內蒙某鉛鋅銀礦全尾砂充填工藝研究

呂文俊，鄧春虎，呂宏芝，黃虎輝，趙忠花，羅旋，劉志軍

(1.內蒙古銀都礦業有限責任公司， 內蒙古 赤峰市 024000； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

隨著礦產資源開采逐步轉向高應力環境下的深部礦床和復雜開采條件下的難采礦床，開采過程中必然面臨由深部高應力引起的巖爆巖崩、沖擊地壓等地質災害問題，采場冒頂、巷道片幫等安全性問題，地表沉降、塌陷及固廢危害等生態環境問題。礦山開采生產效率低、生產成本高等技術經濟問題，而充填采礦技術是解決上述一系列問題的有效手段[1-4]。

內蒙某鉛鋅銀礦經多年地下開采，已形成40.41×104m2的（體積為203.9×104m3）采空區。開采完畢的采空區留有礦石頂柱、底柱和點柱共計1414個，預計礦石量為126.95×104t。

為解決采空區隱患，實現礦柱回收利用，減少尾礦庫壓力，提高礦山綜合經濟，礦山擬建一套全尾砂膏體充填工藝進行采空區充填。

1 充填材料特性

1.1 全尾砂物理化學性能分析

利用選礦廠全尾砂進行膏體充填，對水泥含量為7.5%和12.5%，充填料漿質量濃度為67%～72%時的密度、塌落度和析水率等性能進行試驗測定，試驗結果分別如圖1～圖3所示。

圖1 充填料漿體積密度試驗結果

圖3 析水率試驗結果

由試驗可知，全尾砂充填料漿平均密度為2.01 t/m3，塌落度值介于15～25 cm時，對應的全尾砂充填料漿質量濃度為68%～70.5%，析水率小于3%。

經濕法篩分分析，該全尾砂試樣+0.074 mm粒徑顆粒占18.65%、-0.037 mm粒徑顆粒占51.06%、-0.019 mm占24.31%。篩析結果表明，尾礦試樣總體粒度較細，有利于充填膏體的輸送和充填膏體的 致密度，但不利于充填膏體膠結固化。

圖2 充填料漿塌落度試驗結果

對全尾砂進行X熒光光譜及化學多元素分析，結果分別見表1、表2。

由表1、表2可知，該尾礦樣品中Mg含量為1.09%，SiO2含量為55.12%，說明其性能較為穩定，強度較高[5-6]。

表1 尾礦X熒光光譜分析結果/%

表2 尾礦化學多元素分析結果/%

對全尾砂礦漿進行濃密試驗，在初始質量濃度為10%、絮凝劑用量為15 g/t（干重）、沉降5.5 h、沉降體質量濃度為68%～70%、溢流水的濁度小于200×10-6的條件下，沉降體具有膏體特征（塌落度為15～25 cm），在非攪動狀態下流動性能較差，攪動后的流動性能較好。

1.2 膠凝材料

礦山全尾砂膏體充填選用的膠凝材料有水泥和水泥代用品[7]。由于該礦山自身和周邊地區沒有生產水泥代用品的原料，而礦山周邊地區水泥價格低廉、供給充足，因此，本次選用S1、S2、S3三種品牌的復合硅酸鹽水泥作為膠凝材料。分別以水泥含量為10%，質量濃度為70%的參數制備充填體標準試件（100 mm×100 mm×100 mm），監測3 d，7 d，14 d，28 d齡期標準養護條件下充填體試塊的無側限單軸抗壓強度，試驗結果如圖4所示。

圖4 S1、S2、S3三種水泥試塊強度對比

由圖4可知，S1水泥充填膏體試塊3 d充填體強度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊3 d強度的137%和149%，S1水泥充填膏體試塊7 d強度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊7 d強度的149%和127%，S1水泥充填膏體試塊14 d強度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊14 d強度的142%和119%，S1水泥充填膏體試塊28 d強度分別是S2水泥、S3水泥充填膏體試塊28 d齡期強度的152%和141%。三種水泥原料單價基本相同，因此確定采用S1復合硅酸鹽水泥。

1.3 灰砂比

大量研究表明，在一定齡期內，隨著齡期增加，充填體試樣強度逐漸增大；隨著水泥含量的增加，充填體試樣強度逐漸增大[6-7]。

灰砂比分別按照1∶5，1∶7.5，1∶12.5，1∶15， 1∶17.5，1∶20，質量濃度為70%來配置充填體，監測3 d，7 d，14 d，28 d養護齡期充填體的無側限單軸抗壓強度，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同灰砂比的充填體強度

由圖5可知，全尾砂充填體單軸無側限抗壓強度與充填體水泥含量呈正相關，在同等充填料漿質量濃度、充填體養護齡期的條件下，充填體強度隨著水泥含量的增加而增大，且水泥含量與充填體強度的關系為非線性關系。

全尾砂充填體單軸無側限抗壓強度與充填體 養護齡期呈正相關，在同等充填料漿質量濃度、水泥含量條件下，充填體強度隨著充填體養護齡期增長而增大，且充填體養護齡期與充填體強度的關系為非線性關系。

2 充填系統設計

2.1 充填工藝參數

結合礦山出礦能力、已形成的采空區體積以及礦山地質災害治理需求，計算確定本次充填系統的 生產能力為160 m3/h。

全尾砂最大粒徑＜1.0 mm，充填固料密度為2.78 t/m3，充填料漿密度＜2.10 t/m3，充填料漿質量濃度為68%～70%，塌落度為15～25 cm；水泥含量根據設計充填強度要求確定；充填體輸送管道內徑為146 mm；輸送能力為80 m3/h，輸送速度V=1.33 m/s；充填工作制度為300 d/a，冬季連續充填時間為12 h/d，夏季連續充填時間為14 h/d。設計選擇的全尾砂膏體配比及對應充填體強度要求見表3。

表3 全尾砂膏體配比及對應的充填體強度設計

2.2 充填工藝設計

本次設計采用全尾砂膏體充填工藝，充填系統主要由尾礦濃密存儲系統、水泥存儲給料系統、充填料膏體制備系統、充填料膏體輸送系統、充填自動控制系統組成。

（1）尾礦濃密存儲系統。選廠質量濃度為16%的尾礦漿泵送至一套Φ18 m深錐濃密機系統進行脫水，形成質量濃度不低于68%的全尾砂膏體原料，自流至充填膏體攪拌制備工藝，制備成質量濃度為68%～70%的充填膏體。深錐濃密機溢流水濁度＜300×10-6，排至尾礦庫曝氣處理后回用于生產流程。全尾砂礦漿濃密脫水采用絮凝沉降，絮凝劑采用聚丙烯酰胺，用量為15～20 g/t[8-9]。

（2）水泥存儲給料系統。充填所需的散裝水泥（膠凝材料）由水泥罐車運輸并加壓輸送至水泥倉內儲存，經倉底管式螺旋計量給料機輸送至充填膏體攪拌制備工藝。

（3）充填料膏體制備系統。全尾砂膏體、水泥和補加水按設計配比，同時輸送到充填膏體攪拌制備工藝的第一級攪拌機，混料攪拌后的初級充填膏體自流到第二級攪拌機，經第二級攪拌機高能攪拌后制備成合格的均質活化充填膏體。

（4）充填料膏體輸送系統。經計算，該礦等效充填倍線為4.5，幾何充填倍線為8.1～52.1，因此，充填膏體無法實現自流，需采用泵壓輸送[10]，泵送工作壓力取8 MPa。合格的均質活化充填膏體自流供料至座閥式液壓雙缸柱塞工業固體泵，經加壓輸送至充填膏體輸送管路，通過管道輸送至各待充填空區（采場）。

針對充填區劃和礦區氣候對充填生產的影響，充填膏體制備工藝和輸送工藝均采用2個系列設計，兩個系列相互獨立，分別充填不同的分區，在冬季生產時2個系列可互為備用。單系列生產能力為80 m3/h。

充填系統工藝流程見圖6。

圖6 全尾砂膏體充填系統工藝流程

2.3 充填工業試驗

根據2021年8月至12月生產報表統計結果，該充填系統共充填尾礦量為169 612 m3，通過對井下充填膏體進行取樣測試，8月份取樣34個，平均強度為3.33 MPa；9月份取樣51個，平均強度為3.76 MPa；10月份取樣48個，平均強度為3.70 MPa；11月份取樣45個，平均強度為3.75 MPa；12月份取樣36個，平均強度為3.75 MPa，均達到了設計強度3.0 MPa的要求。充填成本為53.95元/m3。實踐表明，該礦采用全尾砂膏體充填，水泥含量為5%～17.5%，充填料漿質量濃度為68%～70%，技術可行，經濟合理。

3 結論

針對某鉛鋅銀礦發展現狀，在充填材料、工藝 試驗研究的基礎上進行了充填系統設計，取得了較好的現場應用效果。得出以下結論。

（1）礦山采用全尾砂膏體充填工藝，礦山地質災害治理效果顯著，礦柱得到了有效回收，尾礦基本無外排，礦山安全、環?，F狀得到了明顯改善，企業綜合效益顯著。

（2）設計的全尾砂膏體充填工藝具有充填料濃度高、充填體密度大、充填料基本無析水、系統建設投資小、充填消耗水泥量小、充填成本低等優點。2021年8月至12月，累計充填尾礦量169 612 m3，強度滿足設計要求。

（3）充填系統分為2個系列，單系列生產能力為80 m3/h，礦山可根據需要選擇滿負荷生產或只開一條生產線，這樣更加靈活便捷，便于生產管理。