礦山膏體充填系統水泥添加方式的工業試驗

楊志強,陳得信,高 謙,王 虎

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院,北京 100083;2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室,甘肅 金昌 737100)

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礦山膏體充填系統水泥添加方式的工業試驗

楊志強1, 2,陳得信2,高 謙1,王 虎1, 2

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院,北京 100083;2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室,甘肅 金昌 737100)

為了完善膏體充填工藝,提高膠結充填體強度,進行了膏體泵壓輸送系統中的水泥添加方式研究;針對金川礦山深井和長距離管道輸送系統,開展了井下添加水泥漿和添加水泥粉兩種方式的地表工業試驗。結果表明,當全尾砂與碎石的質量比為5∶5和灰砂質量比為1∶8時,28 d膏體抗壓強度分別達到3.4 MPa和3.9 MPa。當采用添加水泥漿方式,膏體抗壓強度隨添加水泥漿質量濃度的增加而提高;但當膏體和水泥漿質量濃度不變時,膏體強度隨水泥漿加入量的增加反而降低,由此確定添加水泥漿方式的合理添加量為200 kg/m3。當采用添加水泥粉方式時,膏體抗壓強度隨添加水泥粉量的增加而顯著提高;但當膏體中加入過量的水泥粉后，會失去塑性和降低其流動性造成堵管;根據試驗,對于全尾砂與碎石的質量比為6∶4的混合骨料,添加水泥粉量不宜超過180 kg/m3。本研究為完善膏體工藝和提高充填體強度提供重要的理論依據。

金川礦山;膏體充填系統;水泥添加方式;工業試驗

膏體充填涉及現代工業的多項高新技術,如細顆粒砂漿濃縮脫水技術和濃密設備、高濃度漿體泵送設備、活化攪拌設備、充填料漿優化配比設計理論與優化技術，以及計算機在線自動控制技術等,是現代采礦技術含量最高的采礦方法。膏體質量濃度高,料漿充填到采場無需脫水、減少井下充填污染與排水費用、充填體強度高且水泥耗量小;同時,膏體系統利用尾砂、廢石進行充填法采礦,不僅降低充填采礦成本，提高充填采礦經濟效益,而且還實現廢棄物資源化利用和無廢或少廢開采,有利于礦業可持續發展[1-7]。作為國家重點項目,1999年在金川二礦區建成我國首座膏體充填系統。由于膏體充填系統的復雜性以及國內尚無借鑒經驗,投產后的膏體充填系統一直處于非正常運行狀態,金川礦山對該系統進行了多次調試及工業試驗研究。在充填料配比及可泵性、水泥添加方式、尾砂脫水及供料、膏體制備工藝及裝備、生產組織管理等方面,開展了大量工藝研究和技術改造[8-12],使膏體充填系統逐步實現正常生產。2006和2007年，充填量分別達到83 746 m3和156 348 m3,2009年達到設計能力的20萬 m3。

水泥添加方式是膏體充填系統技術改造的重要環節之一,國內肖尚武等人對此開展研究,提出將添加水泥放在坑內實施方案[13]。針對金川礦山膏體充填系統,筆者通過干和濕兩種水泥添加方式的工業試驗研究,獲得了適用于金川礦山膏體充填系統的水泥添加方式的技術與工藝。

膏體充填通常添加不同比例的水泥膠凝材料,使充填體強度滿足充填采礦工藝要求。因此,水泥添加方式與精確控制不僅影響充填體強度,而且還決定充填采礦成本。根據各個礦山采礦技術條件,世界各國膏體充填系統選用不同的添加水泥方式。圖1所示為在地表泵站添加、井下泵站添加和充填工作面前添加3種水泥添加方式。添加水泥狀態又分添加水泥粉和添加水泥漿兩種。不同水泥添加方式具有不同的優缺點。例如，在地表添加水泥粉最簡便,可省去水泥管道輸送系統和添加裝置,但每一循環充填作業結束后需要清洗充填管道,洗管水流入采場,既污染作業環境,還影響充填體質量。井下添加水泥粉雖能夠提高充填料漿強度,但管道輸送系統復雜,技術難度較大。井下添加水泥漿方式簡便、可靠和容易操作,但需要增加一套與膏體并行的管路系統和制漿裝置。以下分別論述各種水泥添加方式和國內外應用研究情況。

圖1 膏體充填水泥添加方式Fig.1 Adding cement ways in paste filling system

1 國內外水泥添加方式

1.1 地表添加水泥粉

常規自流充填系統是在地表添加水泥粉。一般在水泥倉底部安裝有葉輪給料機或螺旋給料機,往往和沖板流量計配合使用,將給料調節和準確計量結合起來,按要求定量向攪拌槽供給水泥,與其他充填料一起攪拌。這種添加水泥方式工藝簡便可靠,但對高濃度充填料漿,由于物料含水量小,連續攪拌時間短,攪拌混合不充分而影響充填體質量。對于地表添加水泥粉方式,如果采用圓盤式強力間斷攪拌機攪拌能夠獲得良好效果。凡口鉛鋅礦全尾砂高濃度自流充填系統采用地表添加水泥粉方式,由水泥倉下的雙管螺旋給料機喂料,沖板流量計計量,與全尾砂濾餅和水一起進入雙軸槳葉式攪拌機進行混合。

1.2 地表添加水泥漿

地表添加水泥漿是將水泥倉定量給出的水泥粉與清水在攪拌槽中先混合,制成一定質量濃度的水泥漿,再送入膏體攪拌槽與全尾砂等充填料混合制備膏體。金川全尾砂膏體泵送充填工業試驗,利用生產系統的高濃度攪拌槽制備水泥漿,再流入雙軸葉片式攪拌機與全尾砂、細石集料混合制備膏體。這種添加方式的水泥與充填料混合攪拌比較充分,能夠保證膏體質量。

1.3 井下添加水泥粉

井下添加水泥粉裝置是從地表水泥倉底部給料裝置開始,布置一條單獨與膏體輸送并行的管路,向井下小型水泥倉風力輸送水泥粉,再由井下水泥倉風力輸送到噴射裝置,在噴射裝置內的水泥粉與膏體混合后噴入采空區。噴射裝置安裝在距膏體充填管排出口大約30 m處。由于長距離膏體管路中未加水泥,因此充填作業結束后不必清洗管道。充填料可暫時滯留在管道中(也稱帶料停泵)長達48 h,最長停留時間可達5 d而不影響下一循環的充填作業。南非庫基(Cooke)金礦采用向坑內泵站膏體攪拌機中添加水泥粉方式。長距離風力輸送水泥粉,特別是在井下環境中輸送水泥粉體是一項復雜技術。根據對水泥廠和礦山考察,地表風力輸送水泥粉的管線最長800 m,而井下尚無水泥粉風力的輸送系統。分析井下輸送水泥粉方式,主要存在以下問題:

1) 壓風凈化問題。壓縮空氣中往往含有油和水,一般的油水分離器還達不到凈化標準，因此管路中的水泥粉與油、水接觸將產生凝結硬化而發生堵管。

2) 井下除塵與污風排放。水泥粉靠風力作載體輸送到目的地，由于井下狹小、潮濕,對粉塵的排放存在很大困難。

3) 風力輸送管道磨損，特別是彎管磨損問題比較突出。

4) 風力添加水泥粉存在計量問題。地表試驗中，在一定管徑條件下,水泥給料量及風壓、風量等參數調控不易掌握,因風力輸送速度很快,可能水泥給量不夠,也可能給料過量使噴射器堵塞。

1.4 井下添加水泥漿

德國格隆德礦井下添加水泥既有水泥粉方式,也有水泥漿方式。井下制漿方法是利用風力將水泥粉輸送到井下小型水泥倉,再經風力轉送到井下接力泵站內的CMK-139水泥制漿機。制備的水泥漿直接采用軟管添加到攪拌槽中,與地表輸送來的膏體混合。這種水泥添加方式能夠使水泥攪拌混合均勻,但膏體質量濃度降低了1%～2%。

1.5 井下添加水泥漿(地表制漿)

考慮到風力輸送水泥粉到井下存在的問題,可采用地表制漿向井下輸送水泥漿，但這種添加方式存在清洗管道的問題。水泥在地表制漿后輸送到井下充填管的排料口附近,通過噴射裝置擠入膏體充填管內,與膏體混合后充入采場。當管道清理不當,使管壁掛漿逐漸縮小充填管徑,甚至使管道報廢。

2 金川礦膏體充填水泥添加方式試驗

為了研究添加水泥粉和水泥漿兩種方式的技術工藝條件、專用設施和操作參數,金川礦山開展了井下添加水泥漿和水泥粉兩組添加方式的地表工業試驗。

2.1 井下添加水泥漿的地表工業試驗

工業試驗充填集料為粒徑大于37 μm分級尾砂和粒徑小于3 mm的棒磨砂,采用0.8 m3混凝土攪拌機制備膏體,裝入混凝土攪拌輸送車運至試驗場喂入泵車,后改用鏟運機地表混拌。該泵車為芬蘭Luomiter井下專用噴射混凝土車,車上裝有1臺PM公司KOS1020混凝土泵,沖程長度1 000 mm,流量為20 m3/h。利用龍首礦東部充填站生產系統給料、計量與水泥制漿。試驗時由柱塞式泥漿泵泵送,通過變頻控制調節泵的電機轉速和柱塞泵的沖程時間來實現流量的調節。未添加水泥的膏體和水泥漿分別由直徑為100 mm和57 mm兩條管路進入濕式水泥添加裝置混合;同時向混合裝置通入定量的壓縮空氣,使混合效果更好；然后經30 m長的管道排出。泵送膏體充填的井下添加水泥漿地表工業試驗參數見表1所示。結果發現,由于膏體泵送質量濃度高而水泥漿質量濃度相對低，因此在膏體中添加水泥漿后的膠結膏體質量濃度顯然低于原來的膏體。這樣雖然提高了膏體的可泵性,減小管道阻力,但膏體質量濃度小于設計值,因此直接影響膏體充填體強度。

2.2 井下添加水泥粉地表工業試驗

在井下添加水泥粉的地表工業試驗中，所采用膏體配料與添加水泥漿試驗配料相同。水泥粉由水泥倉通過葉輪給料器,經過帶稱重傳感器計量后,輸送到倉式氣力輸送泵。試驗時打開倉式泵氣動進氣閥,壓縮空氣經加壓管、噴射管、氣化管分三路進入泵體,使泵體內的水泥氣化后,以一定的含量(單位體積壓縮空氣中的水泥含量)和壓縮空氣一起經物料輸出管噴出。通過調節截止閥的開啟程度來調節進入泵體的三部分壓縮空氣流量,從而達到調節水泥的輸出量和輸送流量的目的。金川礦山井下添加水泥粉的地表工業試驗系統如圖2所示。

表1 膏體井下添加水泥漿的地表工業試驗參數

圖2 金川礦山井下添加水泥粉的地表工業試驗系統Fig.2 Industrial filling test system for adding cement into paste in underground

未加水泥的膏體充填料和采用氣力輸送的水泥粉經由兩條管道分別進入干式水泥添加裝置。為了使水泥粉順利地噴入膏體管道,另設有一條壓氣助吹管同時進入添加裝置。混料裝置與添加水泥漿試驗相同,試驗參數見表2所示。本次試驗采用A型、B型兩種干式水泥添加裝置。試驗結果發現,膏體流變性能很好,但結構比較復雜。

表2 膏體添加水泥粉地表工業試驗參數

2.3 兩種水泥添加方式對比試驗

針對金川礦山膏體泵送充填系統,分別進行井下添水泥漿和水泥粉體的地表工業試驗,試驗結果列入表3和表4。由此可見,金川膏體添加水泥漿或水泥粉兩種方式均可行。在全尾砂與碎石質量比為5∶5、灰砂質量比為1∶8時,充填體抗壓強度分別達到3.4 MPa和3.9 MPa。進一步試驗結果顯示,增大灰砂質量比達到1∶6,相應地充填體抗壓強度大于4.0 MPa。

3 金川膏體充填水泥添加方式分析

在一般情況下，對垂直深度不大,水平管路較短的膏體充填系統,宜選用在地表向攪拌機添加水泥粉方式。對配有井下接力泵站,且坑內第二段管路不長的膏體充填系統,可選用在坑內泵站向攪拌機添加水泥粉方式。對深度大和水平管路長的一段或兩段膏體泵送充填系統,應選用坑內直接添加水泥粉或水泥漿方式。

表3 兩種水泥添加方式的膏體料漿質量濃度和塌落度及密度的測試結果

表4 金川膏體添加水泥之后兩種水泥添加方式試驗結果

針對金川礦山充填條件和礦山技術管理水平,以井下添加水泥漿為宜。由于壓縮空氣進入膏體管道的噴射和膨脹作用,破壞了膏體的“柱塞”結構流,并形成固、液、氣三相紊流。因此壓氣在水泥添加中起到助吹、攪拌和輸送的多重作用,即使在坑內直接濕加壓氣也必不可少。但受壓氣壓力的限制,添加裝置至采場充填管出口之間的距離應在20～30 m的范圍,最多不超過50 m。水泥實際添加量受到生產工藝條件和設備條件的制約,在技術上存在選擇適宜水泥添加量的問題。無論在井下直接添加粉或漿,不僅要考慮充填骨料在泵壓膏體管道輸送具備良好的可泵性,保證添加裝置穩定正常工作,而且還應滿足采礦工藝對充填體強度要求和改善井下作業環境。

3.1 添加水泥漿膏體特性

圖3 滲加水泥漿膏體質量濃度和強度與水泥添加量的關系Fig.3 The relation between the paste concentration, block strength the adding the slurry concentration

圖4 濕加水泥膏體濃度和強度與水泥漿濃度的關系Fig.4 The relation between the paste concentration,block strength and the adding cement quanlity

圖3給出了添加水泥漿膏體質量濃度和試塊強度與水泥漿質量濃度的關系曲線。由此可見,充填體強度隨水泥漿質量濃度提高而顯著增長,所以有必要提高水泥漿質量濃度。圖4為膏體質量濃度和試塊強度與水泥添加量的關系。可見,當水泥漿質量濃度和非膠結膏體充填料含量不變時,膏體質量濃度隨水泥漿加入量的增加而提高速率逐漸降低。由于膏體質量濃度是影響充填體強度的重要因素,所以膏體強度隨水泥添加量增加而提高速率在逐漸降低。在膏體中添加過多水泥漿,不僅不利于提高充填體強度,而且還造成水泥浪費。因此通過添加減水劑或采用水泥活化攪拌技術來提高水泥漿的質量濃度,是提高充填體強度的重要途徑。

3.2 添加水泥粉膏體特性

圖5 干加水泥量與膏體濃度和強度的關系Fig.5 Relation between the concentration,strength of paste and dry cement content

圖5和表5給出了直接添加水泥粉對充填膏體質量濃度和強度的影響試驗結果。由此可見,采用直接添加水泥粉法,井下采區膠結充填料質量濃度和強度隨水泥添加量的增加而提高；但水泥添加裝置和工藝條件不允許加入過多的水泥粉。因為膏體中加入過量的水泥粉將失去塑性,容易造成管道堵塞。根據金川礦試驗結果發現,對尾砂∶碎石=6∶4(質量比)的膠結充填集料,直接添加的水泥粉量不宜超過180 kg/m3。

3.3 井下水泥添加裝置

井下水泥添加裝置沒有可以采用的標準設施。根據金川礦地表試驗可采用泥漿泵加壓、管道輸送,將水泥漿送到充填料漿出料口30～50 m處的濕式水泥添加裝置,與膏體混合后充入采空區。若在井下添加了水泥粉,則將水泥氣力輸送到干式水泥噴射裝置處,并在混拌處另接一條壓縮空氣管助吹,將水泥與空氣混合物噴入膏體管道中。干式水泥添加技術、裝備比較復雜,需進一步開展試驗研究。

表5 添加水泥粉膏體質量濃度和強度的試驗結果

4 結論

在相同灰砂質量比條件下,膠結充填體強度和泌水率隨充填料漿質量濃度的增加而提高。由于膏體質量濃度一般較高,所以充填體強度較高,料漿在采場脫水少，達到相同充填體強度水泥用量減少;同時還能夠改善采場作業環境,是充填采礦技術的發展方向。但由于膏體充填需要加壓泵送,充填采礦不僅投入大,而且運營成本高。更重要的是膏體充填對充填料漿配比和管理水平要求較高。金川二礦區建成我國首座膏體泵壓充填系統,在運行中出現諸多問題,一直處于非正常工作狀態,為此金川礦山開展了多次的技術改造和工業充填試驗。其中水泥添加方式是膏體充填系統改造關鍵項目之一。

針對金川膏體充填管路和充填路線,開展了井下添加水泥漿和水泥粉兩種方式的地表工業試驗。通過兩種不同水泥添加方式的膏體充填體強度和流動性對比分析,確定兩種水泥添加方式在金川礦山均可行，但均存在優缺點。當采用添加水泥漿方式時,添加過多的水泥對提高膏體強度并不明顯；根據充填工程經驗,金川礦山膏體充填采用的水泥添加量不大于200 kg/m3。當采用添加水泥粉方式時,膏體充填體強度隨水泥添加量的增加而提高,但膏體的流動性隨之降低；當添加過多水泥時,潛在膏體堵管和爆管風險，因此添加水泥量應控制在180 kg/m3以內。針對金川膏體充填系統進行的水泥添加方式的技術改造,不僅提高了膠結充填體強度,而且降低膏體充填事故,從而提高了礦山充填生產能力。

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(編輯：龐富祥)

Industrial Experiment on the Ways of Adding Cement for Paste Filling System in Jinchuan Mine

YANG Zhiqiang1, 2,CHEN Dexin2,GAO Qian1,WANG Hu1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,UniversityofScienceandTechnologyofBeijing,Beijing100083，China;2.NationalKeyLaboratoryofNickelandCobaltResourcesComprehensiveUtilization,JinchuanGroupCo.LTDJinchangCity,Gansu737100，China)

In order to improve the paste filling process to enhance the strength of cementing filling body, the study on the ways of adding cement in paste pump pressure conveying system was carried out.Aimed at the deep and long distance pipeline system in Jinchuan mine, industrial tests of two ways of adding wet and dry cement into paste in the underground were conducted.The test results show that the paste strength of 28 d for the two ways of adding mode reached 3.4 and 3.9 MPa respectively when the ratio of backfilling and gravel is 5∶5 and the ratio of cement and aggregate is 1∶8. Thus, the results show that the two ways of adding cement are feasible. Further experimental results show that when using wet cement grouting method, the compressive strength of paste increases with the increase of concentration of slurry,but when paste and slurry concentration is constant, the intensity of cement paste decreases with the addition of more slurry.The reasonable amount of added wet cement was determined as 200 kg/m3. When dry cement grouting method is used, paste strength significantly increases with the increase of cement content. But when adding excess cement paste the plasticity of paste and liquidity reduce to cause plugging pipe, so it is not allowed to join too many dry cement. According to experimental results,adding amount of dry cement should not be more than 180 kg/m3, when the ratio of total tailings to gravel is 60∶40. The research results provide important theoretical basis to improve the paste process and increase the strength of filling body.

Jinchuan mine;Paste filling system;Addition cement mode;Industrial tests

1007-9432(2016)05-0617-06

2015-12-09

國家高技術研究發展計劃(863)基金資助項目：典型尾礦資源清潔高效利用技術及裝備研究與示范(SS2012AA062405)； 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室基金資助項目(金科礦2015-01)

楊志強(1957-)，男，山西萬榮人，教授級高工，北京科技大學兼職教授，博士生導師，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室客座研究員，鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室主任, 主要從事金屬礦山充填法采礦及鎳鈷資源綜合利用研究，(E-mail)YangZQ@jnmc.com

高謙,教授，博導，主要從事充填采礦和地壓控制方面的教學和研究工作，(E-mail)gaoqian@ces.ustb.edu.cn

TD863

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.011