安慶銅礦不同顆粒級(jí)配尾砂優(yōu)化組合膏體充填技術(shù)

許文遠(yuǎn) 郭利杰 楊小聰(北京礦冶研究總院，北京 102628)

安慶銅礦是銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司“八五”期間建設(shè)的一座大型地下銅礦，礦山礦體厚大，采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法進(jìn)行開(kāi)采，采選生產(chǎn)能力為3 500 t/d。礦山采用充填法開(kāi)采，充填工藝為分級(jí)尾砂自流充填。礦山現(xiàn)有3套獨(dú)立的充填系統(tǒng)，每套充填系統(tǒng)由1座立式砂倉(cāng)、1座水泥倉(cāng)、1臺(tái)雙管螺旋輸送機(jī)、1臺(tái)沖板流量計(jì)及1臺(tái)高濃度攪拌桶組成，單套充填系統(tǒng)充填能力為90～100 m3/h，平均充填量約800 m3/d。

礦山分級(jí)尾砂充填為典型的兩相流充填，采用的是上世紀(jì)90年代的立式砂倉(cāng)充填技術(shù)，受技術(shù)制約，充填濃度為62%～72%，充填濃度不穩(wěn)定，料漿離析比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了井下充填質(zhì)量。對(duì)此，根據(jù)礦山尾礦工藝，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，以尾砂級(jí)配優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)最佳級(jí)配充填為主要技術(shù)思路進(jìn)行了礦山充填工藝技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了礦山膏體充填，大幅提高了礦山充填質(zhì)量[1-2]。

1 礦山充填現(xiàn)狀與改造技術(shù)思路

安慶銅礦采用分級(jí)尾砂充填，分級(jí)尾砂粒級(jí)中 -38 μm占到19.13%，-74 μm占到36.29%，+38～74 μm粒級(jí)部分含量少，+74 μm粗粒級(jí)含量占到63.71%，含量高，尾砂總體粒度較粗，其制備的充填料漿屬于典型的兩相流漿體，充入采場(chǎng)后充填料漿離析比較明顯，這是影響礦山充填質(zhì)量的本質(zhì)工藝問(wèn)題。為此，對(duì)礦山充填尾砂粒級(jí)組成進(jìn)行優(yōu)化，使制備的充填料漿在料漿輸送性、料漿均勻性及充填強(qiáng)度性能這3個(gè)重要指標(biāo)方面達(dá)到最佳平衡，是礦山充填工藝技術(shù)改造的主要方向。

安慶銅礦在選礦環(huán)節(jié)將中段產(chǎn)生的尾礦進(jìn)行分級(jí)，底流的分級(jí)粗砂與溢流的細(xì)砂分別進(jìn)行尾礦再選，底流粗砂再選后的最終尾礦(分級(jí)尾砂)用于礦山充填，溢流細(xì)砂再選后的最終尾礦排往尾礦庫(kù)。由此可知，安慶銅礦不存在全尾砂，礦山尾砂有分級(jí)粗砂與溢流細(xì)砂2種尾砂，將一部分溢流細(xì)砂添加到分級(jí)粗砂中，對(duì)充填尾砂粒級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)不同顆粒級(jí)配尾砂的優(yōu)化組合膏體充填，是礦山充填改造總體技術(shù)思路。

2 尾砂級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)

將選廠排放的分級(jí)粗砂與溢流細(xì)砂按一定比例混合，制備出滿足充填料漿流動(dòng)性、充填料漿均質(zhì)性與充填體強(qiáng)度性能的最佳級(jí)配尾砂是充填工藝改造的關(guān)鍵。對(duì)此，通過(guò)開(kāi)展不同混合比例條件下的充填料漿泌水試驗(yàn)及充填強(qiáng)度配比試驗(yàn)，確定了最佳混合比例及充填工藝參數(shù)，為充填工藝改造奠定了基礎(chǔ)。

2.1 試驗(yàn)方案

針對(duì)不同尾砂混合比例、砂灰比及充填濃度分別開(kāi)展充填料漿泌水試驗(yàn)與充填強(qiáng)度配比試驗(yàn)，以綜合確定最佳尾砂混合比例及充填濃度等關(guān)鍵工藝參數(shù)。具體試驗(yàn)方案如下[2-4]。

材料：分級(jí)尾砂、溢流細(xì)砂、水泥。

細(xì)砂比例：0(不含細(xì)砂)、10%、15%、20% ，為便于分析，對(duì)不同尾砂混合比例，用細(xì)砂含量指標(biāo)代替，細(xì)砂比例=細(xì)砂含量/(細(xì)砂含量+分級(jí)尾砂含量)。

砂灰比：4、6、8、10。

料漿濃度：68%、70%、72%。

試驗(yàn)內(nèi)容：泌水試驗(yàn)、充填體強(qiáng)度配比試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)泌水試驗(yàn)。按照設(shè)計(jì)方案開(kāi)展了48組泌水試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了不同細(xì)砂含量下，充填料漿濃度與泌水率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 料漿濃度與泌水率關(guān)系曲線Fig.1 Curve of the relationship between the density of slurry and the bleeding rate◆—細(xì)砂比例0%；■—細(xì)砂比例10%；▲—細(xì)砂比例15%；●—細(xì)砂比例20%

根據(jù)圖1可知，料漿濃度70%，細(xì)砂含量15%～20%時(shí)，平均泌水率為4.8%；料漿濃度為72%，細(xì)砂含量15%～20%時(shí)，平均泌水率為3.5%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，充填料漿泌水率小于5% 時(shí)，可認(rèn)為充填料漿不泌水或泌水少，可以達(dá)到尾砂結(jié)構(gòu)流流態(tài)。因此，從泌水率指標(biāo)分析，15%～20%的細(xì)尾砂含量，在充填大于70%條件下，可制備出滿足充填料漿均勻性的漿體[5]。

(2)充填體強(qiáng)度配比試驗(yàn)。細(xì)尾砂含量的增加，優(yōu)化了尾砂粒級(jí)組成，使充填料漿更均勻，進(jìn)而減小了采場(chǎng)充填料漿離析，使原位充填體整體質(zhì)量更均勻。因此，細(xì)尾砂增加所帶來(lái)的主要作用體現(xiàn)在采場(chǎng)原位充填質(zhì)量方面，通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室小試塊配比試驗(yàn)，如果能驗(yàn)證細(xì)尾砂含量增加對(duì)充填試塊強(qiáng)度沒(méi)有明顯降低或者有一些增長(zhǎng)，就可以證明細(xì)尾砂含量增加對(duì)充填質(zhì)量提高的作用。

對(duì)此，開(kāi)展了不同濃度、砂灰比、細(xì)砂含量條件下，28 d養(yǎng)護(hù)齡期的充填體強(qiáng)度配比試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制的不同濃度、砂灰比條件下，細(xì)砂含量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 細(xì)砂含量對(duì)充填體強(qiáng)度影響規(guī)律Fig.2 Effect of the overflow fine sands on strength of filling body●—料漿濃度68%；■—料漿濃度70%；▲—料漿濃度72%

從圖2可知，充填物料中細(xì)尾砂含量對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，但這種影響與充填料漿濃度、砂灰比及膠凝材料種類關(guān)系較大。在充填濃度68%～70%，砂灰比為4時(shí)，充填試塊強(qiáng)度隨著細(xì)砂含量的增加先增加后降低，即存在最優(yōu)的細(xì)尾砂添加量。在充填濃度達(dá)到72%時(shí)，由于充填料漿已經(jīng)達(dá)到或接近于結(jié)構(gòu)流，細(xì)尾砂含量的增加導(dǎo)致充填試塊強(qiáng)度略微降低。在砂灰比大于4后，由于充填體強(qiáng)度整體偏低，細(xì)砂含量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響較小。因此，可以證明細(xì)尾砂含量的增加在試塊試驗(yàn)中，對(duì)充填體試塊強(qiáng)度有一定的增加作用，同時(shí)，也可以預(yù)計(jì)，其制備的充填料漿充入采場(chǎng)后，將大幅提高充填體整體均勻性。結(jié)合充填料漿泌水試驗(yàn)，推薦最佳的細(xì)尾砂添加量為15%～20%，充填濃度為70%～72%[5]。

3 充填系統(tǒng)技改工藝方案

根據(jù)充填技改技術(shù)思路及尾砂配比試驗(yàn)結(jié)果，安慶銅礦充填工藝思路為在現(xiàn)有分級(jí)尾砂中增加15%～20%的溢流細(xì)砂，配置成濃度70%～72%的充填料漿，實(shí)現(xiàn)膏體充填。對(duì)此，結(jié)合安慶銅礦立式砂倉(cāng)充填系統(tǒng)，有2種可行的充填系統(tǒng)技改工藝方案[6]，分別為：①方案一：粗細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填系統(tǒng)。②方案二：粗細(xì)尾砂先混合后濃縮充填系統(tǒng)[6]。

(1)方案一：粗細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填系統(tǒng)。該方案具體工藝流程：將現(xiàn)有3座砂倉(cāng)中的2座球形底立式砂倉(cāng)作為分級(jí)粗尾砂倉(cāng)，將1座錐形底立式砂倉(cāng)作為細(xì)尾砂倉(cāng)，即將3座立式砂倉(cāng)分類，用于粗、細(xì)2種物料分別濃縮存儲(chǔ)，將現(xiàn)有3套獨(dú)立運(yùn)行的充填系統(tǒng)改造為2套獨(dú)立運(yùn)行的充填系統(tǒng)。改造后，從選廠出來(lái)的粗尾砂和細(xì)尾砂分別采用2條管路泵送至充填站，分級(jí)粗尾砂泵送至分級(jí)尾砂倉(cāng)(現(xiàn)有球形底砂倉(cāng))進(jìn)行自然沉降濃縮，溢流細(xì)砂泵送至細(xì)砂倉(cāng)(現(xiàn)有錐形底砂倉(cāng))進(jìn)行絮凝沉降濃縮。充填時(shí)，2個(gè)倉(cāng)內(nèi)濃縮的高濃度粗、細(xì)尾砂漿經(jīng)造漿后按一定比例放砂至攪拌桶，與水泥及水混合，經(jīng)均勻攪拌制備成尾砂結(jié)構(gòu)流充填料漿后，通過(guò)充填鉆孔自流至井下采場(chǎng)進(jìn)行充填。方案工藝流程見(jiàn)圖3。

(2)方案二：粗細(xì)尾砂先混合后濃縮充填系統(tǒng)。該方案具體工藝流程：將從選廠出來(lái)的粗尾砂和細(xì)尾砂分別采用2條管道泵送至原有立式砂倉(cāng)頂部，在砂倉(cāng)頂部按照要求的比例混合后，經(jīng)過(guò)絮凝沉降進(jìn)入立式砂倉(cāng)存儲(chǔ)。充填時(shí)，倉(cāng)內(nèi)濃縮高濃度尾砂漿經(jīng)造漿后放砂，與水泥及水混合，經(jīng)均勻攪拌制備成尾砂結(jié)構(gòu)流充填料漿后，通過(guò)充填鉆孔自流至井下采場(chǎng)進(jìn)行充填。方案見(jiàn)工藝流程圖4。

圖3 粗細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process flowsheet of the filling system with the underflow coarse sands and the overflow fine sands thickened separately and then mixed

圖4 粗細(xì)尾砂先混合后濃縮充填系統(tǒng)工藝流程Fig.4 Process flowsheet of the filling system with the underflow coarse sands and the overflow fine sands mixed first and then thickened

(3)方案對(duì)比。2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1，由此可以看出，方案一在充填物料配比控制、立式砂倉(cāng)高濃度尾砂漿制備等關(guān)鍵技術(shù)方面，其可靠性優(yōu)于方案二。在經(jīng)濟(jì)效益方面，方案一改造工程量遠(yuǎn)低于方案二，投資最小，運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于方案二。系統(tǒng)操作性方面，方案一雖然相比方案二增加了一個(gè)環(huán)節(jié)，但該環(huán)節(jié)是穩(wěn)定、可控的，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)使用產(chǎn)生較大影響。從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)效益及系統(tǒng)操作性方面綜合分析來(lái)看，方案一均優(yōu)于方案二，同時(shí)，方案一的改造對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)影響小，系統(tǒng)使用靈活性大，適合于安慶銅礦生產(chǎn)實(shí)際情況。因此，安慶銅礦充填系統(tǒng)技改推薦采用方案一，即粗、細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填系統(tǒng)方案。

表1 2種充填方案優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Advantages and disadvanages comparison of two filling schemes

對(duì)于傳統(tǒng)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮疃襟E回采方案，雖然采用膏體充填可以獲得較好的充填質(zhì)量，但是對(duì)于二步驟采場(chǎng)充填而言，其本身不需要強(qiáng)度要求，但是由于膏體充填料漿無(wú)法泌水，且在不添加水泥的條件下無(wú)法固結(jié)，進(jìn)而對(duì)礦山開(kāi)采帶來(lái)巨大安全問(wèn)題。對(duì)此，一般二步驟采場(chǎng)充填也需要添加少量水泥，這大幅增加了充填成本。粗、細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填系統(tǒng)方案具有極大的靈活性，其可以滿足一步驟采場(chǎng)采用膏體充填、二步驟采場(chǎng)采用分級(jí)尾砂非膠結(jié)充填，這在滿足一步驟采場(chǎng)充填質(zhì)量的同時(shí)，也避免了二步驟采場(chǎng)還需要添加膠凝材料的尷尬問(wèn)題，其對(duì)我國(guó)采用類似采礦方案的礦山具有重要借鑒意義。

4 結(jié) 論

(1)充填料漿離析是影響礦山充填質(zhì)量的主要問(wèn)題，解決充填料漿離析，一方面要提高充填濃度，另一方面要進(jìn)行尾砂級(jí)配優(yōu)化，尾砂粒度太粗、或者太細(xì)都不利于礦山充填。對(duì)于礦山充填，存在最佳的尾砂級(jí)配，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

(2)將礦山尾砂進(jìn)行分級(jí)，針對(duì)粗粒級(jí)尾砂、細(xì)粒級(jí)尾砂采用不同的濃縮方案，然后制備最佳級(jí)配充填料漿，對(duì)礦山而言，是一種最經(jīng)濟(jì)的制備方式。

(3)本研究提出粗、細(xì)尾砂分別濃縮后混合充填工藝方案，可以滿足一步驟膏體膠結(jié)充填、二步驟分級(jí)尾砂非膠結(jié)充填，方案靈活性大，避免了全尾砂或者膏體充填面臨的二步驟采場(chǎng)充填還需添加膠凝材料問(wèn)題。

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