全尾砂充填技術在東際金礦采空區(qū)治理中的運用

李廣華，鮑軍濤，王琳青

（福建省政和縣源鑫礦業(yè)有限公司，福建 南平 353600）

礦山采用地下開采方式，斜坡道、豎井聯合開拓，初期為空場法、淺孔留礦法采礦，后期技術改進，現為上向水平機械化分層充填法采礦，選礦方法為一般浮選法。主要產品有金精礦（含鉛、鋅）、銀精礦（含鉛、鋅）。礦山現有采空區(qū)約16萬m3，在用尾礦庫于2004年6月投入使用，目前尾礦庫庫容已達到峰值，尾砂主要靠車輛運輸至指定堆場進行外排[1]。為消除采空區(qū)安全隱患，回收高品位礦柱，同時減少尾礦外運費用，減少地表土地資源占用，打造新型綠色礦山[2]。

1 礦山面臨的大量采空區(qū)處理，高品位礦柱回收及尾砂排放等問題

公司最早使用的采礦方法主要是淺孔留礦法及空場法采礦，截止2014年底，經過近10年的開采，采出礦石量約68萬t，形成空區(qū)約16萬m3，并且空區(qū)存留大量的高品位礦柱（10g/t，局部50g/t～100g/t）具有很高的經濟價值，由于工藝、技術的落后[3]。不能及時回采，對國家資源造成嚴重浪費。采空區(qū)治理采用加水泥膠結和不加水泥非膠結兩種料漿進行充填?；厥蘸?，采用1：4配比進行充填；當僅需回填采空區(qū)不回采礦柱時，采用不添加水泥的非膠結料漿進行充填。

2 全尾砂充填工藝技術及參數研究分析

根據空區(qū)情況，擬用本礦選廠浮選全尾砂對I#礦體采空區(qū)進行尾砂充填治理。全尾砂充填要求最大限度地利用堆存尾砂，做到技術先進適用、工藝流程簡潔、施工及充填(過程)安全可靠、操作管理方便、投資經濟合理[4-7]。

2.1 尾砂物理性質分析

全尾砂的物理特性，尤其是粒徑組成對充填體的力學性質有決定性影響。測試試樣為源鑫礦業(yè)旋流分級沉砂、旋流分級溢流細尾砂、壓濾全尾砂和全尾砂，測試方法為水篩篩分法，如圖1所示。水篩篩分法由100目、200目、325目、400目篩網組成，實驗前將待測尾砂在鼓風干燥箱中干燥至恒重，每次取樣500g，采用水洗的方法對尾砂過100目～400目篩，實驗過程嚴禁對篩網震動等其他施加外力的方式加快過篩，每一級篩網必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的尾砂收集分類、干燥，計算收率，結果見表1～表4。

表1 旋流分級沉砂粒級分布測試結果

表2 旋流分級溢流細尾砂粒級分布測試結果

表3 壓濾全尾砂粒級分布測試結果

表5 全尾砂動態(tài)濃密試驗結果

表6 不同濃度全尾砂對應的屈服應力

表4 全尾砂粒級分布測試結果

2.2 尾砂動態(tài)濃密沉降試驗

2.2.1 樣品分析及預處理

給料礦漿以及每次得到的底流固體樣品，經過抽濾，水洗，烘干后，記錄相關數據再進行濃度分析。溢流樣固體含量分析首先用真空過濾裝置過濾溢流樣，同樣經水洗烘干再進行固含量分析。

2.2.2 動態(tài)濃密沉降試驗裝置

動態(tài)試驗采用4個蠕動泵，分別用于泵送稀釋水、絮凝劑、尾砂礦樣進入濃密試驗裝置的給料系統中，從試驗裝置底部泵出底流礦樣。

稀釋水采用自來水；絮凝劑通過兩個不同的給藥點添加，添加量由靜態(tài)試驗所得數據為參考；配成質量濃度為6.5%（全尾砂）或4.5%（旋流分級溢流細尾砂）的礦漿，然后置入100L的桶內用電動攪拌機充分攪拌均勻，最后泵入管道。

通過計算調整蠕動泵轉速，使絮凝劑、尾礦礦樣達到靜態(tài)試驗的最佳添加比并模擬不同情況下的濃密試驗結果。當泥層高度為120mm時開始取樣測溢流水，當泥層高度為240mm時開始取樣測底流濃度。

2.2.3 流變測試

所有流變特性的測試均采用賽默飛世爾公司生產的VT550型哈克流變儀，傳感器采用FL星形轉子，如圖3所示。

采用恒剪切的方法對底流樣品進行屈服應力測定，記錄剪切應力對時間的曲線并分析，其中曲線峰值為最大屈服應力，剪切速率采用0.07S-1的常量，對應轉速分別為0.235 r/min，與濃密機耙架轉速接近，確保數據的準確。

2.3 全尾砂動態(tài)試驗結果及分析

動態(tài)濃密沉降試驗主要研究全尾砂在6.5%左右的給料濃度下，不同給料速度對溢流水澄清度以及底流濃度的影響，試驗結果見表5。

圖1 動態(tài)濃密底流礦漿泌水率的測定

分析圖1可知，當底流濃度由48.03%提高至54.64%時，泌水率由6.87%降至2.86%。即，全尾砂底流礦漿的泌水率隨底流濃度的提高而降低。

圖2 全尾砂底流礦漿濃度與壓縮時間的關系曲線

底流礦漿濃度隨壓縮時間的延長而逐漸增大，但增大到一個極限濃度時，會達到一個穩(wěn)定值，不會繼續(xù)增大。底流礦漿濃度與壓縮時間的關系如圖2所示。

由圖2可知，初始底流濃度為54.64%的全尾砂礦漿壓縮16h后濃度達到57.5%，之后逐漸趨于穩(wěn)定。繼續(xù)壓縮至24h后，底流濃度為57.8%，達到一個穩(wěn)定值。做質量濃度為57.8%底流砂漿的擴散度試驗，該質量濃度砂漿的擴展度僅10.4cm，泌水率為1.79%。

用哈克VT550型流變儀做不同質量濃度全尾砂漿的流變試驗，測試方法為：控制形變模式（CD），剪切速率0.07S-1，轉子為FL10，室溫。試驗結果見表6，不同底流濃度與屈服應力之間的關系如圖3所示。

表7 旋流分級溢流細尾砂配比試驗結果

表8 全尾砂配比試驗結果

圖3 不同底流濃度與屈服應力的關系

膏體的屈服應力范圍是大于（200±25）Pa。由圖3可得，當底流濃度超過59%時，全尾砂漿逐漸轉變?yōu)楦囿w。分析動態(tài)試驗結果可以看出：

（1）當給料速度由0.21t/m2·h增加到0.78t/m2·h時，溢流水固含量從114ppm增加到378ppm。造成這種現象的主要原因是，隨著進料速度加快，尾砂顆粒發(fā)生絮凝反應的時間縮短，絮凝反應不徹底；

（2）給料速度為0.21t/m2·h～0.78t/m2·h時，底流濃度為48.03%～54.64%，給料速度不高于0.63t/m2·h時，溢流水固含量均小于300ppm；溢流水上升速度由9.51 m/h增大至17.08 m/h，溢流水上升速度隨給料速度的加快而增大；

（3）推薦的給料速度為0.21t/m2·h～0.51 t/m2·h，此條件下底流濃度為49.76%以上，溢流水的固含量為300 ppm以內；

（4）當底流濃度由48.03%提高至54.64%，泌水率由6.87%降至2.86%。即，全尾砂底流礦漿的泌水率隨底流濃度的提高而降低；

（5）初始底流濃度為54.64%的全尾砂礦漿壓縮16h后，濃度達到57.5%，隨著底流壓縮時間的延長，全尾砂底流礦漿的濃度逐步提高。繼續(xù)壓縮至24h后，底流濃度為57.8%，達到一個穩(wěn)定值；

（6）流變試驗結果顯示當底流濃度超過59%時，全尾礦漿逐漸轉變?yōu)楦囿w。

2.4 充填材料配比試驗

配比試驗的目的是測定不同配比組合下膠結試塊的固結特性、強度指標等，以檢測充填體是否滿足回采強度和相關工藝要求，據此確定適合源鑫礦尾砂特性的最優(yōu)充填配比，并為充填系統方案設計提供依據。

充填材料配比試驗結果：

根據全尾砂及旋流分級溢流細尾砂動態(tài)濃密絮凝沉降試驗的結果，選取適當的質量濃度和灰砂比進行膠結配比試驗，測定了7d齡期的單軸抗壓強度，并分別計算出單位充填料漿的水泥用量。全尾砂及旋流分級溢流細尾砂試驗結果分別見表7和表8。

由于時間關系，暫未測定28d標準齡期和60d～90d長期充填體強度，但根據大量充填試驗結果，7d充填體強度一般可達到最終強度的50%左右，28d充填體強度也可達到最終強度的80%左右。

塌落度試驗是測定充填料漿拌和物的稠度大小、評價充填料漿變形性能或抵抗流動變形性能的試驗方法。不同旋流分級溢流細尾砂及全尾砂料漿的塌落度值見表7和表8。

充填料漿是否達到膏體是由料漿的屈服應力和塌落度決定的，不是由質量濃度決定的。膏體料漿的屈服應力應大于200（±25）Pa，全尾砂漿質量濃度為60.2%時屈服應力達192.14Pa，旋流分級溢流細尾砂質量濃度為54.8%時屈服應力達172.6Pa。膏體料漿的塌落度范圍是15cm～25cm，全尾砂料漿質量濃度為61%灰砂比為1∶6時的塌落度為24.1cm，旋流分級溢流細尾砂料漿質量濃度為54%灰砂比為1∶6時的塌落度為24.7cm。因此，全尾砂料漿質量濃度為60%左右時達到膏體，旋流分級溢流細尾砂料漿質量濃度為54%左右時達到膏體。充填料漿的質量濃度由充填骨料的粒級組成決定。當充填骨料的中值粒徑較大時，可以配置出質量濃度達75%～82%的高濃度料漿，隨著中值粒徑的逐漸降低，配置出的料漿的質量濃度將會降低。源鑫礦業(yè)全尾砂小于0.074mm的顆粒所占比例達79.74%，旋流分級溢流細尾砂小于0.074mm的顆粒所占比例高達96.13%，難以配制出高質量濃度的料漿。

2.5 充填系統工藝流程

經旋流器分級后的約23%濃度的細粒級尾砂輸送至充填站內的深錐濃密機中，通過添加絮凝劑進行絮凝沉降，溢流水直接返回選廠使用，深錐濃密機底流濃度達到58%±2（全尾砂）或52%±2（旋流分級溢流細尾砂）后，經底流循環(huán)輸送系統輸送至Φ2000×h2100攪拌桶，與來自水泥倉的水泥進行強力攪拌，形成合乎質量的高濃度充填料漿，通過輸送泵經管道輸送至待充采空。

3 全尾砂充填工藝帶來的經濟效益和環(huán)境效益

3.1 改善、提高生態(tài)環(huán)境質量的內在需要

在當代中國，礦產資源發(fā)展面臨來自兩方面的巨大壓力。一是國民經濟持續(xù)、快速增長要求礦業(yè)提供更多的礦產資源；二是礦山開發(fā)過程中環(huán)境保護的任務越來越重。源鑫礦業(yè)尾礦庫和干堆庫已經飽和，尾砂排放問題已成為制約礦山產能穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸問題。采用全尾砂充填后，能將絕大部分、乃至全部尾砂回填采空區(qū)，從而實現地表尾砂最大程度地減量排放甚至零排放，改善地表環(huán)境，扎實推進節(jié)能降耗、節(jié)能減排工作。推進“無廢開采”，強化“三廢利用”。繼續(xù)加大尾砂利用工藝水平，以減少尾砂的運輸、堆積費用。減少尾砂排放，實現國家“綠色礦業(yè)”的戰(zhàn)略目標，達到環(huán)境保護的目的，是實現環(huán)境、資源和諧發(fā)展的內在需求。

3.2 節(jié)約土地資源

源鑫礦業(yè)深部尚有資源儲量約150萬t，礦石體重為2.76t/m3，礦石體積約54.35萬m3，按礦石的松散系數為k=1.5計，深部空區(qū)體積為36.23萬m3。目前遺留空區(qū)有約70萬m3，按充滿率70%計算，需砂量為49萬m3。2009年9月底至2012年6月底采出礦石的平均回采率89.9%，貧化率11.3%，按此平均回采率和貧化率計算，則150萬t資源可采出150×89.9%×（1+11.3%）=150.09萬t礦石，按全尾砂產出率90%計算，則選廠產出尾砂量為135.08萬t，尾砂體重為2.658t/m3，則尾砂體積為50.82萬m3。全尾礦經分級后50%左右粗顆粒尾砂利用現有分級尾砂充填系統充填到井下，剩余的約50%的尾砂利用新分級溢流尾砂高濃度充填系統進行采空區(qū)充填，則用于采空區(qū)充填的尾砂約為25.41萬m3。該尾砂體積小于現存采空區(qū)體積，可以滿足采空區(qū)充填的需要。按分級溢流尾砂產出量500t/d計算，則年處理尾砂量為16.5萬t，處理尾砂體積6.21萬m3。25.41萬m3的尾砂可以絕大部分用于井下充填。有了全尾砂充填到井下則可以取消建設150萬方的尾礦干堆庫，因此，全尾砂充填采空區(qū)可以極大地解決尾礦庫占地帶來的土地資源浪費的問題。

綜上所述，建設經濟合理、技術先進的充填系統，是維護社會穩(wěn)定的需要，也是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提高經濟效益的有效途徑，更是國家建設綠色礦山的戰(zhàn)略要求。

4 結語

本文圍繞福建源鑫礦業(yè)東際金礦全尾砂充填系統，全尾砂濃密脫水技術、濃密機底流尾砂高濃度穩(wěn)定輸出、強制多維湍涌機械高能攪拌技術、高可靠性管道輸送技術，形成全尾砂高濃度充填創(chuàng)新平臺；研發(fā)礦巖穩(wěn)定性分析系統，新型錨桿支護技術，新型采場結構與回采順序，全盤無軌機械化配套作業(yè)機制，結合采空區(qū)原態(tài)恢復治理充填技術，建立涵蓋區(qū)域、礦種、規(guī)模的綠色開采模式；形成無廢高效綠色采礦、固體廢物利用與處置的福建源鑫全尾砂高濃度示范礦山，推動綠色礦山全面發(fā)展。