龍橋鐵礦無尾礦山建設的可行性試驗研究

楊昌龍 王海龍 林 敏 王謙源

（1.安徽廬江龍橋礦業有限公司；2.青島理工大學科技發展總公司）

據統計，截至2017年底，我國尾礦堆存量為195億t，82%為鐵礦、銅礦、金礦和磷礦采選產生的尾礦和廢石［1］。2018年的排放總量約為12.11億t，其中鐵尾礦4.76億t，占當年尾礦排放量的39.31%［2-3］。地面堆存尾礦造成了嚴重的環境問題，如何利用和處置一直礦山面臨的嚴重問題。

目前，我國尾礦的綜合利用率為14%，鐵礦石尾礦的利用率僅為7%左右［4］，與發達國家綜合利用率已達到了60%相比，還存在很大的差距。為減少地面堆存尾砂的環境壓力，近年來，我國積極推廣充填技術研究，但對很多礦山來說，全采全充也仍有部分甚至一半尾砂需要地面排放。

資源利用受技術和效益所限，目前用量較大的主要是建材和建筑行業［5］，而且主要側重于粗尾砂，細尾砂的資源利用率極低。為解決礦山的無尾排放問題，行業認為全尾砂粗、細分離，井下膠結充填細尾砂，非膠結充填和商業利用多余粗尾砂是一條有效途徑，不僅可以解決尾砂排放問題，還可降低充填成本，提高礦山效益。本研究主要結合龍橋鐵礦的實際情況，研究分析上述思路的可行性。

1 尾砂排放與處理情況

龍橋鐵礦原礦生產能力為300萬t/a，年排放全尾砂量為117.75萬t，按全采全充考慮，每年只能消耗全尾砂79.15萬t，剩余尾砂38.6萬t，占尾砂排放量的32.8%。由于尾礦庫已經飽和，目前多余尾砂用于充填處理原崩落法采礦產生的大空區，幾年后，大空區處理完畢，如何處理剩余尾砂是礦山后期面臨的突出問題。

為解決剩余尾砂處理問題，龍橋鐵礦建設了一套全尾砂分級處理系統，系統由分級旋流器組、濃密池、振動脫水篩、板框壓濾機等組成。粗尾砂來自旋流器底流，經振動脫水篩脫掉泥水形成；細尾砂則來自旋流器溢流，經濃密池濃縮后，板框壓濾機脫水形成，粗尾砂和細尾砂的分級比例約為4∶6。該系統目前主要用于充填停歇時的剩余尾砂處理。粗尾砂商業利用效果不錯，壓濾細尾砂則很難處理，暫時內部制磚，但用量有限。

2 細尾砂充填可行性

細尾砂充填的核心是膠凝材料，即必須使用高性能膠固料——膠固粉。

對龍橋鐵礦全粒級尾砂和中礦跑混溢流超細尾砂及部分其它礦山的溢流細尾砂，采用青島理工大學研發的膠固料進行了膠結充填固化對比試驗。各礦尾砂-400目細度情況:龍橋鐵礦全粒級尾砂-400目質量占比65.8%、龍橋鐵礦中礦跑混溢流尾砂-400目質量占比92.5%；福建鑫源金礦溢流細尾砂-400目質量占比97.8%。

試驗結果如表1所示。

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主要結論:

（1）高性能膠固料完全可以解決超細尾砂充填問題，-400目細尾砂接近98%的鑫源金礦細尾砂使用膠固料145 kg/m3，28 d強度達到2.54 MPa；而龍橋鐵礦全粒級尾砂使用膠固料為122.7 kg/m3，28 d強度達到2.04 MPa；龍橋鐵礦中礦跑混溢流細尾砂使用膠固料為118.2 kg/m3，28 d強度達到1.95 MPa。

（2）普通膠固料也有較大的強度差異。采用普通膠固料需要較高的充填成本。

3 粗尾砂滲透性試驗及非膠結充填可行性

3.1 分級粗尾砂粒度分析

龍橋鐵礦的分級粗尾砂粒度篩分結果見表2?？梢?，-400目的不到5%，粒級主要在100目以上。

3.2 粗尾砂滲透試驗及結論

用變水頭滲透儀檢測了龍橋鐵礦現分級粗尾砂的滲透系數，變水頭滲透系數按下式計算。

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式中，a為試樣截面積，m2；A為變水頭管的斷面積，cm2）；L為滲徑，即試樣高度，cm；t1，t2分別為測讀水頭的起始和終止時間，s；H1，H2分別為起始和終止水頭，m。

龍橋鐵礦粗尾砂的試驗結果如表3所示。將測得的幾個滲透系數中較接近的幾個，求其算數平均值，得到平均滲透系數為0.001 7 cm/s?？梢?，該粗尾砂滲透系數較大，若濾排水系統設計得當，能夠排出孔隙水，可以保證非膠結充填的安全。

注:a、L、A、t等字母含義見式（1）。

4 充填系統改造與有關問題

龍橋鐵礦現有2套充填系統:立式砂倉充填系統和深錐濃密機充填系統。前者除配置立式攪拌桶外，還配置1套皮帶上料系統，后者則配置臥式雙軸攪拌機。因充填料漿制備濃度低，立式砂倉系統目前處于閑置狀態，正在使用的是深錐濃密機系統。深椎濃密機制漿效果較好，可達到似膏體濃度水平，雙軸攪拌系統基本滿足攪拌要求，稍加升級改造，即可滿足細尾砂制漿要求。

如需采用粗尾砂非膠結充填，可考慮啟用原立式砂倉系統的皮帶上料、攪拌桶制漿，利用原充填管路充填。

因此，對該礦原充填系統稍加改造，投資不大，即可解決全尾砂粗細分離，膠結充填細尾砂，非膠結充填或商業利用粗尾砂問題，達到無尾排放的目標。但需要解決好下述2個問題。

（1）優化選擇全尾砂粗細分離的合理分級點，滿足細尾砂全部充填需要。如需非膠結充填部分粗尾砂，則需適當增加粗尾砂的分級比例。

（2）采用高性能膠固料，滿足細尾砂固化程度需要，降低充填成本。

5 結論與建議

（1）只要采用高性能膠固料，膠結充填細尾砂完全可以在用量不大的情況下得到較高的強度。

（2）粗尾砂的滲透系數雖然不高，但只要濾排水系統設計得當，完全可用于空區非膠結充填。

（3）原充填系統稍加改造，即可在投資不大的情況下，滿足膠結充填細尾砂、非膠結充填粗尾砂需要。

（4）建議選用高性能膠固料，優化選擇全尾砂粗、細分離的合理分級點。