全尾砂膏體充填在拉么鋅礦的研究與應用

李鎮瀚

(柳州華錫有色設計研究院有限責任公司， 廣西 柳州市 545001)

全尾砂膏體充填在拉么鋅礦的研究與應用

李鎮瀚

(柳州華錫有色設計研究院有限責任公司， 廣西 柳州市 545001)

隨著礦山持續發展，廢石、尾砂等大量工業固體廢料堆放地表，尾礦排放和處理仍然是金屬礦山亟待解決的難題之一。文章闡述了全尾砂膏體充填的工藝特點，詳細介紹了該工藝在拉么鋅礦的研究與應用。拉么鋅礦取得了全尾砂膏體充填技術的突破，成為了西南地區首家采用此新工藝的礦山，為今后全尾砂膏體充填技術的應用和推廣提供了寶貴經驗。

全尾砂膏體充填；沉降；密閉墻；濾水

拉么鋅礦隸屬廣西有色集團公司，是以開采鋅、銅礦為主的礦山，礦山設計生產能力25.5萬t/a。目前，礦山井下已開拓有10個生產中段，開采最低水平為470 m水平。地表配套建設有兩座選礦廠，選廠設計總規模45萬t/a，日處理能力1500 t/d。礦山年生產金屬量3萬t/a，其中Zn金屬8000 t，Cu金屬500 t，硫鐵礦金屬21500 t。

1 礦床開采技術條件及采礦方法

拉么鋅礦礦區地形復雜，區內山巒起伏，地勢陡峻，海拔570～1140 m。礦床為拉么鋅礦段的籠箱蓋鋅銅礦床。礦床主要類型有：矽卡巖型緩傾斜似層狀鋅銅多金屬礦床；陡傾斜裂隙充填、交代鋅銅多金屬礦床。礦區水文地質條件簡單，主要地下水類型有碎屑巖夾碳酸鹽巖溶洞裂隙水和基巖裂隙水。礦體賦存在扁豆灰巖、細條帶硅質巖、泥灰巖及頁巖中，屬堅硬-半堅硬巖石。礦體頂底板一般為灰巖或花崗巖，圍巖蝕變較強，穩固性好。礦石硬度中等，穩固性好，多呈浸染狀結構、塊狀結構和團塊狀結構。礦體多為緩傾斜薄礦體，傾角20°～30°，礦體最小厚度0.7 m，最大厚度10.3 m，礦體平均厚度4.3 m。

根據礦體特征及產狀，拉么鋅礦以潛孔留礦采礦法為主，全面空場采礦法為輔進行井下開采，形成空區規模小，空區穩定，坡度緩和，對全尾砂膏體充填空區較為有利。

2 尾礦性質及沉降實驗

2.1 尾礦性質

目前，拉么鋅礦尾礦量為1392 t/d，尾礦干量約16.32萬 m3/a。為了解掌握拉么鋅礦尾礦的性質，進行了尾礦粒度分析實驗。實驗從尾礦濃縮池的給礦采集礦漿樣本，樣本濃度現場測定為18%。將實驗采集的礦漿烘干、拌勻，并進行縮分制樣。尾礦粒度分析成果如表1所示。

表1 尾礦粒度顆分析結果

試驗結果表明拉么鋅礦的尾礦以中細粒為主，細度-0.037 mm(-400目)粒級產率為22.9%，-0.074(-200)目粒級產率為57.3%。尾礦的成分含量：Zn 0.3%、Cu 0.04%、S 2%～3%、Fe5%～7%、As 2%～3%、Sn 0.01%～0.1%、W 0.01%～0.1%，其它細砂成分為硅質巖、泥灰巖、頁巖等。尾礦真比重3.2～3.3 t/m3，堆積容重1.8 t/m3。

2.2 尾礦沉降實驗

礦樣配漿按礦漿重量濃度7%、10%、13%、18%和20% 5種進行調配，添加河北陰離子絮凝劑，分別進行靜態絮凝沉降對比試驗，試驗結果詳見圖1、圖2。

尾砂沉降高度用沉降臨界點上的凈水高度來計算。從圖1可知，在加藥量相同的條件下，礦漿濃度提高，沉降速率反而下降，且濃度越高，下降幅度越顯著。由圖1、圖2表明，礦漿濃度升高，絮凝劑用量增加十分明顯，用藥量加倍。

綜合所述，礦漿濃度和絮凝劑的用量是影響靜態絮凝沉降效果的重要因素。濃度越高，顆粒間相互作用越明顯，布朗運動越劇烈，尾砂沉降越難實現。

圖1 5 g/t河北陰離子絮凝劑沉降曲線

圖2 10 g/t河北陰離子絮凝劑沉降曲線

對于配漿濃度與給礦濃度(18%)相同的礦樣，加10 g/t絮凝劑所需沉降時間約2 min。加入絮凝劑后，溢流中最大顆粒的粒徑dx，根據顆粒沉降速度相對提高的倍率，可由Stokes theorem公式求出。按常規設計濃縮溢流粒徑0.005 mm計算，則：

當ν=14.3時：

這說明在獲得相同溢流水質的情況下，添加絮凝劑后，礦漿中的微細礦泥迅速絮凝，溢流中最大顆粒粒徑可由原來的5 μm快速增大至19 μm，微細泥粒度變粗數倍，沉降加速，微細泥含量大幅減少。

考慮回用水中絮凝劑殘余量對浮選的影響，本設計的絮凝劑添加量設定為10 g/t。根據試驗曲線計算，添加10 g/t絮凝劑的處理能力為396 kg/m2h。

3 充填工藝及應用

3.1 膏體制備及輸送

為減少地表尾礦排放，控制選礦廢水外排，防止重金屬污染源擴散，降低生產運行成本，同時滿足井下充填的需要，本研究設計采用“低濃度尾礦→濃縮→膏體(或近膏體)尾礦，濃縮溢流回用選廠”的尾砂制備工藝流程，對選廠排放的低濃度尾礦進行濃縮處理，制備成膏體尾礦，充填井下采空區，選礦廢水全部循環再利用，消除污染源對周邊環境的影響。工藝流程見圖3所示，尾礦濃縮指標見表2。

圖3 尾礦處理工藝流程

表2 尾礦濃縮過濾設計指標

產品濃度/%尾砂分布t/dt/h尾水分布m2/dm2/h濃縮底流701389．857．911921．380濃縮溢流0．052．220．094420182．4給礦18139258．006341．3264．2

設計采用高壓濃密機將尾礦漿濃縮至68%～70%，礦漿最大密度1.95 t/m3，尾礦漿輸送量為1018.4～1076.9 m3/d，即42.4～44.8 m3/h。尾礦輸送泵應具有20%的富余能力，則泵的輸送能力應大于54 m3/h。

尾砂環管實驗采用Φ108 mm×12 mm的無縫鋼管。試驗結果表明，采用內徑為Φ96 mm的管道輸送尾礦漿時，管道的沿程損失較大，為減小砂漿輸送的阻力，應增大尾礦輸送管的管徑。設計規范規定礦漿遠距離管道輸送的最小管徑為Φ108 mm，尾砂輸送的速度應大于其臨界流速，因此，設計采用Φ133 mm×8 mm的無縫鋼管作為輸送管道。

管徑和流速的關系式為：

當輸送管道內徑由Φ96 mm增大至Φ117 mm后，尾礦漿體的流速由1.65～1.74 m/s降至1.11～1.17 m/s，流速的減小，大大降低輸送過程中的沿程損失。

膏體制備站建設在選廠重選車間附近，膏體站標高+538 m，膏體尾砂輸送至采空區最大輸送距離2.5 km，最大輸送高差85 m。由于高濃度尾礦漿料的流動性差，輸送距離較遠，輸送高差大，輸送阻力大等因素，設計采用管道泵壓輸送尾礦漿料。壓力泵選用3-D6M6/60-BY-IA隔膜泵，輸送管道采用Φ133 mm×8 mm無縫鋼管，具體設備及參數見表3。

表3 尾礦制備輸送系統設備明細表

3.2 采空區密閉及密閉墻厚度計算

經現場調查核實，拉么鋅礦井下可實現膏體尾砂充填采空區有0#空區、3#空區、5#空區及15#空區，為防止充填時發生跑漿、漏漿等事故，避免充填尾礦污染井下巷道，對采空區底部通口進行密閉，主要密閉、濾水措施是在采場的底部各出礦進路和順路天井的聯絡道內構筑立面脫水墻，并通過采空區上部的回風巷等通口向空區內排放廢石，在形成4～5 m廢石濾水層后，再向采空區內排放高濃度尾礦漿。

3.2.1 密閉墻設計參數

密閉墻支撐面與巷道中心線夾角α、β值由圍巖性質確定，拉么鋅礦圍巖穩定性系數f>6，取α=30°，β=60°。

密閉墻設計為C20鋼筋混凝土墻，密閉材料強度按現行的鋼筋混凝土結構設計規范取用，加兩排鋼筋，鋼筋排距150～200 mm，網孔100 mm×100 mm。C20混凝土軸心抗壓強度fc為10 MPa，軸心抗拉強度ft為1.1 MPa，抗剪強度fv=0.75(fcft)1/2。按0.95的安全系數折算，則fc=9.5 MPa，ft=1.05 MPa，fv=2.369 MPa。

3.2.2 密閉墻承壓計算

膏體尾砂充填采空區，礦漿對密閉墻的作用主要以靜壓為主，可忽略動壓的影響。參照流體力學公式及其他計算方法，密閉墻上的最大承壓可按照以下公式計算：

(1) 依據流體力學理論

P=ρgH

式中,ρ為尾礦漿密度，取1.8 t/m3；H為尾礦漿高度；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

(2) 按尾礦庫內排水管荷載計算

Pmax=γiξgHw+γogHD

式中,γi為尾礦密度，取1.6 t/m3；γo尾礦水密度，取1 t/m3；ξ為側壓系數，取0.49；Hw為尾礦表面高度；HD為尾礦水高度；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

(3) 按尾礦庫內排水井荷載計算

Pmax=(1-sinδ)γigHw+γogHD

式中,δ為尾礦有效力抗剪角度，一般取5°～10°；γi為尾礦密度，取1.6 t/m3；γo為尾礦水密度，取1.0 t/m3；Hw為尾礦表面高度；HD為清水高度，一般可取HD=Hw×2；g為重力加速度，取9.8m/s2。

為確保密閉墻承壓的可靠性，取3個計算值中的最大值作為密閉墻的計算承壓。結果見表4所示。

表4 采空區密閉墻承壓計算結果

3.3.3 密閉墻厚度計算

目前沒有具計算體密閉墻厚度的公式，參照《采礦手冊》井下防水閘門硐室的設計，密閉墻厚度采用楔形計算方法計算，具體如下。

(1) 按抗壓強度計算：

式中，W為計算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；P為作用在密閉墻上最大承壓；fc為混凝土軸心抗壓強度。

(2) 按抗剪強度計算：

式中，W為計算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；P為作用在密閉墻上最大承壓；fv為混凝土軸心抗剪強度。

(3) 按抗滲透性條件計算

W≥48Khab

式中，W為計算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；K為考慮井下密閉墻的抗滲性要求，取0.000015；h為設計承壓相對的靜水壓頭高度。

為了簡化計算，取一個具有代表性的巷道斷面來計算，拉么鋅礦為有軌礦山，巷道斷面尺寸均按3.0 m×2.5 m計算，密閉墻嵌入巖體深度D=Wtan30°。密閉墻的混凝土密閉結構安全等級為一級，結構安全系數取1.1，永久作用荷載分項系數取1.4，考慮井下隔水密閉的永久性和抗震性，增加富余安全系數1.4，則P設計=2.156P計算。按照上述3種計算方法，并增加2.156倍的安全系數，分別對各個采空區密閉墻厚度進行計算，計算結果詳見表5。

表5 采空區密閉墻厚度計算結果

考慮密閉墻的重要性，施工時應設監工，并嚴格按照施工要求施工。

3.3 充填濾水

充填濾水是一個重要的工藝環節，很多礦山都忽略了這一點。充填的濾水效果直接影響整個充填空區的穩定和安全。若充填尾水不能排出采空區，尾砂無法固結，會影響采空區的穩定，增加井下安全風險，對人員及井下設備的安全構成嚴重威脅。

為了解決上述問題，本設計的濾水系統由濾水管、密閉墻和沉淀池組成。在充填采空區前，預先對空區底部通口進行有效密閉，構筑巷道密閉墻等密閉措施。將濾水管布置在空區底部及沿斜底板敷設至空區頂部。濾水管采用#型布置，間隔15 m～20 m，并相互連通構成網狀脫水結構，主濾水管從空區底部接出，穿過密閉墻接入采空區外的沉淀池。濾水管采用PE100(SDR11)聚氯乙烯承壓管，承壓管直徑50 mm，厚4.6 mm，承壓1.6 MPa。管壁四周均勻開設直徑20 mm的排水孔，排水孔采用梅花型布置，間隔30 mm。在濾水管外包裹工業濾布，一般只包一層，濾布目數根據尾砂性質確定，這里取150目，其目的是只允許水通過，阻止尾砂進入濾水管，從而實現尾砂脫水。尾水以自流的方式，分兩個主要過程排出空區，一是在尾砂充填空區時，尾砂與濾水管網接觸時會有部分流動的尾水進入濾水管后排出空區；二是尾砂自然沉降時，尾水上浮后從濾水管網排出空區。

本系統投資成本低，操作容易，可以快速排出尾砂中的重力水，使充填空區尾砂快速沉降，大大縮短尾砂達到穩定的時間，并且濾出的尾水為清水，無需處理，可回收再循環利用。

3.4 充填制度

全尾砂膏體充填為非膠結充填，充填的尾砂料漿需有足夠的時間沉淀脫水，因此不能連續長時間充填，且充填后讓尾砂要處于自然沉降的狀態，不能使尾砂受到擾動或震動的影響。

為使尾砂充分沉淀，全尾砂膏體充填采用間隔充填的充填制度，因此充填前應準備3個以上采空區。一次作業只充填一個空區，一次作業充填時間不超過8 h，間隔時間16 h以上。拉么鋅礦采用從近到遠的充填原則，首充3#空區，充填8 h后轉向充填0號采空區，最后依次充填5#和15#空區，如此交替往復。每次充填結束，直接從隔膜泵用清水清洗管道，清洗完畢后可進行下個采空區充填。

根據尾砂產出量1400 t/d計算，尾砂密度為1.6 t/m3，則尾砂產出量換算為875 m3/d。根據現場調查測量出各個采空區的體積可計算出各個采空區的充填時間，詳見表6。

表6 各個采空區充填時間明細表

整個工程可充填尾礦386 d，可實現約33萬m3的尾礦排放，可減少尾砂地表排放。

3.5 充填注意事項

(1) 充填工作開始前，先用清水沖洗輸砂管道，防止尾礦堵管，并檢查管道是否滲漏，如有滲漏，應及時處理；

(2) 在充填空區過程中，做好巷道密閉墻、溜井、上山和人行天井的監測工作，如發現泄漏，須及時停止充填工作，并及時向有關部門匯報；

(3) 采空區濾出的尾砂水需及時處理，避免污染井下環境；

(4) 各采空區充填交替時，做好轉接工作，及時沖洗管道；

(5) 做好危險警示和照明工作，充填過程中，嚴禁作業人員進入采空區。

4 總 結

通過在拉么鋅礦的全尾砂膏體充填實驗與研究，結合現場實踐的結果，得出如下結論：

(1) 全尾砂膏體充填穩定的濃度為65%～70%,最大可達73%，尾礦穩定輸送壓力為1.5～2 MPa,流量約60 m3/h。

(2) 全尾砂膏體充填采空區，可以減少尾礦地表堆存排放，防止尾水污染環境，且膏體尾砂其含水量少，能有效控制地壓，對井下環境影響小。

(3) 全尾砂膏體充填采空區濾出尾水為清水，可簡單處理或不處理后，再循環利用。

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[2]《中國選礦設備手冊》編輯委員會.中國選礦設備手冊[M].北京：科學出版社，2008(8).

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[7]王新民，古德生，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術[M].長沙：中南大學出版社，2010(12).

2014-07-03)

李鎮瀚(1989-)，男，廣西來賓人，采礦助理工程師，工程學士，主要從事采礦方法及井下充填工作，Email:675870987@qq.com。