貴州某磷礦充填技術(shù)改造與應(yīng)用*

王 東,胡順發(fā)

(1.貴州開磷有限責(zé)任公司,貴州 開陽 550302;2.中藍連海設(shè)計研究院有限公司,江蘇 連云港 222004)

0 引言

由于礦山工程地質(zhì)與現(xiàn)場施工條件的差異,在開采過程中所面臨的技術(shù)問題也有所不同,對于具體的工程環(huán)境需要采用相應(yīng)的技術(shù)措施加以應(yīng)對,才能為保障礦山安全生產(chǎn)提供有力保障。礦業(yè)與其他行業(yè)有所不同,作為具有自身顯著特點的礦產(chǎn)資源采掘業(yè),其產(chǎn)品為含有一定有用元素及礦物成分的礦石,在獲得礦產(chǎn)資源的過程中,需要采取爆破等方法掘取礦脈中的礦石,然后破碎為一定粒度的礦石,再通過輸送設(shè)備運至指定流程,根據(jù)礦產(chǎn)資源的物化性能指標(biāo),經(jīng)過洗選等必要的礦物加工過程后成為企業(yè)所需的礦產(chǎn)品,用于滿足下游企業(yè)的原材料需求[1-3]。在金屬與非金屬等礦產(chǎn)資源開采的各個環(huán)節(jié)中,需要結(jié)合礦山實際與技術(shù)條件,經(jīng)過多種方案比選后確定最優(yōu)采礦方法。如對于西部戈壁荒漠區(qū)域的礦產(chǎn)資源開發(fā),研究人員聚焦于生態(tài)脆弱礦區(qū)采損地表現(xiàn)狀,分析了植被復(fù)綠措施的形成機制,在嚴(yán)重缺少地表徑流水源的礦區(qū)通過技術(shù)轉(zhuǎn)化與現(xiàn)場實施,研究成果對礦區(qū)生態(tài)保護起到了重要作用[4-5]。

針對采空區(qū)危害治理及綠色礦山建設(shè)方面,研究人員結(jié)合礦山實際情況,通過地質(zhì)災(zāi)害隱患排查與處理,形成的技術(shù)體系在礦山環(huán)保及地表維護方面成效顯著[6-8]。一般而言,采礦方法對于提高開采效率至關(guān)重要,在礦體開采過程中要嚴(yán)格兼顧生態(tài)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展要求,在開采之初至礦產(chǎn)品形成的全流程均須恪守技術(shù)可靠原則。如對于一些急傾斜極薄礦體及小跨度等特殊礦體開采,研究人員結(jié)合礦巖穩(wěn)定性情況,制定了相應(yīng)的地壓控制方案,對一些關(guān)鍵部位進行充填處理,在實踐中總結(jié)出了適合礦巖條件的采礦方法[9-11]。在礦山固體廢棄物利用過程中,研究人員結(jié)合開采條件與固體廢棄物物化性質(zhì),開發(fā)了滿足采礦要求的充填材料[12-14]。在充填材料性質(zhì)分析方面,研究人員采用靜態(tài)抗離析及礦渣-粉煤灰基膠凝材料性能調(diào)控等途徑,深入分析了影響充填材料性能的內(nèi)在因素,在材料優(yōu)化及改性的基礎(chǔ)上進行測試分析,為企業(yè)生產(chǎn)提供了重要參考[15-17]。

采礦技術(shù)研究中需要結(jié)合礦山實際情況探索出能夠?qū)崿F(xiàn)降本增效的實施途徑,并在后期的生產(chǎn)過程中及時反饋和優(yōu)化。如在礦山采空區(qū)的安全無害化處理方面,研究人員通過開展充填體強度試驗,開發(fā)了經(jīng)濟可靠的充填膠凝材料,為降低采礦成本創(chuàng)造了技術(shù)條件[18-19]。甕福(集團)有限責(zé)任公司(簡稱“甕福磷礦”)所屬的某大型磷礦,由于礦巖條件的特殊性,需結(jié)合磷礦資源的物化性質(zhì)進行采礦方法優(yōu)選,以獲得理想的開采效果[20-22]。隨著礦石的不斷采出,甕福磷礦資源儲量不斷減少,為此考慮采用充填法進行開采,以提高礦石回收率和降低礦石貧化率[23]?；诘V體產(chǎn)狀及生產(chǎn)規(guī)模等,甕福磷礦大塘礦采用階段空場嗣后充填采礦法開采,采空區(qū)采用磷礦全尾礦進行充填,為保證開采安全和降低生產(chǎn)成本,需開展充填材料性能配比及充填技術(shù)研究,以為后期的資源開采提供必要的技術(shù)支撐。

1 礦山概況

目前甕福磷礦選礦廠每年產(chǎn)生尾礦280.5萬t,其中用于大塘礦與大信礦采空區(qū)充填的尾礦量為31萬t/a,而剩余的249.5萬t/a尾礦則通過長距離管道輸送至尾礦庫儲存?，F(xiàn)階段甕福磷礦白巖尾礦庫的庫容約為1 646.89萬m3,根據(jù)現(xiàn)在每年輸送至尾礦庫的尾礦量計算,白巖尾礦庫的有效服務(wù)年限僅剩約6.6年。

甕福磷礦各礦段礦石因品質(zhì)、品位等因素限制必須進行選礦,因此必然會產(chǎn)生尾礦;經(jīng)計算,待甕福磷礦區(qū)全面開采后,尾礦年產(chǎn)生量將達到332.5萬t。根據(jù)現(xiàn)階段國家礦產(chǎn)資源利用與環(huán)境保護政策,濕排尾礦庫已不再批準(zhǔn)建設(shè),甕福磷礦區(qū)產(chǎn)生的大量尾礦和白巖尾礦庫緊張的剩余庫容,將成為制約甕福磷礦可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,因此利用尾礦對采空區(qū)進行充填,是解決此難題的必然選擇和有效途徑。

2 充填模式選擇及應(yīng)用

2.1 充填模式選擇

經(jīng)計算,“全尾礦膠結(jié)充填”方式比“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式消耗的尾礦量多出近1倍,由此說明采用全尾礦充填方式能夠大大延長尾礦庫的使用年限。同時根據(jù)中藍連海設(shè)計研究院有限公司前期針對甕福磷礦區(qū)各礦段的建設(shè)規(guī)劃,全尾礦充填是實現(xiàn)尾礦中長期平衡的重要手段,全尾礦膠結(jié)充填勢在必行。

根據(jù)日常生產(chǎn)中統(tǒng)計的不同充填方式下尾礦消耗量數(shù)據(jù),計算出采用“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式、“全尾礦膠結(jié)充填”方式所對應(yīng)的尾礦庫服務(wù)年限。預(yù)測時間區(qū)間為2019-2026年,當(dāng)采用“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式時,在2019年尾礦庫庫容為1 450萬m3的條件下,尾礦庫服務(wù)年限為10.2年;當(dāng)采用“全尾礦膠結(jié)充填”方式時,在2019年尾礦庫庫容為1 450萬m3的條件下,尾礦庫服務(wù)年限為23.0年。由此可見,采用“全尾礦膠結(jié)充填”方式可大幅增加尾礦消耗量,使排放至尾礦庫的尾礦量大幅減少,從而使尾礦庫的服務(wù)年限得到顯著延長。由“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式計算得到的尾礦消耗量見圖1,由“全尾礦膠結(jié)充填”方式計算得到的尾礦消耗量見圖2。

圖1 “廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式的尾礦消耗量Fig.1 Tailings consumption of the "waste rock+tailings cemented filling" mode

圖2 “全尾礦膠結(jié)充填”方式的尾礦消耗量Fig.2 Tailings consumption of the "full tailings cementation filling" mode

2.2 充填模式應(yīng)用分析

根據(jù)礦山技術(shù)條件,大塘礦現(xiàn)階段采用的是“水泥+超微粉+尾礦漿+細砂”進行充填,按尾礦漿質(zhì)量分數(shù)60%、超微粉替代30%水泥、水泥與尾礦質(zhì)量比1∶6進行計算,得到的充填成本見表1。

表1 “水泥+超微粉+尾礦漿+細砂”充填成本分析Table 1 Filling cost analysis of "cement+ultrafine powder+tail pulp+fine sand"

由表1可知,利用全水泥充填時,水泥的成本在充填成本中占比較大。為了降低成本,可用其他低成本膠凝材料替代水泥進行充填。當(dāng)利用超微粉替代30%水泥后,其充填成本下降了12.92元/m3。采用全尾礦充填后,由于尾礦漿相比細砂顆粒更細,會降低充填體的強度,全尾礦充填強度能否滿足設(shè)計要求還需進一步測試與驗證。前期以超微粉替代部分水泥的試驗所得配比并不適用于全尾礦充填,需對全尾礦充填中超微粉替代水泥的比例進行試驗研究,以在滿足強度要求的同時盡可能降低成本。

3 全尾礦充填技術(shù)試驗與應(yīng)用

3.1 充填骨料的連續(xù)供給

在采空區(qū)充填過程中,充填骨料的連續(xù)供給是工藝流暢與否的重要標(biāo)志,當(dāng)充填骨料供應(yīng)充足時,制備的充填料漿濃度會保持穩(wěn)定,穩(wěn)定流態(tài)的充填料漿易于形成均質(zhì)的黏稠流體,從而為長距離管道輸送滿管流的形成創(chuàng)造必要條件,保障充填料漿流量的持續(xù)穩(wěn)定。由于大塘礦選礦后的尾礦顆粒較細,-20 μm的極細顆粒占比較大,采用常規(guī)的立式砂倉或高效深錐濃密機脫水均難以在短時間內(nèi)達到理想的固液分離效果,也就難以實現(xiàn)高濃度連續(xù)充填作業(yè)。為此礦山采用壓濾機設(shè)備進行機械強力脫水,在短時間內(nèi)將含固量僅為25～35左右的低濃度尾礦漿濃縮,形成含水率在12%～15%(換算后的質(zhì)量分數(shù)為85%～88%)的尾礦濾餅,將其堆存于充填儲料庫中,作為高濃度充填的骨料。

由于尾礦顆粒較細且經(jīng)壓濾后團聚成為塑性較強的泥團,利用大塘礦現(xiàn)有的圓盤給料機進行壓濾尾礦上料,在當(dāng)前的技術(shù)條件下存在較大難度。經(jīng)壓濾后的極細顆粒尾礦漿脫去了大部分水分,成為含水率在12%～15%的濾餅,其中-200目尾礦顆粒質(zhì)量分數(shù)超過70%,因其礦物成分的特殊性而使尾礦黏聚成塊,在充填骨料供給過程中易附著于設(shè)備表面,影響物料供應(yīng)的效率與連續(xù)性。

通過分析濾餅材料性能,結(jié)合尾礦倉材質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸,對設(shè)備受料口尺寸進行了縮減。將原有受料口錐底雙螺旋更換為CWG-10型皮帶輸送機,使倉內(nèi)尾礦對下部尾礦的壓力大幅減小。改造后的尾礦破拱裝置與皮帶機橫向切割的聯(lián)合作用,基本解決了連續(xù)供料的問題。改造前的雙螺旋給料機見圖3,改造后的雙螺旋給料機見圖4。

圖3 改造前的雙螺旋給料機Fig.3 Double screw feeder before transformation

圖4 增加破拱裝置后的給料機Fig.4 Feeder after adding arch breaking device

3.2 充填材料性能測試與強度驗證

在前期充填材料取樣及輸送性能研究的基礎(chǔ)上,全尾礦充填自流試驗均取得了較好的效果,現(xiàn)階段向南自流輸送已經(jīng)可以到達南12#a采場。根據(jù)公式Q=πD2v/4,在自流管道直徑D為113 mm、最大自流量Q為140 m3/h的條件下,計算得出料漿平均流速v為3.88 m/s。由于大塘礦尾礦顆粒較細,添加膠凝材料后易形成黏稠均一的混合漿體,由此制備的充填料漿呈似均質(zhì)流特性。當(dāng)濃度適當(dāng)降低后,料漿流量有所增大,管道輸送阻力減小,在較高流速下呈現(xiàn)紊流狀態(tài),此時計算得到的最大充填倍線N為9.6。

對于充填法采礦,往往需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟等方面的因素設(shè)計充填體強度和充填料漿濃度。通過實驗室的充填材料力學(xué)性能與流動性能試驗,確定了管道輸送的料漿質(zhì)量分數(shù)為67%～69%;根據(jù)采礦方法所需的充填體強度,確定膠凝材料的配比和添加量,膠結(jié)充填材料的灰砂比為1∶9～1∶5。由于滿足礦山日常生產(chǎn)所需的充填量較大,同時考慮到降本增效要求,需選擇供應(yīng)充足且價格合理的膠凝材料。

結(jié)合大塘礦充填材料的性質(zhì)與材料成本,在實驗室中將超微粉部分取代水泥,根據(jù)灰砂比1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9及滿足開采要求的強度指標(biāo),超微粉部分替代水泥的范圍設(shè)定為10%～30%。在實驗室配比滿足采空區(qū)充填材料強度的情況下,開展充填材料原位鉆孔取樣并測試其單軸抗壓強度。對原位鉆孔取樣的充填材料進行力學(xué)性能測試,對于灰砂比為1∶5的充填材料,添加取代水泥量30%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強度為0.918～1.878 MPa;對于灰砂比為1∶6的充填材料,添加取代水泥量20%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強度為1.36～1.55 MPa;對于灰砂比為1∶7的充填材料,添加取代水泥量20%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強度為0.70～1.62 MPa。對于灰砂比為1∶8～1∶9的充填材料,添加取代水泥量10%的超微粉后,其強度均能滿足采礦技術(shù)要求。工業(yè)試驗的76#b采空區(qū)充填體鉆芯取樣過程見圖5,充填體巖芯力學(xué)性能測試見圖6。

圖5 76#b采空區(qū)充填體鉆芯取樣Fig.5 Core drilling sampling of mined-out area in stope 76#b

圖6 鉆芯取樣充填體性能測試Fig.6 Core sampling filler performance test

4 結(jié)語

由于大塘礦磷尾礦中的細顆粒含量高,在機械設(shè)備強力壓濾作用下團聚成為具有較高黏性的塑性塊狀物料,該物料的分散性較差,通過增加破拱裝置將其分解打散,可以有效防止物料結(jié)塊,消除了其對上料產(chǎn)生的不利影響,實現(xiàn)了含水物料的連續(xù)上料。

為了向井下不同的采空區(qū)連續(xù)輸送充填料漿,在料漿坍落度測試的基礎(chǔ)上確定了合理的輸送料漿質(zhì)量分數(shù)為67%～69%,對應(yīng)的充填料漿坍落度在25～28 cm,可以實現(xiàn)充填料漿的遠距離管道自流輸送。

通過部分取代水泥,使用綜合成本更低的膠凝材料后,充填費用降低了約15%(充填成本降低約8.5元/m3)。通過實驗室試驗和現(xiàn)場原位取樣測試驗證了充填體強度能夠滿足采礦技術(shù)要求。以每年充填36萬m3的采空區(qū)體積計算,全尾礦充填每年將多消耗10萬t尾礦,因而使尾礦庫服務(wù)年限得到大幅延長。