錫礦山南礦細粒尾砂膠結充填技術研究

張曉波，姜群，陳龍，王道林

(1.錫礦山閃星銻業有限責任公司，湖南 冷水江市 417502；2.中南大學，湖南 長沙 410018)

0 引言

隨著國內礦業的快速發展，采礦活動帶來了許多棘手的安全和環境問題[1]。在當前尾礦庫政策收緊和環境保護嚴格的時期，生產所排放的大宗尾礦處理成為了礦山的一道難題。目前，尾砂膠結充填是解決該問題的一個有效途徑。但是傳統的尾礦膠結充填一般使用分級脫泥尾砂作為骨料，剩下的細粒尾砂一般排放到尾礦庫中。這不僅會降低了尾砂的利用率，而且細粒尾砂不利于尾礦庫堆壩[2]。因此，細粒尾砂的綜合利用備受學者和工程師的關注。隨著環境保護力度的加大，現代充填技術不僅要考慮采礦技術的需要，還要考慮尾砂的綜合利用和減少環境污染等要求，以實現無廢采礦為最終目標[3-5]。因而開展細粒尾砂膠結充填技術研究具有良好的應用前景。

本研究針對錫礦山南礦的生產現狀，進行了細粒尾砂膠結充填技術研究。錫礦山開采歷史悠久，由于各種原因留下了眾多采空區。在礦業高速發展時期，錫礦山存在大量民采礦區。另一部分是解放前遺留下來的近地表老空區。由于這些空區的存在，可能造成礦區地質破壞，最終導致采空區上部塌陷，礦區生態遭到破壞。但現有充填系統無法對上述采空區進行回填，現有的分級尾砂充填工藝利用率低，大量細粒尾砂被排到龍王池尾礦庫，而該尾礦庫已經達到服務年限。為處理錫礦山南礦開采形成的采空區及多余尾礦，本文開展了細粒尾砂膠結充填固結技術研究，通過測定不同配比組合水泥、細粒尾砂膠結試塊的強度指標、充填料漿流動性等，確定適合民采空區回填充填材料的最優配比，并保證充填質量濃度在68%以上，為設計民采空區尾砂充填系統提供理論依據。同時對錫礦山南礦充填技術難點進行了研究，為同類礦山實現細粒尾砂膠結充填提供了工程實踐樣板。

1 礦山現狀

錫礦山南礦由于各種原因留下了眾多采空區，統計結果表明至少存在26 萬m3的靠近地表的民采空區。除此之外，還有解放前遺留下來的近地表老空區，通過資料整理和現場調查，預計老空區體積達8 萬m3[6]。開采范圍內千瘡百孔，采空區上下重疊、縱橫交錯。這些空區可能造成礦區地質破壞，引起應力的變化，最終會導致采空區上部塌陷，導致礦區生態破壞，對地面設施和建筑物造成安全威脅。為防止這些位置的地表發生沉降和大規模地壓活動，必須對民采空區和老空區進行回填。

錫礦山南礦目前主要開采飛水巖礦床，年采礦能力為42 萬t，選廠原礦處理能力為1400 t/d，選廠正常情況下每天產出尾砂1000 t，尾砂漿濃度約為20%，尾砂排到礦漿池后，40%的砂漿輸送到淺部充填旋流器分級，40%的砂漿輸送到深部充填旋流器分級。分級后的粗粒尾砂輸送到淺部充填和深部充填攪拌站，添加固結材料攪拌活化后，自流或通過泵送至井下采空區。淺部充填系統、深部充填系統旋流器溢流剩余的尾砂每天大量排入龍王池尾礦庫，但該尾礦庫已經達到服務年限。

2 細粒尾砂膠結充填技術研究

2.1 細粒尾砂膠結料的配比試驗

充填材料配比試驗的目的是確定不同比例組合的水泥和細粒尾砂試塊的強度指標，以檢測充填體的強度是否滿足相關技術要求，并確定其是否適合南礦民采空區和老空區的回填要求[7]。通過確定充填材料的最佳配比，為充填系統設計提供依據。采用細粒尾砂為骨料，其主要由南礦旋流器溢流尾砂和全尾砂1:1 混合組成，其中-20 μm 粒級占比為62%，具體粒度組成見表1。為了對比分析，膠凝材料選用 2 種普通水泥，分別為錫礦山建材廠生產的 22.5 散裝水泥（簡稱“散灰”）和錫礦山建材廠生產的 32.5 袋裝水泥（簡稱“袋灰”）。水為普通自來水。根據設定的不同配比，進行室內充填體試塊制作，測定其養護期為14 d、28 d 的充填體單軸抗壓強度，試驗結果見表2 和圖1，然后通過綜合技術經濟分析，推薦南礦民采空區回填的最優材料配比參數[8]。

表1 旋流器溢流與全尾（1:1）混合尾砂的粒度組成

表2 充填配比及試驗結果

由圖1 可知，使用袋灰水泥時，試塊的強度明顯要高于使用散灰水泥的。在養護時間和質量濃度一定的前提下，水泥和細粒尾砂比值越小，抗壓強度越小。綜合比較各種配比，明顯發現當水泥和細粒尾砂為1∶6，漿體質量濃度為70%且使用袋灰水泥時，其強度曲線比其余曲線都要高，效果明顯。

圖1 不同配比材料的抗壓強度變化

考慮到民采充填系統主要是對井下民采空區進行回填，防止這些位置地表發生沉降和大規模地壓活動，短時間內不會進行殘礦回采，因此選用水泥∶細粒尾砂質量比為1∶6、質量濃度為70%（＞68%）的充填體料漿，采用錫礦山建材廠生產的普通32.5 袋裝水泥，28 d 抗壓強度達到1.17 MPa，抗壓強度已滿足采礦工藝要求。

2.2 充填料漿的流動性能參數試驗

充填漿料的流動性是指漿料在其自身重量或外力作用下流動的順暢程度[9]，是評價料漿在管道中運輸的重要特征。用于評估料漿流動性的參數主要包括坍落度、坍落擴散度等[10]。

坍落度試驗是測定充填料漿的稠度大小、評價充填料漿變形性能或抵抗流動變形性能的試驗方法[9]。坍落度通常使用坍落度筒來測量，其高度為300 mm，上口的直徑為100 mm，下口的直徑為200 mm[11]。上下口應保持平整和光滑，以防止泥漿泄漏。在測試過程中，將塌落筒放在平坦的表面上用力按壓，將攪拌好的料漿倒入其中，然后小心地將筒體垂直向上提起，提升過程大約在5～10 s 內完成[9]。將筒體放在混合物樣品旁邊，測量坍落后混合物樣品最高點與筒之間的高度差（以mm 為單位，讀數精確到5 mm），即為料漿的坍落度S。從裝料開始到提升坍落度筒的整個過程要在150 s內完成。按國家標準根據坍落度值對混合物的工作性能進行分類[9]，見表3。

表3 塑性拌和物分級情況

若S≤10 mm，則為干硬性砼。

坍落度越大，流動性能越好，但是達到指定強度所需的時間越長。坍落擴散度測試是一種可以同時反映拌和物的變形能力和變形速度的測試方法，適用于高流動性拌和物的開發和應用[12]。坍落擴散度的測定方法是在測定坍落度的同時提起塌落度筒，充填料拌和物向下坍陷，向水平方向擴展成圓形，然后測定擴散后圓形試料的長徑和短徑，求其平均值作為坍落擴散度值。料漿坍落度和坍落擴散度測試具體結果見表4，編號為06 充填體坍落度為225.5 mm，大于160 mm，坍落擴散度為65.45 cm，屬于大流動性砼類，充填料漿流動性能滿足管道輸送要求。

表4 充填料漿坍落度和坍落擴散度的實測值

3 民采充填系統建設

3.1 充填能力

（1）充填倍線。南礦淺部民采充填系統建設擬采用自流輸送的方式，充填料質量濃度為70%左右，為了驗證充填系統能否滿足自流輸送的條件，需要對充填倍線進行計算，經計算井下各中段能滿足充填倍線要求。

幾何充填管路倍線N按式（1）計算：

式中，L為包括彎頭、接頭等管件的換算長度在內的管路總長度，m；H為充填管道入口至出口的垂直高差，m。

（2）充填輸送方式。錫礦山南礦淺部充填系統主要服務于415-5 中段東邊原民采區域，根據表5 計算結果可以看出，415-5 中段充填倍線為6～8，基本可實現自流輸送充填。經過綜合考慮，確定民采空區充填系統采用自流輸送的方式。

表5 充填倍線計算

（3）日充填量。設計的充填料配比、料漿輸送濃度及制漿能力見表6。尾砂為濃縮、過濾脫水后的全尾砂，干體制漿能力為36 m3/h。日充填量Qmj為：

表6 砂漿制備及其有關參數

式中，Qd為系統日充填能力，按每天連續充填6 h計算，Qd=216 m3/d；k1為壓縮沉降系數，取k1=1.02；k2為流失系數，取k2=1.03。

3.2 充填工藝流程

根據全尾砂膠結充填工藝的要求，通過濃縮-過濾脫水后的全尾砂濾餅經汽車運輸倒入至臥式砂倉，通過電耙向穩料倉供料，經安裝在穩料倉底部的振動放料機和皮帶秤的計量后，通過皮帶運輸機輸送至攪拌桶。水泥用散裝罐車運送，通過壓氣卸入立式水泥倉，經倉底插板閥、星形給料機、轉子稱計量后通過螺旋輸送機輸送至攪拌桶。充填用水通過新建高位水池自流向攪拌桶供水。上述充填物料在攪拌桶內強力攪拌形成合乎質量濃度要求的膠結尾砂體，然后經管道輸送自流至民采空區。

3.3 效益分析

通過民采空區資料調查，對部分主要巷道進行了地質素描，并經過殘礦資料整理，從415 水平至5 中段東范圍共計得到殘礦礦量16 萬t。殘礦的平均品位在3.0%以上。按每噸金屬3 萬元、殘礦回采率70%計算可創造價值1.01 億。項目的完成將實現對老礦區的治理，在保持企業持續發展的同時，可防止地表塌陷，對恢復礦區青山綠水有著非常重要的作用。

4 結論

結合錫礦山的生產實際，進行了細粒尾砂膠結充填技術研究，最終確定的最佳配比為水泥∶細粒尾砂=1∶6（質量比），漿體質量濃度為70%，其漿體坍落度為225.5 mm，坍落擴散度為65.45 cm，28 d抗壓強度達到1.17 MPa，確定民采空區充填系統采用自流輸送的方式，測試結果均滿足礦山充填設計要求和礦柱回采的技術要求。該技術在錫礦山南礦的實際應用，不僅為礦山帶來了顯著的經濟效益和社會效益，而且有利于防止地表塌陷，保護地表環境，為減少固體廢物排放提供了有力保障，也為同類礦山充填技術的研究提供了良好的示范效果。