草樓鐵礦全尾礦充填系統設計初步研究

李宗洋

（安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000）

草樓鐵礦地處安徽省淮河流域中上游沖積平原區，地勢平坦，周邊有蓄洪區。區內氣候溫和，四季分明，屬季風暖溫半濕潤氣候。礦區面積約3km2，為沉積變質鐵礦。

1 礦床地質特征

草樓鐵礦含礦巖系呈向東突出的弧形貫穿全礦區，厚度為6.86m～122.34m，平均55.97m。礦床中部較厚，南北兩端均較薄，主要巖石組合為黑云角閃斜長片麻巖，少量斜長角閃巖，整體可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號三個礦體，三個礦體總體呈層～似層狀整合產出，傾向西，平均傾角40°～52°。在7線、15線深部混合花崗巖侵入切割，終止于-500m附近。

2 礦山生產系統

礦山主要開采對象為Ⅱ號礦體，采用豎井開拓方式，開采范圍為-170m～-410m的礦體。通風系統共布置五條豎井，即主井、副井、進風兼措施井、北風井、南風井。進風兼措施井井筒凈井主要作為專用進風井，在礦山建設期間作為臨時提升之用。北風井位于井筒凈直徑3.5m，南風井位于井筒凈直徑4.5m，礦山形成副井入風，北、南兩風井出風的中央對角式通風系統。礦體開采順序為自上而下回采，階段礦體自兩端向后退式回采。

3 采礦方法

現采用的采礦方法有下向大孔空場采礦法、分段空場采礦法和潛孔留礦法三種，嗣后充填。主要為下向大孔空場采礦法（即VCR采礦法）：分三步驟進行，第一步回采拉底層，第二步回采礦房，膠結充填礦房后，第三步回采礦柱。回采采用隔1采1的回采方式，用“VCR”掏槽，掏槽區一般布置在采場中部。掏槽區兩側向中間崩礦，采用孔內雙根導爆索、孔口非電毫秒雷管延時起爆方式。

待礦房礦石全部出完后，集中一次用全尾砂膠結充填，待兩邊礦房采完后，用尾砂膠結充填好并養護60天以上。礦柱采用與回采礦房相同的方式進行回采出礦，充填則采用尾砂非膠結充填，僅在底部10m用尾砂膠結充填。

4 充填系統設計研究

（1）充填系統總體布置。充填管道出口水平為-170m，礦區地面標高+40m左右，站內設立兩套獨立的充填系統，其充填倍線在3.5m以內，最北端礦體較薄部位線達到5.0。-290m中段采礦時，一般控制在4.0以內。

（2）充填方式。對急傾斜礦體和傾斜、緩傾斜礦體而言，利用井下掘進廢石充填采空區，無需額外增加投資，工序簡單，充填成本低，保護環境，可作為首選方法。但對于緩傾斜、傾斜薄礦體，采用廢石充填，廢石在采空區自流輸送范圍非常小，需要借助機械和人力搬運，勞動強度大，效率低。井下掘進廢石量滿足不了采空區充填要求。為此，考慮利用本礦區尾砂對采空區進行充填處理。

考慮到選廠排出的尾砂沉降性和透水性較好，不進行尾砂分級而采用水泥粉煤灰全尾礦膠結充填方式。

（3）充填系統相關參數設計。礦山已建成的充填系統相關技術參數為：①單套充填系統制備輸送能力：70m3/h～90m3/h；②充填料漿濃度：70%～72%；③單套系統連續穩定運行時間：10h～12h；④單套系統一次最大充填量：800m3～1000m3；⑤灰砂比：1：4～1：20可調；⑥充填體強度（28天）：灰砂比為1：4時≥3MPa，灰砂比為1：12時≥1.0MPa。

（4）充填配比設計。充填配比根據采場充填體強度要求進行調整，其中：礦房底部8m≥3Mpa，中下部12m≥2Mpa，中部20m≥1.5Mpa，中上部12m≥2Mpa，頂部≥2.5Mpa；礦柱底部8m≥3Mpa，頂部≥1.5Mpa。

礦房充填使用膠結材料部分為自產膠凝劑和外購膠固粉，膠凝劑與膠固粉的充填配比如下：

上部礦柱如下：

表1 膠凝劑與膠固粉的充填配比

深部礦房例如下：

表2 深部礦房凝膠劑使用量

外購膠固粉如下：

表3 外購膠固粉使用量

（5）充填系統用量設計。充填料漿用量設計為2059m3/d，單套充填系統制備輸送能力80m3/h，一次連續最大充填料漿制備量800m3。設計礦山建立4套彼此獨立的充填系統，每套系統每日平均純運行時間為8.58h。

充填料漿日平均用量計算：

式中：Q1--充填料日平均需用量，m3/d；Q--礦山年產量，300萬t/a；γ--礦石體重，3.3t/m3；T--年工作日，330d；Z--采充比，取Z=1.0；K1--沉縮比，取K1=1.1；K2--流失系數，取K2=1.05。

取充填不均衡系數為3，則一次最大充填量為9545.46m3。

（6）充填工作制度。正常充填時，檢測人員要每小時在充填站下料口取樣一次，用重量法測定濃度，每班計算報出平均濃度，檢測人員每班接取料漿制作試塊，分別測定3天、7天、28天試塊強度，檢測強度是否達標。

礦房充填接頂3個月后，對充填體進行鉆孔施工(φ91mm)、編錄、拍照、取樣，由檢測員使用壓力試驗機檢測抗壓強度，報出檢測報告。

（7）充填工藝流程方案設計。礦山充填設計采用立式砂倉，風動造漿的尾砂充填系統。將選礦廠經濃密后濃度55%的尾砂輸送至砂倉，選廠尾砂通過地表管路送入充填站立式砂倉頂部，溢流水由倉頂內環形溢流槽排出。充填料漿經上述兩段攪拌均勻后，通過充填井及井下管網栗送至井下采場進行充填。在平巷中設計一條充填管路，使高濃度充填砂漿管道自流輸送的要求。尾砂由倉頂中心注入倉內倉內尾砂用壓氣（壓水）造漿均勻后，打開放砂管向攪拌機供給尾砂漿。

具體流程方案：①采用全尾砂及水泥(或礦渣膠結劑）作為充填料，每套系統設置兩個尾砂倉及一個水泥倉。單個尾砂倉容積850m，有效容積約750m，水泥倉容積220m，可裝水泥約260t。

②全尾砂采用自然沉降脫水、溢流及排水閥聯合排水，充填時壓氣造漿、管道放砂。

③充填料制備采用雙軸攪拌機+高速活化攪拌機兩段連續攪拌。

④充填料漿采用充填鉆孔及井下自流輸送，每套充填系統設置兩個充填鉆孔，鉆孔中心距3m。

⑤系統設置較完善的自動檢測及調節裝置，充填站各運行參數可實現有效的調控。

⑥系統運行主要技術參數：制備輸送能力80m/h～100m/h充填料漿濃度70%～72%灰砂比1：4～1：20可調一次連續最大充填量700m～750m。

5 結論

（1）草樓鐵礦尾砂沉降性和透水性較好，不需要進行尾砂分級，適宜采用水泥粉煤灰全尾礦膠結充填。

（2）根據采礦工藝等的要求，充填系統灰砂比在1:4-1:20范圍內（可調），總充填比例中低灰沙比占比較大，部分使用外購膠固粉，整體成本低廉。

（3）充填系統設計采用立式砂倉，風動造漿的尾砂充填系統，以簡化充填工藝，減少系統的基建和經營費用，保證礦山的采充平衡能力。

（4）充分利用采礦產生的廢石和尾砂作為充填原料進行回填開采，緩解了礦山尾礦庫庫容壓力，降低了尾礦庫環境和安全的隱患，有效地保護礦區地表及周邊環境。