尾砂充填和尾礦制磚綜合利用探索

葉順如

福建省明溪縣礦管站（365200）

尾砂充填和尾礦制磚綜合利用探索

葉順如

福建省明溪縣礦管站（365200）

針對福建省明溪縣地區礦產資源回采率低，礦山采空區未及時治理存在安全隱患，尾砂直接外排投資運營費用高等現狀，擬采用尾砂充填采空區和尾砂制磚的綜合利用方案，以提高礦產資源回采率，減少安全隱患，并徹底解決礦山尾砂排放的問題。為當地礦山無廢開采，綠色開發，提供可借鑒的經驗。

尾砂充填；尾砂制磚；無廢開采；綜合利用

1 工程背景

根據福建省三明市國土部門統計數據，全市有552家礦山，其中80%以上礦山采用地下開采,目前還沒有礦山企業對尾礦進行綜合利用[1]。為了適應礦山無廢開采，綠色開發的發展趨勢，這里以三明市明溪縣胡坊螢石礦尾砂綜合利用項目為例，闡述該項目為當地礦山企業尾砂綜合利用提供的經驗。

胡坊礦區螢石礦開采礦種為螢石礦，開采規模為9.9×104t/a，年工作天數330 d，日產螢石礦300 t/d。采用地下開采，斜坡道開拓，淺孔留礦采礦法回采，淺孔爆破落礦，采下礦石經井下小型自卸汽車運出。

礦區地形地貌簡單，礦體埋藏在侵蝕基準面之下，其水文地質條件屬于中等～復雜類型。礦體頂底板圍巖主要是花崗巖，均屬半堅硬～堅硬巖石。據井下坑道揭露，巖石穩固性較好，除個別地段受斷層影響外，坑道基本不用支護，礦床工程地質條件屬簡單類型。礦體呈層狀、透鏡狀產出，礦區共發現Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體，其中主礦體為Ⅰ和Ⅱ號礦體。礦體傾角一般為69°～77°，厚度2.2～8 m，主礦體平均厚度大于5 m。礦體平均品位33%。礦石主要為螢石礦，其次為石英、蛋白石。礦石結構主要為晶粒、碎粒結構。

礦山建有選礦廠，原礦處理規模為300 t/d。原礦經破碎浮選回收,形成螢石精粉。目前礦山日產尾礦201 t/d，年產尾礦約6.6×104t,尾礦產率為67%。

2 項目建設的可行性分析

目前，國內尾礦利用的主要方向有以下幾個方面:

1）尾礦中有價金屬及其他高附加值組分的回收。

2）制備建筑材料。

3）充填采空區[2]。

由于該礦礦體成分比較單一，伴生其他有用礦物資源少，經選礦回收后從尾砂中提取有價金屬及其他高附加值組分意義不大。因此，尾礦的綜合利用要從制備建筑材料和充填采空區兩方面入手。考慮到礦山所處位置交通便利，運輸費用低，建材中尾砂制磚工藝技術成熟、完善、成本低、生產流程簡單[3]，故擬采用尾砂充填和尾砂制磚項目對尾砂進行綜合利用。

2.1 尾砂充填經濟效益分析

2.1.1 尾砂充填所需的投資及充填成本計算

根據礦山生產規模，采用尾砂充填，只需新建一座小型充填站即可滿足要求，參照類似礦山所需的投資估算如表1[4]:

表1 充填站投資費用估算表（萬元）

2.1.2 采用尾砂膠結充填的成本（見表2）

建設一座五等庫（總庫容小于100×104m3，壩高小于30 m），若按尾砂壩征地建設及維護費用15元/m3計算[5]，則新建一座尾礦庫平均每年所需的費用約為:15元/m3×6.6×104m3=99萬元。

尾砂充填采礦回采率可由原來的82%提高至95%，每年可以多回收的礦石約(9.9/0.85×0.95-9.9)× 104=1.5×104t，礦石利潤按200元/t計算，則每年可增加300萬元收入。

表2 尾砂充填成本費用計算表

2.2 尾砂制磚的經濟效益分析

本項目初期定為年產1 500萬塊蒸壓尾砂磚，后期可根據市場行情擴大規模，年消耗尾砂量約4.5×104t，總投資約為525萬元。經初步核算，尾砂制磚的綜合成本約為0.15元/塊，售價按0.2元/塊，扣除成本，每塊磚純利潤約按0.05元/塊計算[6]，每年可為礦山增收75萬元。

以上，采用充填法開采和尾砂制磚工藝，每年企業可為增加370萬元收入，扣除充填設施和尾砂制磚生產線的投資，約3年即可收回成本，經濟效益明顯。

尾礦綜合利用還具有以下優點[2]:

1）無需新建尾礦庫，減少投資，不存在尾礦庫潰壩現象和閉庫問題；2）尾礦充填采空區可以從根本上解決采空區垮塌對周邊環境的影響，消除安全隱患；3）尾砂建材不僅可以實現尾礦零排放，還可以為企業創造經濟、社會、環境效益；4）采空區充填技術已經成熟，也是今后礦山開采的發展方向。

綜上所述,尾砂綜合利用是實現礦山無廢開采，綠色開發，可持續發展的最有效途徑。

3 尾砂充填系統

3.1 開采系統

礦山采用淺孔留礦嗣后充填采礦法，分兩步回采，第一步先間柱，形成空區后，采用膠結充填，作為連續支撐柱；第二步回采礦房，礦房回采結束后，直接采用高濃度尾砂充填采空區。

3.1.1 礦房礦柱尺寸的確定

膠結充填采礦法的礦房礦柱尺寸，除根據礦石的穩固程度確定外，還需考慮在經濟上是否合理，即在礦石穩固性允許的條件下，礦房應盡量采用較小尺寸，礦柱可采用較大尺寸，以節省膠結充填費用，降低采礦成本[7]。

3.1.2 采用地壓理論計算確定

前蘇聯學者薩斯列夫通過研究巖石的壓力曲線，認為巖石的抗拉強度遠遠小于抗壓強度，造成開采空間頂板冒落的主要原因是頂板中拉應力作用的結果，開采空間頂板的拉應力隨著其跨度的增大而增加。近年來的大量研究成果也已證明，一般情況下，巖石的單軸抗拉強度僅為單軸抗壓強度的1/10，因此，礦房和礦柱跨度以開采空間頂板所允許的拉應力來確定。

本礦礦體頂底板圍巖主要是花崗巖，均屬半堅硬～堅硬巖石。為了確保開采的安全，以強度較低的大理巖的力學指標為參數進行計算。開采深度按200 m計，花崗巖容重γ=2.3～2.8 t/m3，取平均值γ= 2.55 t/m3；泊松比u=0.2～0.35[8]，取平均值0.275；則側壓系數:

單軸抗拉強度σt=6.68～24.5 MPa[9]，取小值σt= 6.68 MPa=700 t/m2，安全系數n=3(因礦柱不需長期保留，且開采空間形成后不久即進行充填），則花崗巖許用拉應力為:

開采空間的跨度a可根據“拉應力條件計算極限跨度”的公式求得，即:

式（3）計算得出11.4 m的跨度較小，原因是開采空間頂板是水平的,若頂板為拱形則可顯著加大；若頂板拱高能與自然平衡拱的拱高相同，則開采空間頂板跨度可以容許很大。

根據上述計算，結合所采用的淺孔留礦嗣后充填采礦法，設計取礦房的寬度為10 m，礦柱的寬度為5 m。礦塊分兩步回采，第一步先采礦柱，形成空區后，采用膠結充填，作為連續支撐柱；第二步回采礦房，礦房回采結束后，直接采用高濃度尾砂充填采空區。膠結充填占1/3。

3.1.3 礦塊構成參數

礦塊沿著礦體走向布置，長度40～50 m，中段高度40 m，每個礦塊分為多個礦房開采。

3.1.4 采準切割

礦房和礦柱均布置聯絡道、切割平巷及切割上山。

3.1.5 鑿巖爆破

礦房和礦柱均采用YT-28型氣腿式鑿巖機鑿巖，淺孔爆破。

3.1.6 回采

礦房和礦柱的回采均以拉底巷道為自由面，然后挑頂，拉低的高度2～2.5 m，采場采用分層回采，每次分層高度為2 m左右，挑頂至礦體頂板。

3.1.7 采場通風

新鮮風流由主運輸巷道進入人行通風天井，沖洗工作面后,污風經回風天井進入上中段回風巷道，再由總回風巷道排出地表。

3.1.8 礦石運輸

采場爆破下的礦石,由人工裝上自卸汽車后，運至選礦廠。

3.1.9 采場頂板管理

在爆破結束后，裝礦前，應對頂板浮石進行處理，頂板浮石采用人工處理，對局部不穩定地段采用留設礦柱方式進行支護。

3.1.10 采場充填作業

1）礦柱膠結充填

礦柱回采結束，清理場地后，在采場內架設充填管路，聯絡道安裝濾水門，然后向采空區注入膠結充填材料。

2）礦房充填

礦房充填與礦柱充填類似,準備工作結束后，向采空區注入高濃度尾砂充填材料。

3.2 充填設施

我國大部分采用管道充填的礦山，料漿濃度一般在60%～65%[10]，本項目為首次采用，充填料漿濃度采用平均值62.5%。由于地表充填站與井下充填采場之間的高差達100 m以上，因此，可以采用自流輸送充填料漿的方式進行充填。井下充填系統分為兩步,第一步充填礦柱采空區采用膠結充填，即采用立式砂倉制備的高濃度尾砂漿通過流態化造漿技術活化后，自流至攪拌桶與水泥倉放出的水泥攪拌均勻，并經過充填管路自流至井下充填管網進行充填。第二步充填礦房采空區采用高濃度尾砂充填。選廠排出的尾砂漿通過管道泵送至充填站立式砂倉，全尾砂漿通過添加絮凝劑加速沉降濃縮，之后經過充填管路自流至井下充填管網進行充填。

充填站配備一座立式砂倉，一座水泥倉及其攪拌裝置，立式砂倉容積為500 m3，水泥倉容積為200 m3。水泥為散裝水泥，由水泥罐車運到充填站，并通過水泥罐車自帶壓縮空氣系統吹入水泥倉。水泥倉頂設有倉頂吸塵器。膠結充填時，根據設計的灰砂比提供所需的水泥量，通過由變頻器控制的螺旋輸送機,將水泥倉內水泥輸送至攪拌桶與尾砂混合，攪拌均勻后通過充填管路自流至井下充填管網。充填管路系統參數為:管徑Φ100 mm、濃度62.5%、料漿流量60～80 m3/h。

3.2.1 管道輸送系統

充填料制備包括尾砂給料線、水泥給料線、調濃水供給線、充填料攪拌輸送線等。

3.2.2 通信設施

對于尾砂充填系統，通信系統的暢通是非常重要的。遇到充填事故時，應及時通知地表停止輸送充填料。

充填采場、充填攪拌站、充填調度室等處應設專用電話相互聯系，以保證充填過程的暢通。

3.2.3 管道沖洗

每次充填作業結束后,應用清水沖洗管道，清除殘留在管道中的尾砂，確保管道不被堵塞。清洗管道的污水不能流入采場。

4 尾砂制磚工藝

礦山每年產生的尾砂除了充填采空區外，還有部分剩余，由于礦山所處位置交通便利，運輸費用低，而且當地政府部門出臺政策鼓勵礦山企業進行尾礦綜合利用,同時尾砂制磚工藝技術成熟、生產流程簡單，因此，本項目采用尾砂進行制磚，以徹底解決尾砂排放問題。

本項目暫定為年產1 500萬塊蒸壓尾砂磚，年消耗尾砂量約4.5×104t，后期可根據市場行情擴大生產線。

尾砂制磚工藝簡述如下[11]:

1）物料平衡配比

尾砂∶砂子∶石灰∶水泥=0.65∶0.1∶0.15∶0.1。

2）原材料儲存及制備

生石灰塊由自卸汽車運入廠內，倒入破碎機受料斗，用顎式破碎機破碎成粒徑≤25 mm的石灰顆粒，斗式提升機送入生石灰庫內儲存。庫內的石灰經皮帶給料機定量向球磨機送料磨成石灰粉，當物料細度達到3 500～4 000 cm2/g后，經螺旋給料機、計量稱計量后待用。

石英砂由自卸汽車運入廠內，堆放在堆棚內，由裝載機倒入配料機的儲料斗中待用。

選礦廠尾砂漿通過管道泵送至制磚廠，通過尾砂脫水機脫水后的干尾砂由皮帶輸送機輸送至堆棚內，再由裝載機倒入尾砂配料機儲料斗中待用。

3）配料攪拌機

儲存在儲料斗內的干尾礦和石英砂，經計量斗計量后,由皮帶輸送機送入攪拌機的爬斗內待用，同時將石灰粉倉內的粉料按配比要求由螺旋給料機經計量斗計量后待用。生產時按加入爬斗內的物料、螺旋給料機的石灰粉、水先后順序經計量后依次卸入攪拌機，攪拌后，混合料送入消化倉，消化時間2～3 h。消化好的混合料經過輪碾機碾壓后，由皮帶輸送機送入成型機受料斗。

4）磚坯成型

成型機受料斗將混合料送入壓機模具，壓制成磚塊，每次成型32塊，成型周期13～16 s，成型磚塊由皮帶輸送機送至碼坯機，再由碼坯機碼放在蒸壓小車上。

5）蒸壓養護

碼好磚坯的蒸壓小車移至蒸壓釜編組軌道，再由釜后移動式卷揚機拉入蒸壓釜內進行蒸壓養護。蒸壓小車進去后關好釜門，開啟真空泵約0.5 h以排除釜內空氣，再送入飽和蒸汽進行養護。養護時間:升壓2.0 h、恒壓7.0 h、降壓1.5 h，整個養護時間約10.5 h。養護結束后，卷揚機將蒸壓小車連同成品拉出至釜后軌道上，再通過成品叉車將蒸壓養護車上的成品磚碼放到成品堆場中。蒸壓小車返回碼坯機重復工作。

5 總結

福建省三明市明溪縣胡坊螢石礦尾砂綜合利用項目的實施，不僅可以大量消耗尾砂，減少環境污染，提高資源回采率，實現礦山無廢開采，綠色開發。而且可以增加當地就業，為企業創造經濟效益、環境效益和社會效益，具有廣闊的應用前景。

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