金屬礦山尾砂膠結充填工藝優(yōu)化實踐

柏 楊，劉 也，張佰通，遲發(fā)民，侯榮瀚

綠色采礦與充填模式是今后礦業(yè)發(fā)展的主要趨勢，大量創(chuàng)新的充填工藝也為礦山的綠色可持續(xù)發(fā)展提供了新的生產(chǎn)模式。膠結充填指的是一種單漿膠結充填材料及其使用方法，膠結充填技術的產(chǎn)生與發(fā)展，極大地促進了采礦技術的發(fā)展。隨著采礦作業(yè)難度和礦井深度的增加、采空區(qū)擴大、井下作業(yè)安全性難以保障、保安礦柱回收困難、礦石貧化造成損失、現(xiàn)有尾礦庫容量不足等問題已逐步暴露。為了保證礦井安全、最大限度地利用礦產(chǎn)資源，實現(xiàn)綠色發(fā)展，提高經(jīng)濟效益，需采用金屬礦山尾砂膠結充填開采法，并建立相應的充填體系，以適應礦井的總體生產(chǎn)需求。

1 金屬礦山尾砂膠結充填工藝

尾砂膠結充填技術是在物理化學和膠體化學原理的指導下，直接使用選礦尾部的灰漿，經(jīng)過濃密機加砂和砂倉沉淀、脫水，再用雙軸型攪拌器和高速激活攪拌裝置，將尾砂和一定比例的水泥、水混合在一起，形成具有混凝土特性的、均勻的膠結充填漿料，用輸送泵、管道把混合漿液送到采場采空區(qū)，經(jīng)過采場驗收、管路敷設、板墻封堵、尾砂充填、膠結鋪裝等步驟使采空區(qū)得到充填和治理。

首先，工藝要點是對填充材料的甄選，尾砂膠結充填工藝技術的核心是將漿液活化、攪拌為具有較低水分、均勻、流動性良好的漿料。尾砂是填料的主要成分，其級配必須良好，為確保輸送管道的順利進行，必須保證顆粒尺寸在一定范圍之內。水泥，即凝結劑的摻入量不僅直接影響著漿料凝結的強度，而且對成本也有很大的影響。因此選取高級別尾砂與合適的凝結劑是制作漿料的根本前提。

其次，在選取合適的填充材料后經(jīng)過充填系統(tǒng)工作混合投入使用，在正式投入使用之前應當對尾砂膠結填充進行充分的坍塌實驗、運輸實驗與強度實驗。尾砂膠結填充系統(tǒng)由四大板塊構成，包含了從造漿到運輸與使用的所有步驟，系統(tǒng)中的沙倉和漿料站通常都是集中在地面上，將收集并處理的尾砂送入砂倉，采用重力或高壓水口將沙粒排入攪拌桶內，并將水、水泥、砂混合在一起形成水泥灰漿。

（1）脫水系統(tǒng)，脫水是全尾砂膠結充填的關鍵工藝，脫水系統(tǒng)用于生產(chǎn)過程中尾砂料漿的脫水步驟，首先將選取的尾砂原料投入高效濃密機并添加絮凝劑進行第一步脫水，然后將獲得的漿料泵入立式砂倉，進行第二步沉縮脫水。

（2）攪拌系統(tǒng)，經(jīng)過脫水系統(tǒng)工作的料漿與適量的膠結原料同時泵入攪拌塔將尾灰漿、水泥和適當?shù)恼{高水加入攪拌桶內進行混合，通過攪拌槳和礦砂相互碰撞的作用使?jié){料混合成均勻，得到濃度適中、流動性良好、符合比例要求的漿液，并經(jīng)管道自流流入注漿井下料斗。下料斗裝有格網(wǎng)和沖水閥，以阻止大塊體進入充填管路。

（3）管道運輸系統(tǒng)，尾砂漿料在攪打完畢后經(jīng)過稠化機密化，底部流經(jīng)泥漿泵加壓，經(jīng)管道輸送到裝填站的尾砂儲存庫。當泥漿在尾砂貯存池內自然沉淀、脫水后，開啟壓氣式造漿噴頭，對整個尾砂進行壓氣造漿。當倉內的漿液混合均勻后，就開啟泄砂閥就可以正式投入使用。管道運輸系統(tǒng)主要包括漿料進料線、水供給線、和井下輸送管。水泥進料線路：散裝水泥由散裝水泥罐車運輸?shù)匠涮钫竞?，?jīng)吹灰管道吹卸到水泥倉內。在裝料過程中，開啟螺旋式閘板，開啟雙管式螺旋式送料器，就可以將水泥輸送到攪拌機上。水供給線：在裝料站內設有一條供水管，供高壓水槍沖洗設備，疏通管道，調整灌漿濃度。井下輸送管：采用自流式和泵壓式的方法將水泥漿液送入礦井底部充填。

（4）自動監(jiān)測與調整系統(tǒng)，是礦站建立的自動化控制系統(tǒng)來確保注漿濃度、流量及配比的精確度并對充填系統(tǒng)的漿液流量、給料量、濃稠度、流速等參數(shù)進行檢測與調控。

總之，經(jīng)過尾砂凝膠混合漿液的造漿、攪拌和管道運輸充填料漿通過自流方式進入充填采場采空區(qū)這種尾砂膠結充填方式雖然能夠實現(xiàn)在采空區(qū)外進行膠結充填、長距離連續(xù)輸送，并可實現(xiàn)連續(xù)輸送，彌補了作業(yè)流程的間斷，且能夠縮短充填時間，提高工作效率，保障工人的人身安全，還可以降低尾砂中化學成分對環(huán)境的污染，以及尾砂堆在尾礦庫中的安全，使其更綠色、更環(huán)保。但其也出現(xiàn)了尾砂利用率較低、攪拌桶攪拌速率不足、充填成本難以保證等問題，必須加以優(yōu)化和調整。

2 現(xiàn)存工藝的主要問題

（1）充填原料成本高。在漿料制備時對原料的選取至關重要，其中尾砂是填料的主要成分，其級配必須良好。為保證加工簡便與輸送順暢，尾砂原料顆粒大小要控制在一定范圍之內，以保證在充填過程中，將選礦尾砂和水泥混料經(jīng)管線順利送入采空區(qū)進行充填作業(yè)。另外，膠結劑的摻入量不僅決定了漿液的強度，而且對漿液的造價也起著很大的作用，因此，它是尾砂膠結充填工藝設計的關鍵。必須通過大量的實驗，一定要控制膠結劑的使用量，不僅要保證充填體具有較強的機械強度，而且不會在輸送過程中出現(xiàn)凝固、阻塞的現(xiàn)象，完全符合充填要求。這就需要對原料選取的預算的要求進一步提高，必須合理地選取原料和確定配比，才能減少成本花銷。

（2）攪拌桶轉速不足，其工作生產(chǎn)量不能滿足填充需求。第一，攪拌桶的高、寬、直徑的比例不合理，造成的灰砂混合不均勻。第二，由于放砂管斜率過大，導致了最大的放砂效率提高，而使攪拌桶進沙管與出漿管間距減小，從而影響了攪拌的均勻性。第三，由于攪拌器進沙管道與出漿管間距過小，使填料在攪拌過程中沒有充分攪拌而被排出。第四，由于沒有配備輔助桶，不利于現(xiàn)場手工檢測和監(jiān)測混合罐中的液體水平。第五，混合料桶底部的出漿孔設置過多，而且料位和高度變化很大，難以進行統(tǒng)一的測定。

（3）尾砂利用率低，填充漿料的濃度低，導致填充物強度不足。由于尾砂顆粒極細，在采場中進行充分的充填，使其脫水變得更加困難，且膠結強度增長緩慢，還有在運輸途中的浪費使尾砂的利用率降低。另外，造成料漿濃度低的主要原因一是由于料倉內的沉降和泌水量不夠，二是倉頂進料對泌水量的干擾很大，影響泌水量；三是由于料漿濃度被稀釋，導致濃度降低。

（4）開層難度大。所有的礦產(chǎn)資源的分布都不是非常理想化的均勻分布，通常很多的礦山都會存在假頂層的現(xiàn)象，而且假頂層一般能夠達到3 層～6 層的厚度，對于這種情況，如果要去掉假頂層，然后再采用膠結填充的方法來采礦就會造成實際開采過程上出現(xiàn)很大的困難，另一方面的話，出于安全性的考慮，膠結填充工藝在使用過程中需要進行設備的支撐和防護，通過有效的支撐和防護來避免冒頂這種情況的發(fā)生，從而提升工程的質量和效率。然而如果進行大量的支撐的話就會需要較多的人力、物力以及資金的投入，這樣將會加大成本，很多單位由于資金受到限制，承擔不起這部分成本的大量支出，就會導致填充效率大幅下降。

（5）開采區(qū)的劃分缺乏科學性。眾多的礦產(chǎn)資源在開采的時候都需要進行劃分，但是由于各自的實際情況有著較大的差異，會使得在開采區(qū)的劃分上會存在著一定的差別性，但是如果在開采區(qū)劃分過程中缺乏最基本的科學性和合理性，就會嚴重降低礦山的回采效率，更加難以保證開采礦石的工作能夠順利完成。在開采區(qū)域的劃分中所存在的可能性包括：沒有將開采區(qū)的面積大小和設備的大小同時進行考慮，這就使得在一些較小的開采區(qū)域內卻使用了較大的開采設備，這種對于設備的使用和分配不合理的狀況使得在礦山的回采中經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的矛盾，就是小面積的開采設備并沒有將自身所具有的價值充分地發(fā)揮出來，但是大面積的開采設備卻又不夠用。

3 金屬礦山尾砂膠結充填工藝的優(yōu)化與應用

礦山要結合實際情況，選擇合適的充填工藝，既要符合開采方法，也要符合地壓控制條件，要有可行性且節(jié)約成本。結合金屬礦山尾砂膠結充填工藝中出現(xiàn)的問題，需要在原工藝的基礎上進一步優(yōu)化，并在投入實踐應用后取得進展實驗成果后，方可大范圍使用。

3.1 采礦過程成本控制

對原料成本的控制，使用尾砂膠結填充工藝對采空區(qū)進行充填時，成本費用是每個單位都應當考慮的前提因素。在制漿過程中，原材料的選擇是影響造價的關鍵因素，尤其是在漿料制備中，膠結物占據(jù)的成本費用不可忽視。因此，在合理選擇充填物比例時，必須在保證采場充填物強度質量的同時，以最大限度地利用昂貴的膠結費用。采用科學的優(yōu)化工藝，加強流程監(jiān)控來有效地避免過度使用導致大量的資源浪費。

膠結劑與尾砂的配比不僅決定了漿液的強度，還會影響成本花銷，因此，它是造漿工藝設計的關鍵。必須通過大量的實驗來控制膠結劑的使用量，不僅要保證充填體具有符合法規(guī)安全標準的強度，同時保證不會在輸送過程中出現(xiàn)凝固而阻塞運輸管道。由于本礦先前并沒有建立充填試驗室，不能對充填體進行強度測試，故所以我礦418 中段采場及7249 采場一、二步采礦過程中，一步采充填配比全部要求為1：4 膠結充填。在我公司充填試驗室正式啟用后，經(jīng)過多次試驗，將試件按1：4、1：6 的比例制成試件，并將其裝入泥漿標準養(yǎng)護箱中，并在不同齡期內進行了礦井底部填充模擬，并采用抗壓強度試驗儀對試件的單軸抗壓強度進行了測試。通過對數(shù)據(jù)結果進行比對：

我們可以得知：在相同濃度、相同養(yǎng)護齡期間，1：4、1：6的試驗結果中，3d、7d 的抗壓強度值有明顯的差異，而28d 以后的抗壓強度變化度較小。

因此，在交流和試驗結果的基礎上，我們決定將一次開采的充填比例從1：4 改為1：6。從1：4 ～1：6，可以節(jié)省膠固粉成本至少55 萬元，到9 月份，一次開采節(jié)省膠固粉用量953.6t，價值41.96 萬元，每年可節(jié)約膠固粉費用至少55 萬元。在后期回采時，采用1：6 比例的充填體能滿足一次采區(qū)充填強度，既能減少充填費用，又能確保采區(qū)安全、平穩(wěn)地進行回采。

3.2 對于攪拌系統(tǒng)改造

針對攪拌桶轉速不足，其工作生產(chǎn)量不能滿足填充需求的問題，通過合理改變攪拌桶參數(shù)提高充填強度。我公司的充填站攪拌桶馬達的轉數(shù)在960r/min 左右，通過帶輪驅動，攪拌液的旋轉速度在240r/min 左右，對漿液的處理能力高達100m3/h。隨著開采深度的增大，充填倍線逐漸減小，流速也相應增大，每小時的充填量超出110m3/h，所以每次充填配比料時，由于膠固粉是細小的絮團，難以將其粉碎，往往出現(xiàn)不均勻的混合現(xiàn)象，使采場中的充填體會出現(xiàn)分層、離析現(xiàn)象。

通過對試驗結果的討論和分析，確定了增加攪拌桶轉速、增加攪拌容量的方案，以保證灌裝質量和提高攪拌桶的攪拌能力。攪拌桶原主動皮帶輪的直徑230mm，從動皮帶輪直徑900mm，傳動減速比約1：4，采掘車間利用現(xiàn)有材料加工一個直徑為280mm 的主動皮帶輪并進行更換，同時調整電機底座固定位置，更換后減速比約為1：3.2，將攪拌體轉速提高到300r/min，改造后解決了充填配比料攪拌不均勻的問題。

改造完成后，我司在此基礎上進行了多次坍塌平行試驗，對比了三次試驗結果后發(fā)現(xiàn)，在改造之前三次采樣平均塌陷程度為21cm，尾砂流動性差，存在大量的堆積，導致了膠固粉與尾砂的分離；然而攪拌桶改造完畢后，進行三次坍塌實驗的取樣平均值的塌落度為26cm，同時漿液的流動性較好，尾砂基本無堆積和離析現(xiàn)象發(fā)生。在完成改造后，三個不同的充填體的強度我們有了清晰的對比：

依據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)可以得出攪拌罐在改造之后的成果：原來的攪拌機的驅動滾筒直徑為230mm 左右，采掘車間采用已有的物料，對其進行了一次加工，使其直徑達到280mm，并進行了更換，使混合液的轉速達到300r/min，處理能力達到110m3/h，增加砂漿的攪拌頻率后，砂漿具有良好的穩(wěn)定性和流動性，減少了砂漿的離析性，對提高充填體強度和提高采場充填體的平整度有較大作用，有效地解決了物料混合不均勻的問題，保證了工作的質量。

總而言之，我礦是通過對原料成本的控制，通過多次實驗調整充填物的比例選取質量過關且價格劃算的膠結劑，最大程度地合理安排成本，并且實施科學的流程監(jiān)控來保證尾砂與膠結劑的利用率，保證填充漿料的濃度符合規(guī)范文件標準，確保填充物強度，避免不必要的成本浪費。二是通過攪拌系統(tǒng)的改造，提高并穩(wěn)定了造漿速度，提高了灰砂攪拌的均勻性，確保攪拌質量以滿足填充工作的需要。

3.3 做好采場盤區(qū)的優(yōu)化

造成回采率較低的原因主要是回采區(qū)域的衛(wèi)生質量相對較差，正因如此，在盤區(qū)的劃分上要從以前的100m 一個盤區(qū)的劃分方式變?yōu)?55m 一個盤區(qū)，對所有的盤區(qū)進行統(tǒng)一規(guī)劃，加強管理，讓每一個盤區(qū)都能夠獨立完成開采、備采以及充填的所有工作，彼此之間的影響就會減少很多，在盤區(qū)劃分獨立之后，各自能夠更加專心地對填充一級養(yǎng)護的質量和強度進行大幅度的提升，更不用擔心受到環(huán)境因素的影響，另一方面來看，劃分之后對于設備和巷道的養(yǎng)護與維修的時間也會大幅增多，提升了巷道的生產(chǎn)效率。

4 結語

綜上所述，尾砂膠結填充技術的實施，既能保障礦井的安全生產(chǎn)，又能有效地提高資源利用率，又能為礦區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。我公司在其工藝基礎上進行了對原始材料膠結物比例的調整，采用新型尾砂與膠結劑的配比，使充填體強度得到改善，并對攪拌桶進行優(yōu)化改造，提高了漿液生產(chǎn)效率，擴大了容量且進一步減少了損失，達到了良好的經(jīng)濟效益。本文筆者根據(jù)自身工作經(jīng)歷對金屬礦山尾砂膠結充填工藝進行了分析，并且針對工藝當中所存在的問題提出了一些較為實際的優(yōu)化措施，希望能給相關的企業(yè)以啟發(fā)，希望能夠為我國的采礦行業(yè)領域發(fā)展提供一些力所能及的幫助。