效果好）、粗砂層（粗粒廢石有較明顯富集現象）、細砂層（粗粒廢石少，細粒料明顯多）、細漿層（較為明顯的水泥尾砂漿）.現場測定結果為：①進路內充填體底部、頂部和中間部位均不同程度的出現細漿層.分析認為，進路底板細漿層應屬充填引流層，起始濃度低，并且充填濃度提高需要10 min左右；進路內充填體頂部細漿層應屬充填結束時洗管水進入等造成料漿濃度降低而引起離析分層，進路充填體中部的細漿層則是由于系統(tǒng)供料不穩(wěn)甚至骨料中斷（如放砂、皮帶偏斜、斜溜槽偶爾堵塞后采用大水沖洗等）造成短時間內料漿濃度降低或配合比不穩(wěn)定引起.測定結果表明所有細漿層的厚度都較?。虎诔涮罹鶆驅踊具_到了充填體70%以上，充填體底部無明顯的“鍋底”狀離析形態(tài)；③根據現場測定結果，廢石尾砂比為5∶5料漿的流動坡面角基本保持在0.38～1.26°，廢石尾砂比為6∶4料漿的流動坡面角基本保持在0.55～1.19°，進路內充填下料點處有不太明顯的“錐堆”現象，表明料漿總體流動性很好，廢石—全尾砂高濃度料漿應屬高流態(tài)漿體[11-12].

5 結 論

廢石—全尾砂高濃度料漿泵壓管輸充填工藝是可行的，并且得到了長距離管道輸送和長距離進路自然流動試驗的證明，該項技術集中了高濃度充填和膏體充填的優(yōu)點，且成本低.廢石—全尾砂高濃度料漿具有良好的穩(wěn)定性、自然流動性和管輸特性，充填體的強度高.由于粗粒級廢石破碎集料的應用，有效降低了水泥用量.經礦山統(tǒng)計和類比估算，廢石—全尾砂高濃度料漿泵壓管輸充填成本約為86.48元/m3，是金川礦山現用的-5 mm棒磨砂高濃度自流充填成本的66.25%，是棒磨砂—分級尾砂膏體泵壓管輸充填成本的88%，成本優(yōu)勢非常明顯，推廣應用前景廣闊.

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High concentrated filling process of waste rock and total tailings

QIAO Deng-pan，YAO Wei-xin

(School of Land Resources,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Waste rock and tailings being the major industrial wastes of mine,the use of the waste rock and tailings to backfill has become a complicated project.This paper studies the technique of high-density backfill with waste rock and total tailings conveyed in pipelines.This technique characterizes high concentration and paste filling,which is a low cost filling technique for waste rocks.

backfill;total tailings;waste rock;high-density backfill

TD853.34

A

1674-9669（2011）06-0057-05

2011-10-28

國家自然科學基金項目（51164016）

喬登攀（1969－ ），男，教授，博導，主要從事現代采礦理論與工藝、礦山固體廢料充填技術研究，E－mail:qiaodengpan690821@126.com.