含硫尾礦應用于井下空區(qū)膠結(jié)充填的試驗與實踐

高建峰

（新橋礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244132）

1 概述

新橋礦業(yè)公司是一座以銅硫礦為主的露天地下聯(lián)合開采的大型礦山，采用兩步回采的分段空場嗣后充填采礦法［1］。礦山每年井下采礦形成的空區(qū)約26萬m3，充填26萬m3空區(qū)需采購江砂約24萬t，充填材料成本1 912萬元／a。同時新橋礦業(yè)公司從2013年開始走精品之路，開展為客戶創(chuàng)造附加效益的產(chǎn)業(yè)鏈，為了提高產(chǎn)品品質(zhì)，將原先含硫28%～32%的硫礦進行選硫作業(yè)，使精礦中的硫富集達到42%以上，新建選廠選硫處理能力為150萬t／a，年尾礦實物量約27.63萬t，但是面對這么大的尾礦量怎么辦？新建一座尾礦庫，既要花費一筆不菲的投資，又沒有合適的堆放地點，如能用尾礦替代江砂進行井下充填，其效益將是十分巨大的，為此該公司進行了全尾礦替代江砂充填試驗研究和應用，目前該公司已針對礦山采場實際完成全尾砂、粉煤灰、水泥膠結(jié)充填2萬多m3，取得了非常滿意的效果。

2 尾礦的物化性能

首先對所取尾礦樣進行了理化分析，其化學成分見表1；物理性能見表2。通過理化分析可以掌握其中的有害成分和尾礦的力學性質(zhì)。

2.1 化學成分

表1 尾礦的化學成分Table 1 The chemical composition of tailings／%

2.2 物理力學性質(zhì)

1）從表2中可以看出，含硫尾礦粒度組成較細，0.05mm以下顆粒占60%以上，滲透系數(shù)小，黏性很大，不利于充填體脫水和快速硬化，影響充填體的強度。

表2 尾礦的物理性能Table 2 The physical properties of tailings

2）尾礦的一個主要特征就是黏結(jié)性較大，經(jīng)壓濾機脫水后的尾礦常常黏結(jié)成餅狀，難以分散進入下料孔，并且進入攪拌桶后難以充分攪勻，室內(nèi)全尾礦漿體（質(zhì)量濃度70%）測定其黏度為2～3.5Pa·s。黏性較大的尾礦在堆放過程中隨著水分的逐漸揮發(fā)，在自重作用下容易結(jié)塊。

3）粒級組成較均勻：尾礦是均勻性黏土類，制漿時容易混合，便于管道輸送，充入采場后將有利于減少水泥的離析。

4）尾礦的另一個主要特點是含硫較高，殘留的硫會與水泥中的成分發(fā)生反應，生成膨脹性硫酸鹽晶體，降低充填體強度。

總體上看，含硫尾礦不是理想的充填骨料，但如果改變輸送工藝和解決膠結(jié)體膨脹的難題，仍可用來替代江砂作充填骨料［2］。

3 配比試驗（水泥全尾礦膠結(jié)充填）

因為粉煤灰具有較強的吸水能力，所以采取添加適量粉煤灰來改善膠結(jié)體的膨脹問題。為此采用在水泥、尾礦的混合體內(nèi)添加不同量粉煤灰，分別測定抗壓強度等指標確定最優(yōu)相互比例（見表3）。

表3 試驗結(jié)果Table 3 The experimental results

從表3可以看出，含硫尾礦添加粉煤灰后，其后期強度降低不明顯，表明粉煤灰確實能夠解決高硫尾礦膠結(jié)充填體易膨脹的難題［3］?？紤]到經(jīng)陶瓷過濾機脫水后的含硫尾礦易黏結(jié)成塊，影響輸送和攪拌效果，特別進行了低濃度試驗，即模擬通過濃密機濃縮后的礦漿（質(zhì)量濃度40%，可通過泵送入充填站攪拌桶內(nèi)），直接添加水泥和粉煤灰，濃度為53%時的試塊，但結(jié)果表明強度達不到要求，而且大幅度增加井下脫水量和水泥流失量，不符合要求［4］。根據(jù)試驗結(jié)果決定采用水泥∶粉煤灰∶尾礦之比為1∶2∶6，質(zhì)量濃度為70%的配比參數(shù)作為生產(chǎn)中的實際數(shù)據(jù)。粉煤灰是具有一定活性的火山灰質(zhì)材料，其化學成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和未燃盡的炭粒，作為混凝土中的摻合料已被很多工程實踐證明：添加粉煤灰不僅可以節(jié)約水泥，降低成本，而且能夠改善混凝土性能，提高其后期強度，增加混凝土的密實性和抗?jié)B性，提高其彈性模量和減少壓縮，因此也同樣可用于礦山充填，能夠改善管道輸送漿體的流動性和充填固料的懸浮性能，有效提高充填體后期強度，降低水泥單耗和充填成本。

4 充填實踐與分析

在試驗取得成功的基礎上，由長沙有色冶金設計研究院進行改造設計，礦業(yè)公司投資2 000多萬元進行充填站建設。設計采用的流程為選硫尾礦經(jīng)濃密機濃縮后由渣漿泵排至充填站立式砂倉內(nèi)；同時向砂倉內(nèi)加入絮凝劑以加速尾砂沉降，上部清水可用潛水泵抽出；對采場進行膠結(jié)充填時，將砂倉內(nèi)尾砂放入攪拌桶內(nèi)，同時按配比要求加入固結(jié)料（水泥、粉煤灰），充分攪拌后經(jīng)充填管道下放至采空區(qū)。

整個充填站按設計要求建成后，2013年9月，在選礦廠選硫設計、改造、試生產(chǎn)正常后［5］，礦業(yè)公司組織相關(guān)部門對井下空區(qū)E103＃、W205＃采場進行了試充填。由于本次充填是礦柱充填，為確保質(zhì)量，調(diào)整充填物料質(zhì)量比為水泥∶全尾砂（干量）＝1∶4，充填料漿質(zhì)量濃度為70%，立式尾砂倉出料濃度大于等于60%，攪拌桶液位控制在2m高度，充填輸送能力設為100m3／h。在充填正常1h后制作兩組0.7m×0.7m×0.7m的標準三聯(lián)模塊，進行抗壓試驗，結(jié)果顯示抗壓強度達1.3～3.2MPa。礦柱充填經(jīng)脫水養(yǎng)護后，充填體強度較好，工人可在上面行走，效果見圖1。但也發(fā)現(xiàn)存在干縮開裂的問題，見圖2。局部地方強度不足，工人在上面行走有下陷現(xiàn)象，見圖3。

圖1 充填效果Fig.1 The filling effect

圖2 微小裂縫Fig.2 Tiny cracks

圖3 下陷現(xiàn)象Fig.3 Subsidence phenomenon

對此，我們經(jīng)過技術(shù)分析認為充填體干縮開裂及強度不足的原因應為：1）選礦廠濃密機底流濃度較低，有時未能達到40%；2）充填現(xiàn)場儀表的測定尤其是自動配比測定的精度和時間的及時性不足；3）干縮開裂的原因是未加粉煤灰，致使水分流失較快；4）更重要的是尾礦含細泥較多，沒有進行脫泥分級，使得骨料相對不足引起強度下降。

在充分汲取經(jīng)驗的基礎上，通過試驗不斷完善配比，來指導今后的充填工作，在實際充填中對參數(shù)作進一步調(diào)整，可將充填料的質(zhì)量比例調(diào)整為水泥∶粉煤灰∶全尾砂＝1∶2∶6。充分發(fā)揮粉煤灰在改造殘留硫元素中的作用。

通過試驗和實踐證明，經(jīng)過粉煤灰改性后的全尾礦是能夠取代江砂進行膠結(jié)充填的。這對新橋礦業(yè)公司的意義是巨大的，因為該公司的礦體特點是緩傾斜中厚難采礦體，采用的是上向水平分層充填采礦法，大面積充填體條件下要做到安全、均衡、高效連續(xù)開采是非常困難的，解決這一難題的首要因素就是充填體的質(zhì)量，該礦充填系統(tǒng)也曾經(jīng)歷多次改造，從塊石充填、尾砂充填、高水材料充填［5］，到添加粉煤灰的尾礦充填，再到江砂膠結(jié)充填［6］等等，走了不少彎路，雖然添加粉煤灰的尾礦充填曾經(jīng)也試驗過，但沒有獲得成功，更沒有大規(guī)模應用于生產(chǎn)實踐。而現(xiàn)在則不同，自己的選硫裝置已經(jīng)開機生產(chǎn)，自產(chǎn)尾礦量較大，試驗和實踐表明了充填體質(zhì)量是可靠的，能夠大規(guī)模地應用于生產(chǎn)，這不但可以解決尾礦堆放問題，還可以取代江砂可謂一舉多得。

本次試驗與實踐的最大特點不是以尾礦替代江砂，而是含硫達8%的尾礦經(jīng)粉煤灰改性后，中和了酸性和改善了充填體后期強度，這也可以說是本次研究的核心技術(shù)突破，具有一定的自主原創(chuàng)性。

5 經(jīng)濟效益分析

按井下90萬t／a的生產(chǎn)能力計算，每年需要充填的空場為26.8萬m3，按上述比例進行全尾礦充填，需混合固體物料36.019萬t，其中水泥4.002萬t，粉煤灰8.004萬t，尾礦24.012萬t。以散裝水泥250元／t、粉煤灰60元／t、尾礦運輸8元／t計算，則充填成本為1 672.836萬元／a，比江砂作骨料充填要節(jié)約成本240.12萬元／a（江砂按18元／t計）。在對現(xiàn)有充填站進行改造后即可投入生產(chǎn)，既解決了尾礦堆存問題，又節(jié)約了成本，為創(chuàng)造綠色礦山做出實實在在的貢獻。

［1］ 王湘桂，唐開元 .礦山充填采礦法綜述［J］.礦業(yè)快報，2008（12）：18.

［2］ 中南大學，新橋礦業(yè)公司.新橋礦業(yè)有限公司選廠改造尾礦處理方案優(yōu)化研究［R］.2010.

［3］ 長沙有色冶金設計研究院 .銅陵化工集團新橋礦業(yè)有限公司全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)方案設計［R］.長沙，2010.

［4］ 中南大學，新橋礦業(yè)公司 .大面積充填體下緩傾斜中厚難采礦體安全、均衡、高效開采工藝技術(shù)研究［R］.2012.

［5］ 孫恒虎，劉文永，楊寶貴，等 .充填采礦新模式——高水固結(jié)充填采礦法［J］.有色金屬（礦山部分），1996，48（3）：7－8.

［6］ 趙 勇，張 花，張兆林，等 .上向分層膠結(jié)充填采礦法在侯莊礦區(qū)的應用［J］.山東冶金，2006（3）：37.