大流量連續(xù)膠結(jié)充填技術(shù)研究與應(yīng)用

仵鋒鋒，王 選，姚中亮，陳映儒

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410012；2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410012；4.福建馬坑礦業(yè)股份有限公司，福建 龍巖 364021)

礦產(chǎn)資源是不可再生資源，其又對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，因此，作為礦業(yè)生產(chǎn)和研究工作者，盡可能多地回收井下礦石資源是我們義不容辭的責(zé)任和義務(wù)[1-3]。之前很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我國(guó)礦山開(kāi)采的采礦方法主要以空?qǐng)龇ê捅缆浞橹鳎浠夭沙杀镜汀⑸a(chǎn)效率高，但是損失率、貧化率卻非常高[4-6]。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，國(guó)家對(duì)于安全和環(huán)保的要求越來(lái)越高，對(duì)于礦產(chǎn)資源開(kāi)采回收率和貧化率的控制也越來(lái)越嚴(yán)格，充填采礦法因?yàn)榫哂锌刂频乇硭?、改善礦區(qū)環(huán)境、降低礦石損失率和貧化率、提高資源綜合利用率、控制采場(chǎng)地壓、改善井下作業(yè)條件、大幅度減少尾砂堆存、延長(zhǎng)尾礦庫(kù)服務(wù)年限等突出優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的低價(jià)值地下開(kāi)采礦山也選擇采用充填采礦法[7-9]。

馬坑鐵礦是國(guó)內(nèi)著名的特大型磁鐵礦床之一，探明鐵礦石地質(zhì)儲(chǔ)量4.34億t，平均含鐵品位37.99%，共、伴生有鉬礦資源，主產(chǎn)品為鐵精礦和鉬精礦，目前已具備年產(chǎn)500萬(wàn)t的生產(chǎn)能力。馬坑鐵礦原設(shè)計(jì)采用崩落法開(kāi)采，但為了保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境和井下開(kāi)采壞境、控制地壓、減少尾礦排放等，將采礦方法由崩落法轉(zhuǎn)為充填法，以階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法為主，并由長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司與福建馬坑礦業(yè)股份有限公司合作開(kāi)展馬坑鐵礦充填技術(shù)研究和充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作[10-16]。

1 充填材料試驗(yàn)研究

為了給充填系統(tǒng)總體規(guī)劃及運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，2013年對(duì)馬坑鐵礦選廠全尾砂進(jìn)行了取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了充填材料試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)確定充填材料的主要物理力學(xué)性能、化學(xué)成分、輸送特性及充填體力學(xué)性能等方面的參數(shù)。

1.1 全尾砂粒度試驗(yàn)研究

采用MASTERSIZER 2000型激光衍射粒度分析儀測(cè)定全尾砂粒度分布，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 尾砂粒度試驗(yàn)結(jié)果

1.2 全尾砂基本物理、化學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究

尾砂的基本物理參數(shù)包括比重、容重、孔隙率、自然安息角等。物化參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 全尾砂物理參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 全尾砂化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of chemical composition of total tailings

1.3 全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)研究

為了掌握充填料漿流動(dòng)性、并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定料漿的黏聚性和保水性，進(jìn)行了全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果

1.4 全尾砂—水泥強(qiáng)度配比試驗(yàn)研究

強(qiáng)度配比試驗(yàn)所用集料為馬坑鐵礦選廠全尾砂，膠結(jié)劑為長(zhǎng)沙市坪塘水泥廠生產(chǎn)的P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，制作試塊用水為長(zhǎng)沙自來(lái)水。試塊各齡期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 全尾砂—水泥強(qiáng)度配比試驗(yàn)結(jié)果

1.5 全尾砂料漿流變參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)研究

為了研究確定馬坑鐵礦充填料漿的輸送性能指標(biāo)，為充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)，于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了全尾砂充填料漿的自流輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 全尾砂充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

不同濃度全尾砂料漿的流變參數(shù)和不同流量及管徑時(shí)充填料漿流動(dòng)阻力如表7、表8所示。

表7 不同濃度全尾砂料漿的流變參數(shù)

表8 不同流量及管徑時(shí)充填料漿流動(dòng)阻力

1.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)全尾砂平均粒徑d平均=145.844 μm，相對(duì)于其他礦山而言，尾砂平均粒徑較粗，但-20 μm細(xì)顆粒含量為32.11%，可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)流輸送要求。

2)各配比的試塊凝結(jié)硬化性能正常，強(qiáng)度較好，可以滿(mǎn)足采礦方法對(duì)充填質(zhì)量的要求。

3)通過(guò)坍落度和輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，尾砂料漿濃度為72%～74%的尾砂充填料漿流動(dòng)性較好，當(dāng)充填倍線為4～6時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自流輸送。

2 充填系統(tǒng)方案研究

2.1 充填工藝流程

馬坑鐵礦充填工藝流程為：選廠全尾砂經(jīng)普通濃密機(jī)濃密后，其底流濃度約25%，然后經(jīng)隔膜泵一段泵送至位于充填站直徑20 m的高效深錐濃密機(jī)中進(jìn)行濃密，68%左右的濃密機(jī)底流經(jīng)過(guò)管道放砂至攪拌機(jī)中，同時(shí)作為膠凝材料的水泥通過(guò)安裝于水泥倉(cāng)底部的雙管螺旋給料機(jī)和螺旋電子秤給料計(jì)量后也進(jìn)入攪拌機(jī)中，混合后的尾砂漿和水泥經(jīng)過(guò)兩道攪拌機(jī)攪拌，制備成呈結(jié)構(gòu)流性態(tài)的充填料漿，然后通過(guò)充填鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至井下各采空區(qū)進(jìn)行充填。

2.2 充填系統(tǒng)能力確定

馬坑鐵礦采礦和選礦工作制度為330 d/a，考慮到礦山采礦方法、充填方式以及尾礦情況，充填系統(tǒng)按照330 d/a、2班/d、8 h/班的工作制度，充填能力計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 充填能力計(jì)算

按表9計(jì)算結(jié)果，充填站設(shè)3套可獨(dú)立運(yùn)行的充填系統(tǒng)，即可滿(mǎn)足馬坑鐵礦整體充填能力要求。每天兩套平行作業(yè)，單套充填系統(tǒng)料漿制備輸送能力150～180 m3/h，每天充填2班，每班14 h。

2.3 充填系統(tǒng)工藝參數(shù)

綜合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和充填能力計(jì)算結(jié)果，可確定充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)為：

單套系統(tǒng)料漿流量： 150～180 m3/h；

充填料漿濃度： 68%～72%；

灰砂比： 1∶3～1∶20；

自流輸送倍線： 4～6，最大7。

3 充填系統(tǒng)建設(shè)

馬坑鐵礦充填站位于礦體上盤(pán)小娘坑溝東面的小山包上，地坪標(biāo)高575 m。根據(jù)充填系統(tǒng)工藝流程，充填料漿制備由尾砂濃密、全尾砂存儲(chǔ)造漿放砂、水泥給料計(jì)量、調(diào)濃水供水線、充填料漿攪拌制備、系統(tǒng)自動(dòng)控制等工藝過(guò)程組成。充填系統(tǒng)主要設(shè)施有：1臺(tái)直徑20 m的高效深錐濃密機(jī)，1個(gè)有效容積為800 m3的臥式砂池，3個(gè)直徑8 m、有效容積430 m3的水泥倉(cāng)，3套水泥給料計(jì)量系統(tǒng)，3套攪拌制備系統(tǒng)，6個(gè)充填鉆孔，1個(gè)空壓機(jī)站，配套配電室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室及儀表操作室，具有完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)。馬坑鐵礦充填站于2019年6月建成，如圖1所示。

圖1 馬坑鐵礦充填站Fig.1 The filling station of Makeng iron mine

4 充填系統(tǒng)調(diào)試及工業(yè)試驗(yàn)

4.1 充填系統(tǒng)調(diào)試

馬坑鐵礦充填站2019年6月建成后，先后進(jìn)行了單機(jī)空載調(diào)試、聯(lián)機(jī)空載調(diào)試、帶水聯(lián)機(jī)調(diào)試，在此基礎(chǔ)上，于2019年7月12日至2019年7月16日進(jìn)行重載聯(lián)機(jī)調(diào)試。重載調(diào)試前期因?yàn)槌涮钕到y(tǒng)新投入使用，設(shè)備及設(shè)施故障較多，因此充填連續(xù)性較低，但是經(jīng)過(guò)多次調(diào)試試運(yùn)行，充填系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行效率大大提高，調(diào)試結(jié)束時(shí)充填系統(tǒng)已可正常生產(chǎn)。重載調(diào)試期間，每天充填一班，充填系統(tǒng)凈運(yùn)行時(shí)間22 h，制備輸送充填料漿總量近3 000 m3。

4.2 工業(yè)試驗(yàn)

在充填系統(tǒng)調(diào)試順利結(jié)束，試驗(yàn)采場(chǎng)準(zhǔn)備好后，于2019年8月3日起進(jìn)行試驗(yàn)采場(chǎng)充填工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)采場(chǎng)為中區(qū)下盤(pán)175-13#淺孔采場(chǎng)和西區(qū)100-8#中孔采場(chǎng)。中區(qū)下盤(pán)175-13#采場(chǎng)計(jì)劃充填總量0.9～1.0萬(wàn)m3；西區(qū)100-8#采場(chǎng)空區(qū)高度35 m，空區(qū)總體積為6.54萬(wàn)m3，空區(qū)內(nèi)殘礦約1萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)充填方量約5.54萬(wàn)m3。充填統(tǒng)計(jì)如表10、表11所示。

表10 175-13采場(chǎng)充填工業(yè)試驗(yàn)記錄表

表11 100-8采場(chǎng)充填工業(yè)試驗(yàn)記錄表

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)，2019年8月3日起至2019年9月5日采場(chǎng)充滿(mǎn)結(jié)束，馬坑鐵礦充填系統(tǒng)共制備輸送充填料漿總量7.1萬(wàn)m3，單套充填系統(tǒng)最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)125 h，充填料漿制備能力、灰砂比均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。充填料漿濃度在65%～66%，與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)有一定的差距，究其原因，與2018年馬坑鐵礦選礦工藝變化后尾砂變細(xì)有關(guān)。但是充填料漿濃度在65%～66%時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了結(jié)構(gòu)流的性態(tài)，不離析、幾乎不脫水，泌水率小于2%，且能連續(xù)充填至采場(chǎng)，因此該濃度雖然較設(shè)計(jì)濃度低，但是對(duì)于馬坑鐵礦目前的尾砂性質(zhì)而言，是比較合理的充填濃度。充填料漿性態(tài)如圖2所示，井下充填體如圖3所示。綜上所述，馬坑鐵礦充填系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)圓滿(mǎn)完成任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了要求。

圖2 濃度65%時(shí)的充填料漿流態(tài)Fig.2 Flow pattern of filling slurry at 65% concentration

圖3 井下充填體Fig.3 Underground filling body

5 結(jié)論

馬坑鐵礦充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的全尾砂結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填工藝，是福建省充填能力最大的充填系統(tǒng)，年充填能力達(dá)147萬(wàn)m3，滿(mǎn)足馬坑鐵礦年生產(chǎn)能力500萬(wàn)t的空區(qū)充填要求。

1)采用全尾砂做充填集料，能夠滿(mǎn)足充填工藝和采礦方法的要求，選廠生產(chǎn)尾砂全部用于井下充填，大大減少了尾礦庫(kù)壓力。

2)充填系統(tǒng)工藝流暢，充填料漿能夠順利制備并輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填，充填流量可達(dá)180 m3/h、灰砂比1∶3～1∶20可調(diào)，充填料漿達(dá)到了結(jié)構(gòu)流的性態(tài)，不離析、幾乎不脫水，泌水率小于2%，且能連續(xù)充填至采場(chǎng)。

3)馬坑鐵礦充填系統(tǒng)順利投入使用，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)、資源回收和綠色礦山建設(shè)提供了有力支撐。