金川礦山廢料膠結充填工藝技術研究

王正輝

(金川鎳鈷研究設計院， 甘肅金昌市 737100)

金川礦山廢料膠結充填工藝技術研究

王正輝

(金川鎳鈷研究設計院， 甘肅金昌市 737100)

分析了金川礦山工程廢石、選礦尾砂和礦坑廢水的物理化學性質，研究了滿足金川礦山下向膠結充填采礦工藝條件的“廢石+尾砂+水泥+廢水”膠結料漿配合比參數，提出了“廢石+尾砂+水泥+廢水”膠結料漿的制備工藝和滿足遠距離管道輸送的工藝流程參數。

廢料;膠結充填;材料配比;工藝流程

0 前 言

隨著世界對環保和資源的不斷重視，充填采礦方法在采礦領域得到了廣泛的應用。對于采用充填采礦方法的礦山，充填材料的選擇，不僅與礦山的生產成本密切相關，而且與礦山的資源綜合利用和環境保護密切相關。金川礦山采用下向分層膠結充填采礦方法，采用高濃度自流充填工藝，所用的充填骨料主要是人工加工的成本高達38元/t的棒磨砂，并且年用量達到260萬t。而金川礦山每年有超過100萬t的工程廢石和超過600萬t的選礦尾砂排放，也有超過150萬m3的礦坑廢水排放。如果能夠利用金川礦山產生的廢石、尾砂、廢水作為充填材料，實現工業廢料膠結充填，不僅可以解決金川礦山充填材料成本居高不下的問題，還能夠大幅度降低礦山廢石、選礦尾礦和礦山廢水的地表排放量，改善金川礦山周邊區域的生態環境。因此，研究金川礦山的工業廢料膠結充填工藝技術對降低金川礦山的充填成本和減少工業廢料的露天排放量具有十分重要的現實意義。

1 金川礦山廢料的性質研究

工程廢石、選礦尾砂和礦坑廢水等是否可用于礦山充填，首先要對其物理化學性質進行檢測、分析和研究，再參照低標號混凝土用料的相關標準來判斷其是否符合充填用料的選型條件。

1.1 工程廢石

金川礦山的工程廢石是指金川礦山井下巷道掘進產生的廢石和井下巷道返修時產生的廢棄物，其巖石類型主要有二輝橄欖巖、大理巖、花崗巖、蛇紋透閃綠泥片巖等。按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685－2001)中的方法對取樣巖石進行物理力學性質測試，測試結果見表1和表2。

表1 金川礦山幾種巖石的物理性質

表2 4種巖石的基本物理力學性能

根據表1和表2數據，工程廢石的表觀密度大于 2.5 g/cm3，抗壓強度大于 30 MPa，符合《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》(JGJ53－92)相應標準，可以用做充填骨料。

1.2 選礦尾砂

金川礦山的全尾砂是指金川硫化銅鎳礦石經過浮選工藝后產生的全粒度級配的尾礦砂。取樣檢測全尾砂的比重為 2.87 t/m3，容重為 1.22 t/m3，空隙率為57.49%。全尾砂的化學成分見表3。

依據表3，全尾砂的堿性、活性和質量系數計算如下。

全尾砂的堿性率:

表3 金川礦山全尾砂的化學成份

全尾砂的活性率:

全尾砂的質量系數:

根據計算結果，全尾砂的堿性系數接近于1，屬于中性物質;全尾砂的活性系數小于0.17、質量系數小于1.6，全尾砂沒有膠結活性、為惰性材料，滿足礦山充填材料的選型條件;但全尾砂中MgO和SO3含量較高，對充填體的后期質量有一定程度的負面影響。

1.3 礦坑廢水

金川礦山的廢水是指從礦山井下排放到地表的工程廢水和裂隙水。依據《混凝土用水標準》(JGJ63－2006)，對金川礦山的礦坑廢水進行了取樣檢測，檢測結果見表4。

表4 金川礦山礦坑廢水所含的化學元素

分析表4數據，金川礦坑廢水的pH值、不溶物含量(Ca、Fe、Si等)、CL 含量、折算可溶物(Al2O3、MgO)含量、折算堿(CaOH)含量等指標均不超過《混凝土用水標準》(JGJ63－2006)規定的范圍，可以用于礦山充填。

2 充填料漿的配合比試驗研究

2.1 采礦方法對充填工藝參數的要求

金川礦山采用下向分層進路膠結充填采礦法，充填體既是相鄰進路回采時的間柱，又是下一分層進路回采的頂板，不僅要承擔上部充填體傳遞的地應力和充填體自重壓力作用，還要承受進路回采時的爆破沖擊作用，其強度必須同時滿足兩種情況下的穩定性要求。根據金川集團有限公司制定的充填采礦技術標準，金川礦山充填體的3 d、7 d和28 d抗壓強度必須滿足 R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5.0 MPa的要求。金川礦山采用高濃度細砂自流管道輸送充填工藝，充填管線長度在1200～2700 m之間，采空區(進路)的規格為:寬度×高度×長度=5 m×4 m×50 m。要保證充填料漿通過管道順利地輸送到采空區，并保證充填料漿在采空區的流動過程中不發生分層、離析現象，充填料漿的流動度不能小于9 cm，坍落度不能小于20 cm、分層度不能超過 2.0 cm。

2.2 骨料組成研究

以工程廢石和全尾砂為充填骨料，配置出滿足管道輸送條件的充填料漿，其固體顆粒的最大粒度不能超過輸送管道有效直徑的1/5。根據金川礦山充填系統的實際輸送管道直徑情況，固體顆粒的最大粒度不能超過20 mm。同時，－20 mm破碎廢石與全尾砂為骨料，添加水泥材料后，只能配成含粗骨料成份的混凝土料漿，采用泵壓輸送。要保證料漿滿足可泵性要求，其固體顆粒至少有20%以上的－30 μm細顆。因此，要將金川礦山的工程廢石破碎到20 mm以下，并與全尾砂進行合理的搭配才能構成滿足條件的骨料級配。金川工程廢石按－20 mm標準破碎后的粒度分布見圖1。全尾砂的粒度級配見圖2。

圖1 破碎后廢石的粒度分布

根據破碎后廢石和全尾砂的粒度分布，綜合考慮骨料級配滿足可泵性條件和物料的密實度最優(d60/d10=4～5)條件，選擇廢石與尾砂的比例范圍為 6∶4 ～5∶5。

圖2 金川礦山全尾砂的粒度分布

2.3 廢料混凝土料漿的配比參數試驗研究

以破碎廢石、全尾砂、廢水和32.5級普通水泥為原料，廢石與尾砂的比例為6∶4和5∶5，水泥添加量分別為220，240 kg/m3和260 kg/m3，混凝土料漿重量濃度分別為77%，78%，79%，80%，按照《金川充填技術標準》和混凝土試驗的相關標準進行全面試驗。用標準砂漿稠度儀、標準坍落度筒檢測稠度和坍落度，用100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具澆注試塊，用SBY－300型恒溫恒濕養護箱按溫度25℃、濕度85%進行試塊養護，用NYL－600型壓力試驗機進行試塊強度檢測。試驗數據見表5。

表5 配合比試驗獲得的數據

分析試驗數據，滿足流動度≥9 cm、坍落度≥20 cm，強度滿足 R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5.0 MPa條件的配比參數有3組，即:廢石與尾砂的比例為6∶4，水泥耗量為260 kg/m3，料漿濃度分別為77%，78%和79%。以這3組配比為依據，進行混凝土料漿的分層度試驗，獲得的試驗數據見表6。

表6 分層度試驗數據

依據表6，結合表5數據，可滿足金川礦山下向分層進路膠結充填采礦方法工藝條件的廢料膠結料漿配合比參數為:廢石∶尾砂=6∶4，水泥耗量260 kg/m3，濃度78%或79%。

3 廢料膠結充填的工藝研究

3.1 工藝參數選擇

金川二礦區是金川公司的主力礦山，其年出礦能力超過400萬t，年充填量超過145萬m3，年廢石排量達到60萬t，年廢水排放量達到90萬m3。因此，將金川的廢料混凝土充填系統首先選擇在金川二礦區進行，能夠實現經濟效益最大化。按照廢物利用最大化原則，擬設計兩套小時充填能力240 m3(每套120 m3/h)、日充填2400 m3、年充填72萬m3的廢料混凝土泵送充填系統。每年可利用工程廢石56.16萬t，利用工程廢水31.68萬m3。選擇料漿的重量濃度為78%，廢石與尾砂的比例為6∶4，水泥耗量為260 kg/m3這一組配比參數，計算出廢料混凝土充填的各種材料的用量見表7。

表7 年廢物利用量

3.2 工藝流程研究

根據工業廢料所處的地理位置，為了減少工程廢石的提升運輸量，將廢料混凝土充填工藝系統設計為地表部分和井下部分。尾砂、水泥與廢水的混合料漿制備系統建設在地表，廢石的破碎系統和全廢料料漿的制備及輸送系統建設在井下。在地表將尾砂、廢水與水泥混合攪拌配制成重量濃度為39%的料漿，采用自流輸送的方式輸送到井下，與井下的破碎廢石混合攪拌后形成重量濃度為78%的廢料混凝土料漿，采用HBMD－150/15－500S混凝土泵將其泵送到采空區完成充填作業。廢料混凝土料漿充填的總體工藝流程見圖3。

圖3 廢料混凝土泵送充填的工藝流程

3.2.1 地表系統

(1)供水系統。井下廢水排放到地表后，由于存在泥沙等雜物，需要進行沉淀處理。設計采用二級沉淀工藝，一、二級沉淀池有效容積200 m3，清水池按1 d的用水量計算其有效容積為1000 m3。沉淀后的清水通過計量泵向攪拌槽供水。

(2)供灰系統。供灰系統采用傳統的立式水泥倉，雙管螺旋輸送、沖板流量計計量的方式供料。

(3)供料系統。尾砂采用臥式砂倉存儲，通過抓斗、料倉、圓盤給料機、電子皮帶秤計量，以干料方式添加到攪拌桶。尾砂用自卸汽車或火車從尾礦壩拉運到充填站。

(4)攪拌及輸送系統。選用Φ2.0 m×2.1高濃度攪拌桶，Φ133 mm自流輸送管道。

(5)工藝參數。尾砂給料62.4 t/h，水泥給料31.2 t/h，廢水給料52.8 t/h，砂漿重量濃度39%，砂漿流量85 m3/h。其工藝流程見圖4。

圖4 地表系統工藝流程

3.2.2 井下系統

(1)廢石破碎系統。井下廢石破碎系統利用金川二礦區1250 m中段至1150 m中段之間遺留下來的溜井進行建設，在溜井底部安裝往復式破碎機，采用單級破碎方式將工程廢石破碎到20 mm以下，再用皮帶運輸機將其運送到兩個容量分別為940 t的碎石倉存儲。

(2)井下攪拌及輸送系統。廢石采用Φ2000園盤給料機給料，攪拌采用ATDⅢ－700型雙軸雙螺旋攪拌機，輸送采用HBMD－150/15－500S混凝土泵，其工藝流程見圖5。

圖5 井下系統工藝流程

4 結 語

膏體充填工藝技術和似膏體充填工藝技術已經成為世界充填工藝技術發展的主要方向，以礦山自身產生的工業廢料為充填骨料，開發礦山全廢料混凝土泵壓輸送充填技術和充填工藝，為礦山實現無廢開采和零排放提供了有效途徑。圍繞以廢料充填、降低成本和提高充填體質量為中心的研究，是充填工藝技術的發展方向，必將推動充填工藝技術的長足發展，促進無廢礦山的建設步伐。

[1] 王正輝.全尾砂+棒磨砂膠結充填試驗研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設計院礦山分院，2007.

[2] 王正輝.井下廢水應用于礦山充填的試驗研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設計院礦山分院，2010.

[3] 馬利民，等.金川礦區下向進路式采礦廢石膠結充填工藝技術可行性研究[R].甘肅:金川鎳鈷研究設計院礦山分院，2008.

[4] 王正輝.膏體充填料的工程檢測與判別[J].有色礦山，2000，(5):11－14.

[5] 王正輝，張豐田，等.尾砂充填料漿的配合比試驗研究[J].礦業研究與開發，2006，(1):11 －13.

[6] JGJ53－92.普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法[S].

[7] JGJ63－2006.混凝土用水標準[S].

2011－04－02)

王正輝(1966－)，男，四川人，高級工程師，主要從事充填采礦方面的科研、設計和現場服務工作，Email:abkj@vip.sina.com。