程潮鐵礦全尾砂膠結充填質量控制

張志威，孫 達，王 韜，何 東

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

程潮鐵礦全尾砂膠結充填質量控制

張志威，孫 達，王 韜，何 東

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

介紹了程潮鐵礦全尾砂膠結充填生產(chǎn)的工藝流程，闡明了為保證充填質量所采取的監(jiān)測控制措施，包括充填造漿濃度和膠凝劑給量的計算方法與控制，充填體強度監(jiān)測，以及充填料漿流動性與泌水率的控制，通過質量控制，不僅滿足了安全生產(chǎn)強度要求，還將充填體膠凝劑用量控制在0.121 t/m3以內，有效降低了充填成本。

全尾砂膠結充填；質量控制；充填體強度

1 全尾砂膠結充填工藝

武鋼集團程潮鐵礦充填站是湖北省首座全鋼結構充填制備站，于2011年3月開工建設，并于同年12月底通過主體工程驗收。2012年7月，充填站試運行生產(chǎn)并一次試車成功，并于同年10月份正式為程潮鐵礦提供充填采礦服務。

充填站采用全尾砂膠結充填自流輸送工藝。充填材料主要是以程潮鐵礦濕選尾礦為骨料，無需分級，通過脫水后配以一定比例的膠凝劑混合，經(jīng)過活化攪拌，利用管道自流輸送至井下充填區(qū)，整個生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 全尾砂膠結充填工藝流程

尾砂從尾礦壩泵送至充填站立式砂倉經(jīng)過自然沉降，待上層水澄清之后，通過砂倉倉壁不同高度的排水孔排出清水，將尾砂濃縮至合適的濃度，排出的清水泵送至尾礦壩。

尾砂漿的制備采用風水聯(lián)動造漿，在立式砂倉底部鋪設環(huán)形管道，環(huán)形管道上相隔一定間距安裝噴嘴裝置，先后通過水泵抽水和空壓機供風對環(huán)形管道施以水壓和氣壓使脫水后的尾砂翻滾均勻，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求，造漿后的濃度控制在64%～75%之間。

充填生產(chǎn)時，通過電動膠管閥控制砂漿流量，技術人員通過數(shù)控面板實時監(jiān)視流量數(shù)據(jù)，并按生產(chǎn)需要控制雙管螺旋給料機給料速度將膠凝劑配比調整至合適值，經(jīng)過緩沖槽后的尾砂漿與膠凝劑一起進入到雙軸攪拌機進行一段混合攪拌，然后再經(jīng)過高速攪拌機進行二段活化攪拌，活化后的充填料漿，通過充填管路自流進入井下采空區(qū)進行充填。通過對反沖洗水水量進行調節(jié)，可以根據(jù)生產(chǎn)需要，將充填料漿最終濃度控制在65%～72%之間。

整個生產(chǎn)過程均由技術人員在中控室遠程操控并實時監(jiān)控，充填生產(chǎn)完全實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化管理。

2 充填質量監(jiān)控

2.1 充填造漿濃度的控制

程潮鐵礦充填站尾砂來自尾礦壩在線尾礦，礦漿性質不穩(wěn)定，在溢流變渾濁即停止進砂(溢流濃度≥5%)，通過對進砂和溢流性質進行監(jiān)測，計算得出進砂時砂倉中的尾砂干固量值，再根據(jù)尾砂漿濃度范圍取值，計算出砂倉中所需造漿水量的大小，最后計算出需排放清水層水位的高度，從而準確控制充填生產(chǎn)造漿濃度。具體計算方法如下。

式中，D為進砂時砂倉中的尾砂干固量，t；W為進砂流量，m3/h；M為造漿時砂倉中的水量，t；M1為停止進砂時砂倉中的水量，t；H為造漿前通過排水孔排出的清水層高度，m；V為立式砂倉的總體積，m3；r為砂倉半徑，m；ρ1、ρ2、ρ3分別為進砂、清水和停止進砂前的溢流密度；T1為進砂時間，h；T2為開始產(chǎn)生溢流到溢流變渾的時間，h；T3為溢流變渾到停止進砂的時間,h；C、C1、C2、C3分別為尾砂漿質量濃度(C取值64%～75%之間)、尾礦質量濃度、清水溢流濃度(C2=0)和停止進砂時溢流質量濃度(可看作溢流開始產(chǎn)生濃度時濃度呈線性變化)。

2.2 膠凝劑給量計算與控制

膠凝劑的材料成本約占礦山充填生產(chǎn)總成本的50%～65%，如何精確控制膠凝劑給量是相當重要的，給量偏低會造成充填體的強度達不到生產(chǎn)要求，而給量偏高又會產(chǎn)生不必要的成本。

充填生產(chǎn)時，膠凝劑的給量主要是通過對中控室電腦設定給量值，由電腦根據(jù)放砂流量自動調節(jié)螺旋給料機的頻率進行控制，給量值經(jīng)過技術人員對尾砂性質(比重、容重等)檢測后經(jīng)過計算得出。尾砂比重、尾礦漿容重、料漿濃度以及膠凝劑給量之間計算公式如下。

式中,ρ3為尾砂干比重；ρ4為尾砂漿比重，g/L；v為已知濃度壺體積，mL；M1和M2分別為已知濃度壺質量和裝滿料漿的濃度壺質量，g；C為充填料漿質量濃度，%；A為灰砂比；W1為放砂流量，m3/h；N為膠凝劑給量，t/h。

由于井下礦石性質變化以及選礦流程變化，選廠尾砂性質會出現(xiàn)波動，計算所得尾砂比重數(shù)據(jù)會隨此產(chǎn)生偏差(波動幅度約為±0.08)，因此需要實時監(jiān)測并更新尾砂性質的檢測數(shù)據(jù)，否則會影響膠凝劑的精確給料。例如：當設計灰砂比為1∶8時，尾砂比重按照2.80 t/m3計算將比按照2.95 t/m3計算的單倉充填膠凝劑消耗量多3.407 t，按每年充填137倉尾砂(約10萬m3)，膠凝劑單價500元/t計算，充填站每年約增加成本23.33萬元。

2.3 充填體強度監(jiān)測

充填體的抗壓強度是關系到充填法采礦生產(chǎn)安全的重要指標，必須對每一次充填的充填體進行抗壓強度檢測，并通過檢測結果指導現(xiàn)場生產(chǎn)。目前程潮鐵礦充填站使用的檢測方法是對地面0 m平臺的在線充填料漿進行取樣，用標準三聯(lián)試模鑄模后放入養(yǎng)護箱進行恒溫恒濕養(yǎng)護，并對不同養(yǎng)護期的試塊進行抗壓強度檢測。

實驗室結果表明，充填料漿濃度68%，灰砂比分別為1∶12，1∶8和1∶6時，可滿足沿走向上向分層充填法不同水平層抗壓強度要求。現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)適當降低灰砂比，減少膠凝劑用量，充填體強度仍滿足安全生產(chǎn)強度要求。因此，通過對現(xiàn)場充填體強度的實時監(jiān)測，將膠凝劑用量控制在滿足強度要求的最小值，既能保證安全生產(chǎn)又節(jié)約了膠凝劑成本，如表1所示。

表1 沿走向上向分層充填法膠凝劑用量表

2.4 充填料漿流動性能和泌水率控制充填料漿的流動性能和泌水率是充填生產(chǎn)中兩個重要的指標，二者有著密切聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，相同細度時，充填料漿濃度越低，充填料漿流動性能則越好，泌水率越大；相同濃度時，充填料漿中-55～+200目粒級含量越大，流動性越好，泌水率越大。

充填料漿泌水率過高不僅會使井下充填體產(chǎn)生離析現(xiàn)象，影響充填體的強度，而且凝固后的充填體體積減小，充填效率降低；若充填料漿流動性能差則會容易引起充填管道堵塞。根據(jù)國內外礦山充填經(jīng)驗，充填體泌水率應控制在10%以下。

充填料漿的流動性能一般用坍落度進行衡量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，當坍落度在23～27 cm范圍內，可滿足自流輸送要求，滿足該坍落度條件的料漿濃度即為充填站料漿制備的合理濃度范圍。經(jīng)檢測，程潮充填站充填料漿的合理濃度為65%～72%。在實際生產(chǎn)中，遇到以下幾種情況時，需要在上述濃度范圍內調整料漿的流動性和泌水率：

(1) 生產(chǎn)中，當尾砂粒度偏細時，通過增加反沖洗水量，降低料漿濃度，提高流動性；同時，對充填料漿進行坍落度試驗，綜合觀察料漿的粘聚性、保水性以及現(xiàn)場下料情況，避免發(fā)生堵管事故。

(2) 在充填的不同時段，充填料漿的濃度會發(fā)生變化，需要臨時通過調節(jié)現(xiàn)場反沖洗水的用量來控制料漿濃度，并對調整后的料漿做坍落度試驗進行衡量，坍落度范圍應在23～27 cm之間，并取坍落度下限對應濃度，降低充填料漿泌水率。

(3) 充填生產(chǎn)時，充填空區(qū)離充填主管越近，充填管路越短，管道阻力損失越少，對充填料漿流動性的要求越低，可適當提高充填料漿濃度；其次充填空區(qū)水平越低，充填倍線越小，充填料漿自流輸送越容易[3]，此時也可適當提高充填料漿濃度。

3 結 語

眾所周知，礦山充填法是一種高成本的采礦方法，所以提高充填效率以降低生產(chǎn)成本對國內外的礦山充填站顯得尤為重要。武鋼集團程潮鐵礦充填站通過對工藝和設備的不斷優(yōu)化和改進，生產(chǎn)逐漸趨于成熟，通過對生產(chǎn)質量進行監(jiān)控，不僅滿足安全生產(chǎn)強度要求，并且降低了膠凝劑成本，根據(jù)統(tǒng)計，程潮鐵礦井下充填體消耗膠凝劑用量為0.121 t/m3，充填體所需膠凝劑成本為60.5元/m3。

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2015￣03￣26)