全尾砂充填試驗及充填系統方案研究

王立剛， 彭劍平， 林 健， 王炳煒， 王懷勇

(1.招金礦業股份有限公司， 山東 招遠 265400；2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著充填技術的發展，各類充填方式不斷出現，目前常用的膠結充填方式有高水膠結充填、粉煤灰膠結充填、礦渣膠結充填、全尾砂膠結充填、塊石膠結充填和膏體充填等，需要根據充填骨料來源和回采工藝要求等綜合選擇適應本礦山的充填工藝。對于礦山企業而言，充填體強度過高增加了充填成本，而充填體強度過低又影響著回采安全和效率。影響膠結充填體強度的因素有充填濃度、尾砂級配、膠凝材料、灰砂比、添加劑和養護齡期等[1-2]，常常在實驗室內進行材料配比試驗、流變特性試驗和輸送試驗等確定充填料漿的參數，為設計和生產提供依據。

某地下礦山采用上向水平分層充填采礦法回采，每分層底部采用廢石充填，底部采用分級尾砂膠結料澆面。礦山建有一套立式砂倉作為尾砂濃縮裝置的分級尾砂膠結充填系統，現有充填系統工藝老化，在生產過程中分級尾砂充填料漿脫水率高、輸送離析嚴重，并且因分級尾砂消耗量太少而縮短了尾砂庫服務年限等問題，迫切需要新建充填系統。本文選擇全尾砂作為充填骨料進行了全尾砂充填試驗研究，再根據充填試驗結果，對可供選用的充填方案進行比選研究，確定合理的充填方案，以指導礦山的決策和生產。

2 充填材料試驗研究

2.1 全尾砂物理性質測試

1)全尾砂密度

參照國標《土工試驗方法標準》GB/T 50123—2019和《土工試驗規程》SL 237—1999測得全尾砂的密度為2.70 t/m3。

2)全尾砂粒級組成

實驗室先采用篩析法測量+30 μm粒級組成，再采用LS- POP(VI)型激光粒度分析儀測量-30 μm粒級組成，兩種方法測試數據相結合后得到全尾砂粒級組成，具體情況見表1。全尾砂粒徑特征參數為：d10=5.10 μm，d50=49.20 μm，d60=75.00 μm，d90=183.00 μm，平均粒徑為79.79 μm。

表1 全尾砂粒級組成

從試驗結果可以看出，全尾砂屬于中粗尾砂。

2.2 全尾砂料漿泌水率試驗

料漿充填到采空區后，一部分水形成結晶水和毛細水成為膠結體的一部分，其余水則通過泌水滲出。反應多余水以自由狀態泌出，本試驗采用自由泌水率的方法測定各組方料漿的泌水性，測定結果如圖1所示。

圖1 測定組方泌水率與濃度曲線圖

從試驗可以看出，泌水率隨著膠固粉添加量增多而降低，隨著質量濃度的增大而減少，非膠結充填料漿的泌水率普遍大于膠結充填料漿的泌水率。濃度68%以上非膠結充填料漿和膠結充填料漿，均不離析；對于膠結充填料漿而言，當濃度達到70%以上時，泌水率均小于3%。

2.3 全尾砂料漿配比試驗

實驗室參考《土工試驗規程》SL 237—1999中無側限抗壓強度試驗方法，測試了不同濃度、灰砂比和養護齡期條件下的試塊單軸抗壓強度[3]。試塊采用的三聯砂漿試模尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。試驗采用礦山使用的膠固粉作膠凝材料，全尾砂作為骨料。選取充填料漿質量濃度分別為70%、72%，灰砂比分別為1∶6、1∶10、1∶20，養護齡期為3 d和7 d。試驗結果如圖2所示。

圖2 不同灰砂比條件下試塊強度曲線圖

試驗結果表明：(1)在相同膠固粉添加量條件下，隨著料漿濃度的增加，充填體單軸抗壓強度呈逐漸增大的趨勢。灰砂比1∶6、1∶10和1∶20的充填體單軸抗壓強度變化較大，隨著灰砂比的降低，充填體在3 d和7 d養護齡期的單軸抗壓強度呈明顯的減小趨勢。灰砂比的降低意味著膠凝材料的減少，從而導致水化反應所生成的C—S—H凝膠越少，顆粒不能有效的凝固在一起，表現為顆粒之間孔隙更大，當充填體受到無軌設備壓力時更容易出現破壞。(2)在相同濃度條件下，隨著養護齡期的增長，充填體單軸抗壓強度增長明顯，養護齡期的增大，膠固粉發生水化反應所生成的C—S—H凝膠越多，充填體強度不斷增大。

2.4 全尾砂料漿輸送特性試驗

1)坍落度試驗

坍落度是反映充填料漿流動性好壞的指標，坍落度值越大，料漿流動性能越好，料漿流動阻力越小。充填料漿能夠在采場順利流動的情況下，坍落度值應在150～250 mm，擴散度以200～500 mm為宜。實驗室選用標準坍落度桶，測試了灰砂比1∶6、1∶10、1∶20、全尾砂，濃度范圍為70%～76%料漿的坍落度和擴散度測試，結果見表2。配比1∶20的70%濃度組方、全尾砂70%和72%組方中，由于料漿流動性太好，坍落度桶提起來后，料漿已經完全散開，因此沒有進行擴散度測試。

表2 不同配比不同濃度坍落度試驗數據

試驗結果表明：①隨著濃度的增加，坍落度和擴散度呈下降趨勢；②相同濃度的全尾砂坍落度和擴散度比膠結料漿高；③相同濃度的膠結充填料漿，水泥添加量越多，坍落度和擴散度越小；④采用全尾砂作為充填骨料，流動性能較好。

2.5 全尾砂料漿流變特性試驗

全尾砂充填料漿的流變特性參數由屈服應力和黏度系數描述，是衡量其輸送性能的重要指標。

實驗采用RST- SST型軟固體流變儀測定充填料漿相應粘度和動態屈服應力，按照管道內徑DN119 mm計算流量100 m3/h時的最大允許倍線，具體數據見表3。計算結果與礦山各中段實際的充填倍線進行比較，得出全尾砂膠結充填料漿輸送濃度范圍為68%～72%。

表3 實際管徑下充填料漿在沿程阻力損失與最大允許倍線

3 充填方案選擇

3.1 充填材料與用量

充填骨料選用全尾砂，膠結材料選用膠固粉。

充填料漿濃度越高，溢流水越少，隨溢流水帶出的泥砂也越少，因此應盡量提高充填料漿濃度。根據充填試驗研究結果，按照現有充填系統所能達到的料漿濃度，并結合充填倍線，選擇全尾砂膠結充填料漿自流輸送質量濃度為68%～72%，選擇灰砂比1∶6、1∶10和1∶20三種充填料漿。

充填按照每天3班，每年作業330 d工作制度。按充填質量濃度70%、生產規模3 450 t/d計算，日充填采空區1 241 m3，日需要充填料漿1 499 m3，全尾砂加權日耗1 731 t，膠固粉加權日耗150 t，水加權日耗806 t。現有充填系統消耗尾砂約500 t/d，采用全尾砂充填后，多消耗尾砂1 231 t/d。

3.2 充填方案選擇

在保證料漿輸送和充填體強度的前提下，盡量提高料漿濃度，減少采場脫水。計算充填倍線在3～6，選擇全尾砂高濃度自流充填工藝。

為滿足井下采場充填作業工序的要求，共設2套充填制備系統，單套系統充填能力為80～100 m3/h，充填料漿濃度68%～72%，單套系統充填尾砂干量約100 t/h，正常充填時1套系統同時工作，最大充填時可2套同時工作。

充填站的關鍵設備為尾砂濃縮裝置。根據礦山現有充填工藝的特點，結合尾砂充填實驗結果、礦山生產實際需求，在保證制備能力、制備料漿質量和存貯要求的前提下，提出了兩個尾砂濃縮方案[3]：方案Ⅰ新型立式砂倉方案、方案Ⅱ深錐濃密機方案。

方案Ⅰ設置2套制備系統，由2座φ8.6 m新型立式砂倉、2臺微粉秤、2套兩級臥式攪拌機組成。方案Ⅰ新建充填站配置如圖3所示。新型立式砂倉采用高壓水造漿。

1—兩級臥式攪拌機;2—微粉秤；3—水泥倉；4—收塵器；5—充填鉆孔；6—新型立式砂倉

方案Ⅱ設置2套制備系統，由1臺φ16 m深錐濃密機、2臺微粉秤、2套兩級臥式攪拌機組成。方案Ⅱ新建充填站配置如圖4所示。

1—兩級臥式攪拌機;2—微粉秤；3—水泥倉；4—收塵器；5—充填鉆孔；6—深錐濃密機

兩個方案充填站內配置相同。兩個方案主要區別在于尾砂濃縮裝置不同，方案Ⅰ為新型立式砂倉，方案Ⅱ為深錐濃密機。

立式砂倉為圓筒倉，倉體常用鋼結構或混凝土結構，倉體由圓柱形筒體和半球形底或錐形底組成，圓柱筒體段高度為直徑的2～3倍,直徑通常為6～10 m。主要由倉體、頂部檢修平臺及進料裝置、底部放砂及放砂輔助設施等構成，可以滿足全尾砂高濃度和膏體充填的工藝要求[4-5]。傳統立式砂倉存在放砂濃度低，放砂不穩定，不適應連續充填工況等缺點。中國恩菲工程技術有限公司開發的內部具有整體優化結構的新型立式砂倉(也稱為“新型尾砂濃縮貯存裝置”)，其主要由倉體、頂部檢修平臺及進料裝置、底部放砂及放砂輔助設施等構成，與傳統的立式砂倉制備效果相比，底流濃度更高，流量更穩定，較好地解決了極細粒級的全尾砂沉降脫水難題，完全可以滿足全尾砂高濃度甚至膏體充填的要求，已經在安徽冬瓜山銅礦、河北崇禮紫金金礦、江西香爐山鎢礦、湖北大冶鐵礦、剛果(金)KINSENDA銅礦等成功應用[6-7]。

深錐濃密機是一種固/液分離的設備，主要由濃縮池體、支撐架、驅動裝置、中心傳動軸、耙架、過載保護裝置、進料裝置等組成。在濃縮池的中間安裝有一根中心豎軸，軸的下端固定有一個十字形耙架，豎軸由固定在支架上的驅動裝置帶動旋轉。深錐濃密機適用于處理細顆粒物料，在膏體充填工藝上應用比較廣泛，我國2006年最早在會澤鉛鋅礦膏體充填中引入深錐濃密機。

選用新型立式砂倉或深錐濃密機均能夠滿足全尾砂充填的工藝要求，但兩種設備特點不同，其優缺點進行對比見表4。

表4 新型立式砂倉與深錐濃密機優缺點對比表

充填系統方案經濟比較結果見表5。

從表5可以看出，方案Ⅰ建設投資節省投資省，可比充填經營成本低。

表5 充填系統方案經濟比較表(可比部分)

新建充填站站址位于已有充填場地附近，場地受限，立式砂倉單個設備占地面積小，且布置相對靈活。

根據尾砂試驗數據，本項目中全尾砂粒度適中，不屬于極細粒級尾砂，新型立式砂倉對類似尾砂濃縮處理效果較好，能夠滿足高濃度充填的工藝要求。礦山現有充填站尾砂濃縮裝置為立式砂倉，具有豐富的立式砂倉管理和使用經驗，立式砂倉管理和使用方式同傳統立式砂倉相近，現有技術人員及操作人員可以快速熟悉新建的充填攪拌系統。

結合技術和經濟比較結果，選用方案Ⅰ新型立式砂倉作為新建充填站的尾砂濃縮裝置。

3.3 充填系統

充填站共設2套充填制備系統，充填站一層、二層間布置2套兩級臥式攪拌機。充填站三層布置2臺微粉秤用于計量并將膠固粉輸送進入攪拌機料斗混合，另布置一套絮凝劑添加裝置。控制室設在充填站二層。

膠固粉由罐車運至現場，然后通過罐車自帶壓氣吹入膠固粉倉內。膠固粉給料輸送設備采用微粉秤對攪拌機給料。設2套兩級臥式攪拌機，待攪拌的介質為經砂倉濃縮的高濃度尾砂漿和水或是高濃度料漿添加膠固粉和水。

井下需要充填時，選廠產出的全尾砂經泵送至新型立式砂倉，經濃縮后的尾砂送至攪拌機內；需要膠結充填時，膠固粉由微粉秤按配比要求定量送入臥式攪拌機內，并按濃度要求添加定量的水，攪拌均勻后制備成合格的高濃度充填料漿，充填料漿經充填管路自流輸送至井下各中段采空區進行充填。不需要充填時，全尾砂由選廠直接輸送至指定場地進行處理。

3.4 自動化控制

根據充填工藝改造方案，進行配套的檢測及控制系統設計，將工藝設備、控制閥門及電機等執行機構、檢測儀表的信號引入控制系統，實現設備及生產流程的遠程控制，過程參數的自動調節，生產及安全聯鎖控制，從而提高勞動生產效率。

3.5 充填管選擇

充填攪拌站單套系統輸送能力為80～100 m3/h，計算所需充填管內徑時取輸送能力為100 m3/h。充填管內徑按式(1)計算

(1)

式中:D——管道內徑，m；

Q——充充填泵流量，m3/h，取100 m3/h；

vj——充料漿流速，取2.5 m/s。

由式(1)計算充填管內徑為0.119 m，即119 mm。

充填管壁厚按式(2)計算

δ=PD/(2[σ])+K

(2)

式中：δ——管壁厚度，mm；

P——管道所承受的最大壓強，MP，經計算取12.35 MPa；

D——管道內徑， mm，取119 mm；

[δ]——管材的抗拉許用應力，MPa，雙金屬耐磨鋼管取100 MPa；

K——磨損腐蝕量，mm，對雙金屬耐磨鋼管取2 mm。

由式(2)計算，得到δ=9.3 mm。

由于充填骨料為全尾砂，并要兼顧分級尾砂，因此，充填鉆孔中的充填管選擇耐磨效果較好的雙金屬復合耐磨管，規格為φ外=159 mm，壁厚20 mm，其中外層為16Mn材質，厚度為10 mm，內層為耐磨層，厚度為10 mm。

平巷和管纜井中采用普通無縫鋼管，規格為φ146 mm×12 mm。采場內敷設高密度PE管，規格為φ146 mm×20 mm。平巷中充填管之間采用法蘭連接。

4 結論

(1)進行了全尾砂實驗室試驗研究，測得全尾砂-37 μm的含量為38.75%，-74 μm的含量為59.56%，全尾砂屬于中粗尾砂。濃度68%以上的非膠結充填料漿和膠結充填料漿均不離析，當濃度達到70%以上時，泌水率均小于3%。在相同膠固粉添加量條件下，隨著料漿濃度的增加，充填體單軸抗壓強度呈逐漸增大的趨勢。

(2)全尾砂料漿輸送特性試驗得出全尾砂膠結充填料漿輸送濃度范圍為68%～72%，流動性能較好。

(3)根據充填試驗研究結果，按照現有充填系統所能達到的料漿濃度，并結合充填倍線，選擇全尾砂膠結充填料漿自流輸送質量濃度為68%～72%，選擇灰砂比1∶6、1∶10和1∶20三種充填料漿。

(4)計算充填倍線為3～6，選擇了全尾砂高濃度自流充填工藝。為滿足井下采場充填作業工序的要求，共設2套充填制備系統。經過技術和經濟比較，選擇新型立式砂倉作為尾砂濃縮裝置。

(5)采用全尾砂膠結充填后，每天減少向尾砂庫排放尾砂量約1 231 t(干量)，延長了尾礦庫服務年限。

(6)計算選擇的充填管內徑為119 mm，充填鉆孔中的充填管選擇耐磨效果較好的雙金屬復合耐磨管，規格為φ外=159 mm，壁厚20 mm，其中外層為16Mn材質，厚度為10 mm，內層為耐磨層，厚度為10 mm。