謙比希銅礦東南礦體大流量膏體自流充填技術(shù)及應(yīng)用*

張兵，王勇，吳愛祥，胡國斌，王洪江，王貽明，鄭學(xué)敏

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

謙比希銅礦東南礦體是中色非洲礦業(yè)有限公司開采的三大礦體之一，礦山于 2018年投產(chǎn)。該礦床埋藏較深，埋深在445 m～1230 m之間，礦體呈舒緩波狀，平面投影呈不規(guī)則條帶狀。N1礦體賦存在一套淺變質(zhì)的泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖中，呈層狀產(chǎn)出[1]。礦體走向北西，傾向北東，沿走向長2700 m，沿傾向?qū)?69 m～1237 m，延伸較穩(wěn)定。礦體厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m。傾角5°～20°，局部有變化[2]。

N1工業(yè)礦體總體上看是南高北低，南部礦體傾角較陡，北部傾角較緩，南薄北厚，西薄東厚，以880 mL為界分為南北2個(gè)采區(qū)。北采區(qū)首先探采1080 mL至980 mL之間的礦體，該處礦體的控制程度較高，厚度大，礦體傾角?。▋A角0～10°），品位高，估算資源量約為1330萬t，運(yùn)輸水平設(shè)在1100 mL和1000 mL。南采區(qū)首采地段為780 mL至880 mL的礦體。該部分礦體厚度較大，品位高，資源量約1220萬t，運(yùn)輸水平設(shè)在900 mL和800 mL。

礦體屬薄至中厚緩傾斜礦體，礦體底板以下的基底巖石和長石石英巖地層穩(wěn)固性良好。礦體本身穩(wěn)固性中等，礦體頂板巖石穩(wěn)固性較差，礦石銅品位較高[3]。礦山建設(shè)規(guī)模為10 000 t/d，根據(jù)開采工程技術(shù)條件和礦體賦存情況，設(shè)計(jì)以預(yù)切頂下向中深孔分條空?qǐng)龇?、分條進(jìn)路充填法和房柱采礦法為主，礦山采用智能機(jī)械化采礦作業(yè)。

為保證東南礦體采礦作業(yè)安全，降低圍巖遇水泥化危害影響，實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效采礦[4]，該礦于2015年6月開始啟動(dòng)膏體充填系統(tǒng)建設(shè)工作，經(jīng)歷基礎(chǔ)條件試驗(yàn)、初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建設(shè)、單機(jī)運(yùn)行、聯(lián)動(dòng)試車等多個(gè)階段，于2019年 12月系統(tǒng)成功投入使用，建成的謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)如圖1所示。本文從充填工藝、關(guān)鍵技術(shù)、工業(yè)試驗(yàn)情況等方面對(duì)謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)進(jìn)行介紹，為同類礦山膏體充填技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 膏體充填工藝

謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝最大的特點(diǎn)就是兼顧井下充填和地表高濃度排尾，建成了全新的全尾砂膏體充填系統(tǒng)和尾砂排放系統(tǒng)。該膏體充填系統(tǒng)以全尾砂為主，選廠全部尾砂由渣漿泵輸送到膏體充填制備站的2臺(tái)濃密機(jī)。濃密機(jī)的直徑為18 m、總高16.6 m、錐角30°，每臺(tái)濃密機(jī)的處理能力為5000 t/d，最大底流流量165 m3/h，最大底流濃度72%。水泥倉采用2套容積832 m3的矩形斷面、錐形底部結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存?zhèn)}，計(jì)量采用微粉稱。濃密機(jī)制備的高濃度尾砂由底流泵輸送進(jìn)入攪拌機(jī)與水泥混合，制成全尾砂膠結(jié)膏體充填料，然后采用內(nèi)徑 175 mm的管道自流輸送到采場進(jìn)行充填。多余的高濃度尾砂由3套隔膜泵（2用1備）通過管道輸送到尾礦庫，輸送距離約15 km，每臺(tái)隔膜泵輸送能力265 m3/h，輸送壓力7 MPa。整個(gè)工藝通過中控室遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，流量和濃度關(guān)鍵參數(shù)測量采用核密度計(jì)和聲吶流量計(jì)。

圖1 謙比希東南礦體膏體充填系統(tǒng)外觀

謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝流程如圖2所示。

圖2 謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝流程

2 膏體充填關(guān)鍵技術(shù)

中色非洲礦業(yè)有限公司是我國企業(yè)“走出去”的成功典范，謙比希銅礦東南礦體大流量膏體充填系統(tǒng)成功應(yīng)用是我國膏體技術(shù)“走出國門”的又一次突破。本系統(tǒng)的成功應(yīng)用，是基于多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的突破，主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術(shù)

尾礦是礦山生產(chǎn)排棄量最大的固廢之一，全尾砂膏體充填可以最大限度的利用全尾砂[5]，但即使這樣，礦山依然會(huì)產(chǎn)生多余尾礦，如若直接堆存地表，會(huì)造成生態(tài)破壞和安全隱患[6]。為此，需要對(duì)現(xiàn)有膏體充填系統(tǒng)高效利用，使得深錐濃密機(jī)發(fā)揮井下充填和地表排尾的雙重功效。目前基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置工藝在國內(nèi)外應(yīng)用很少，謙比希東南礦體通過攻克深錐大范圍底流濃度（55%～72%）快速柔性調(diào)控技術(shù)、開發(fā)大流量勻質(zhì)供料自稀釋進(jìn)料系統(tǒng)、構(gòu)建壓力-高度協(xié)同互饋及底流濃度穩(wěn)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有深錐濃密機(jī)的高效利用，既滿足了千米深井膏體充填的要求，又實(shí)現(xiàn)了15 km長距離高濃度地表排尾，建立了基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術(shù)示范工程。

2.2 細(xì)粒級(jí)全尾砂膏體大能力均質(zhì)攪拌技術(shù)

隨著礦山機(jī)械化程度的不斷提高，礦山的開采規(guī)模也在逐漸增大，與之對(duì)應(yīng)的充填能力要求也越來越高。目前國內(nèi)外膏體充填能力大部分在 120 m3/h以下，從膏體充填工藝技術(shù)來講，濃密機(jī)脫水能力和泵壓輸送能力在200 m3/h以上，大流量膏體充填在某種程度上受限于膏體攪拌技術(shù)[7]。針對(duì)膏體攪拌的技術(shù)瓶頸，謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)首次采用了容積10 m3、攪拌能力180 m3/h的雙軸臥式攪拌機(jī)，是目前國內(nèi)外所公開報(bào)道的能力最大的臥式攪拌機(jī)；通過采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液位提升穩(wěn)定裝置，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒全尾膏體高液面逆向圍流均質(zhì)攪拌技術(shù)；針對(duì)傳統(tǒng)臥式攪拌機(jī)軸承漏漿、更換頻繁的問題，研發(fā)了軸承油壓密封防漏漿耐磨技術(shù)。這些技術(shù)的突破保證了謙比希東南礦體細(xì)粒全尾膏體大能力均質(zhì)攪拌。

2.3 勢能負(fù)壓聯(lián)合作用下膏體長距離自流輸送技術(shù)

對(duì)于膏體充填來講，由于充填料漿濃度高、輸送阻力大，一般需要借助泵壓輸送[8]。謙比希銅礦的東南礦體由于埋藏較深，經(jīng)過多次理論計(jì)算和驗(yàn)證，大膽采用自流輸送，在充填濃度72%、屈服應(yīng)力100 Pa以上時(shí)，在自重勢能和“負(fù)壓虹吸”聯(lián)合作用下，實(shí)現(xiàn)了距離超過2000 m的膏體自流輸送。此外，謙比希東南礦體在680 m鉆孔施工時(shí)，棄用南非國際知名鉆孔施工公司技術(shù)，采用自主技術(shù)，成功解決了深井充填鉆孔通過2個(gè)大含水層一次成

型施工的技術(shù)難題。為了確保擋墻的安全性，每個(gè)采場充填一定高度需要間隔一定時(shí)間，為了提升充填效率，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多采場快速切換連續(xù)充填裝置，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)采場快速切換免洗管連續(xù)輸送技術(shù)，大幅提升了礦山充填效率，為礦山高效生產(chǎn)提供了保障。

2.4 基于膏體充填的緩傾斜復(fù)雜礦體高效開采技術(shù)

謙比希銅礦東南礦體厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m，傾角5°～20°[2]，屬于典型的緩傾斜復(fù)雜難采礦體，靈活使用多種采礦方法，但礦體高效安全開采的前提在于膏體充填體的力學(xué)性能[9]。鑒于贊比亞水泥價(jià)格高、贊方員工管理難度大，在膏體材料配伍優(yōu)化研究時(shí)，盡量簡化充填材料、降低水泥單耗。系統(tǒng)開展了全尾砂膏體、添加粗骨料膏體、全尾砂+分級(jí)尾砂膏體、添加泵送劑膏體等多種配合比實(shí)驗(yàn)，最終選擇全尾砂膏體充填，可以實(shí)現(xiàn)一步驟開采充填灰砂比 1:8、二步驟開采充填灰砂比1:24～1:48。由于謙比希銅礦東南礦體采用可重復(fù)利用的低成本柔性充填擋墻，為了確保擋墻的安全性，研發(fā)了一種采場多次充填間隔時(shí)間確定簡易裝置，已在現(xiàn)場得到了推廣使用?；诓傻V方法的靈活使用和多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻克，最終形成了基于膏體充填的謙比希銅礦緩傾斜復(fù)雜礦體高效開采技術(shù)。

3 系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)情況

3.1 試驗(yàn)思路

膏體充填系統(tǒng)建成后，在經(jīng)歷單機(jī)和聯(lián)動(dòng)空載試車后，確保設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在正式投入使用前，需要首先進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。在整個(gè)工藝打通、相關(guān)技術(shù)達(dá)標(biāo)穩(wěn)定后，方可進(jìn)行大范圍充填使用。謙比希東南礦體膏體充填系統(tǒng)在井下充填前，由于選礦生產(chǎn)已經(jīng)開始進(jìn)行，地表高濃度排尾工藝已經(jīng)打通。為此，本文工業(yè)試驗(yàn)主要針對(duì)井下充填。

本次工業(yè)試驗(yàn)思路為“三步走”分步充填，整個(gè)采場分為3次充填完畢，但每次充填的側(cè)重點(diǎn)和目標(biāo)各不相同：首次充填的目的是打通工藝、第二次充填的目的是提升濃度、第三次充填的目標(biāo)是提高強(qiáng)度。充填前需要做好地表、管路和井下充分的準(zhǔn)備工作，比如地表操作流程、管道密封性、采場擋墻結(jié)構(gòu)以及井下通訊等。

3.2 試驗(yàn)采場

本次工業(yè)試驗(yàn)選擇與正常生產(chǎn)相似、具有代表性的一個(gè)完整采場進(jìn)行。具體為756水平3號(hào)盤區(qū)的3號(hào)采場（756ML-3MU-3#），該試驗(yàn)采場長123 m，寬9 m，高度7 m～9 m不等，實(shí)測空區(qū)體積約7652 m3。如圖3所示。

圖3 膏體充填工業(yè)試驗(yàn)采場位置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充填能力 160 m3/h，充填濃度70%～72%，灰砂比為1:8時(shí)的充填體28 d強(qiáng)度為1 MPa。本次工業(yè)試驗(yàn)從準(zhǔn)備到整個(gè)采場充填結(jié)束經(jīng)歷約2個(gè)月，最終實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)的全面達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)采場3次充填的主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1，其中每次充填的深錐底流濃度統(tǒng)計(jì)不少于 10次、間隔時(shí)間不少于 1 h；充填量為采場實(shí)測值，平均流量為每次充填量與充填時(shí)間的比值；實(shí)際灰砂比為總的水泥消耗量與尾砂干量的比值；為了確保濃度的準(zhǔn)確性、同時(shí)驗(yàn)證濃度計(jì)的可靠性，充填濃度為每次充填時(shí)攪拌槽取樣烘干濃度，每次充填取樣不少于6次；攪拌槽取樣測量烘干濃度的同時(shí)，進(jìn)行28 d單軸抗壓強(qiáng)度測試。

如試驗(yàn)思路所述，第一次充填目標(biāo)是打通工藝，由于充填濃度低、水泥添加少，所以28 d強(qiáng)度只有0.18 MPa～0.39 MPa；第二次較第一次充填濃度有了較大提升，但水泥添加沒有達(dá)到設(shè)置的1:8，所以強(qiáng)度為0.45 MPa～0.90 MPa，沒有達(dá)到1 MPa；第三次充填的主要目的是提強(qiáng)度，此次充填時(shí)充填濃度穩(wěn)定在70%～72%，灰砂比與設(shè)置值1:8接近，為此，28 d強(qiáng)度均在1 MPa以上。3次累計(jì)充填7652 m3，充填時(shí)間45 h 10 min，平均充填流量170 m3/h，實(shí)際使用水泥770 t（設(shè)計(jì)水泥1210 t），主要是因?yàn)榍皟纱纬涮顚?shí)際灰砂比小于設(shè)計(jì)的1:8所致。

表1 工業(yè)試驗(yàn)三次充填主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)歷一個(gè)完整的采場工業(yè)試驗(yàn)之后，該膏體充填系統(tǒng)已在謙比希銅礦東南礦體井下采空區(qū)充填中全面使用，服務(wù)礦山正常生產(chǎn)。

3.4 試驗(yàn)期間存在的問題

總體來講，此次工業(yè)試驗(yàn)是成功的，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如部分儀表不準(zhǔn)確、井下三通閘閥損壞、擋墻漏漿、通訊故障、深錐底流流量和濃度波動(dòng)、實(shí)際灰砂比小于設(shè)置值、攪拌機(jī)液面低等，通過每次充填不斷的總結(jié)和改進(jìn)，上述問題得到了較好的解決，但在今后的充填中也要高度重視，避免類似問題再次出現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）簡要介紹了謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝，概括了謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)的4大關(guān)鍵技術(shù)，即基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術(shù)、細(xì)粒級(jí)全尾砂膏體大能力均質(zhì)攪拌技術(shù)、勢能負(fù)壓聯(lián)合作用下膏體長距離自流輸送技術(shù)、基于膏體充填的緩傾斜復(fù)雜礦體高效開采技術(shù)。

（2）提出了膏體充填系統(tǒng)“打通工藝—提升濃度—提高強(qiáng)度”三步走的工業(yè)試驗(yàn)思路。通過試驗(yàn)采場的分次充填，逐步達(dá)到目標(biāo)濃度和強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了最后一次充填濃度70%～72%，實(shí)際灰砂比1:8.6的情況下，28 d充填強(qiáng)度1.15 MPa～2.11 MPa。

（3）中色非洲礦業(yè)有限公司作為我國企業(yè)“走出去”的成功典范，謙比希銅礦東南礦體大流量膏體充填系統(tǒng)成功應(yīng)用是我國膏體技術(shù)“走出國門”的又一次突破。該系統(tǒng)目前已在礦山全面使用，為謙比希銅礦東南礦體產(chǎn)能達(dá)標(biāo)、安全高效開采提供有力支撐。