充填采礦法在某金礦的可應(yīng)用性研究分析

陳生凱，申 寧，李 帆

1 膠結(jié)充填采礦技術(shù)工藝的發(fā)展簡述

由于充填采礦法的作業(yè)安全性較高，可基本保證礦山金礦資源的較高采礦回收率，有效防止地表和井下采空區(qū)出現(xiàn)地質(zhì)塌陷災(zāi)害，進(jìn)而保護(hù)礦山環(huán)境，所以越來越廣泛地應(yīng)用在有色金屬礦山采礦活動中，現(xiàn)已成為眾多采礦工程技術(shù)人員研究和關(guān)注的前端性課題。尾砂膠結(jié)充填技術(shù)自上世紀(jì)60年代開始，起步應(yīng)用于我國礦山化工企業(yè)井下采空區(qū)充填。對充填體強(qiáng)度影響較大的充填骨料的物理化學(xué)性質(zhì)、充填料漿的制備輸送技術(shù)工藝、充填體的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和地壓承受力、低成本的膠凝材料選用等方面是這一階段的主要研究方向。在這一時(shí)期傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域的商砼施工要求，作為尾砂膠結(jié)充填的參照，受生產(chǎn)水平限制，以粗骨料制備充填膠結(jié)體的級配制作工藝難以達(dá)到實(shí)際充填要求，加之充填在我國礦山實(shí)際開采中一直未獲普遍使用，在此后10年間反被細(xì)砂膠結(jié)充填逐步取代。因?yàn)榧?xì)砂膠結(jié)充填比較高的生產(chǎn)能力，可借助管道水力輸送充填料漿，80年代開始慢慢在國內(nèi)礦山逐步應(yīng)用推廣，當(dāng)時(shí)充填料漿用水泥作凝膠材料使得充填成本大大增加，高濃度輸送在當(dāng)時(shí)因技術(shù)原因難以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入采空區(qū)的低濃度充填料漿，由于高含水率還需專門進(jìn)行過濾水工作，這樣既降低了充填體的強(qiáng)度，過濾水又污染了地下水。為降低整體的充填成本，實(shí)現(xiàn)就近取材，提高充填強(qiáng)度，滿足采空區(qū)充填要求，近年來在前人基礎(chǔ)上又研究發(fā)展了許多不同材料的新型膠結(jié)充填技術(shù)工藝，例如高濃度全尾砂膠結(jié)充填、分級尾砂和碎石水力充填、塊石膠結(jié)充填和膏體泵送充填等。近年來由于礦業(yè)大宗商品價(jià)格不斷走俏，水泥的替代品和來源廣、價(jià)格低廉的充填材料研究應(yīng)用取得實(shí)質(zhì)性突破，傳統(tǒng)上不宜采用充填采礦法的礦山企業(yè)也紛紛引進(jìn)采用充填采礦技術(shù)。

2 研究分析充填采礦法的背景、目的及意義

五龍溝金礦自2006年至今，該金礦在生產(chǎn)大量黃金產(chǎn)品的同時(shí)，也存在如技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全難題，由此礦山的經(jīng)濟(jì)效益、服務(wù)年限和可持續(xù)發(fā)展的能力受到嚴(yán)重制約。

2.1 采區(qū)礦體賦存地質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度大

東昆中陸塊二級構(gòu)造單元-東昆中巖漿弧帶三級構(gòu)造單元是該礦區(qū)的大地構(gòu)造位置大致所在范圍，該位置介于東昆中、東昆北兩深斷裂之間。五龍溝礦區(qū)四個采區(qū)的范圍全部位于螢石溝至紅旗溝韌性剪切帶中，巖層主要地質(zhì)特征是復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，同時(shí)巖漿侵入活動強(qiáng)烈。礦體斷裂帶坍塌、垮滑現(xiàn)象較多，嚴(yán)格受破碎蝕變帶控制。礦體多由糜棱巖、碎裂巖、斷層泥等組成，構(gòu)造破碎嚴(yán)重，遇水容易發(fā)生軟化，井下采礦作業(yè)容易發(fā)生頂板圍巖坍塌、掉塊，分層底板裂縫下沉等安全問題，在采準(zhǔn)切割過程中礦山采區(qū)巷道需要用錨網(wǎng)噴工藝作長久支護(hù)，導(dǎo)致開采技術(shù)難度大，采礦成本增大。

2.2 礦山面臨深部開采問題，作業(yè)安全性及采礦經(jīng)濟(jì)指標(biāo)無法保障

目前采區(qū)最低已經(jīng)開拓采準(zhǔn)到3160m中段，隨著整個礦山開采中段的不斷下降，井下深部礦體厚度在逐漸變薄，礦石品位持續(xù)變低，礦體受斷裂控制較為分散，頂板圍巖不穩(wěn)定，給礦山回采作業(yè)安全帶來嚴(yán)重影響。現(xiàn)使用的無底柱崩落法和空場采礦法無法滿足井下深部礦體開采需求，為有效提高金礦資源的回收率及井下采礦作業(yè)安全性，降低貧化、損失率，實(shí)現(xiàn)礦物質(zhì)資源回收的最大化，改善礦山作業(yè)環(huán)境，持續(xù)推進(jìn)“十佳礦山”礦山建設(shè)，對膠結(jié)充填采礦法可行性進(jìn)行研究分析十分必要。

2.3 現(xiàn)有尾礦庫容將罄、尾礦面臨處置難題

目前礦山一號尾礦庫已閉庫，二號尾礦庫服務(wù)年限尚有6年左右，尾礦庫服務(wù)年限已經(jīng)無法滿足礦山發(fā)展需求。在政府層面新建尾礦庫的手續(xù)審批難度不斷增大，而且尾礦庫占用地、建設(shè)維護(hù)和閉庫治理的費(fèi)用對企業(yè)來說是一筆不小的成本支出。現(xiàn)礦山選廠尾砂產(chǎn)量約為3700t/d，根據(jù)《環(huán)境保護(hù)稅法》，又將使礦山每年增加1248萬元的排尾成本。

2.4 開拓掘進(jìn)廢石面臨處置難題

礦山每年須外排開拓掘進(jìn)廢石約7萬m3，地表廢石堆場庫容不足，且廢石地表堆存對地面環(huán)境、生態(tài)造成一定影響，同時(shí)還須安排人力物力對廢石地表堆存進(jìn)行處置管理，提高了礦山日常生產(chǎn)運(yùn)營成本。

3 充填采礦方法的適用條件簡括

對采礦方法的應(yīng)用選擇起主要影響的因素是礦體地質(zhì)賦存條件，充填采礦法的主要適用條件可基本概括為以下幾種情況：

（1）開采高品位、高價(jià)值的礦石時(shí)要求采用礦石資源回收率高、損失貧化低的采礦方法。

（2）礦體的地質(zhì)條件復(fù)雜。①工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況復(fù)雜，可開采作業(yè)條件一般；②井下礦體埋藏較深且采區(qū)的地壓比較大，容易發(fā)生巖爆；③地表有重要的保護(hù)工程，不允許有大面積陷落。

（3）礦體與圍巖的堅(jiān)固穩(wěn)定性、礦巖接觸情況、礦體分枝復(fù)合等因素，通常也會影響采礦方法的選擇。

（4）礦體的傾角和厚度較大，可減小充填料與采場頂板的接觸，增加有效充填面積，有利于向采場輸送充填料，通常采用充填法采礦。

4 關(guān)鍵性技術(shù)研究分析

4.1 具體充填方法的研究選擇

整個采區(qū)礦體主要賦存于糜棱巖化斜長花崗巖、碎裂巖、石英片巖、大理巖及黑云母斜長片麻巖等巖石，同時(shí)這些巖石又作為礦體的頂?shù)装搴蛢蓭停袝r(shí)甚至夾在礦體中間成為廢石。礦體的形態(tài)基本為條帶狀、脈狀和透鏡狀，礦體傾角范圍在4°～89°之間，礦體平均厚度為0.8m～11m。各采區(qū)圍巖及礦體的穩(wěn)固性差別大，礦體的頂?shù)装鍑鷰r以軟弱和半堅(jiān)硬巖石為主。區(qū)內(nèi)礦體與圍巖接觸帶部位靡棱巖化強(qiáng)烈，該地段圍巖往往穩(wěn)固性差，易造成采場或巷道坍塌，對實(shí)際生產(chǎn)造成安全隱患。通過對比分析《改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)》推薦的采礦方法實(shí)際效果，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)采區(qū)實(shí)際情況，得到可采用的充填方法如下：

四個采區(qū)中紅旗溝、黑石溝圍巖穩(wěn)固性相對較好，黃龍溝次之，水閘東溝最差；礦區(qū)內(nèi)礦體中等穩(wěn)固；水閘東溝、黃龍溝下盤圍巖穩(wěn)固性優(yōu)于上盤，黃龍溝上盤圍巖穩(wěn)固性優(yōu)于水閘東溝。水閘東溝采區(qū)礦體厚度一般在1.81m～7.55m，礦體傾角一般為50°～83°；黃龍溝采區(qū)礦體厚度一般在4m～9.04m，礦體傾角一般為53°～85°；黑石溝采區(qū)礦體厚度一般在2m～6m，礦體傾角一般為55°～68°。研究對比可采用的充填方法為：分段空場嗣后充填法適用于礦巖穩(wěn)定性高，硬度大且礦體平均厚度大于5m的地段，下向水平分層進(jìn)路充填法用于礦巖破碎性強(qiáng)，頂?shù)装宀环€(wěn)固厚度大于5m的地段；厚度小于5m且礦巖整體穩(wěn)固好的地段，采用上向進(jìn)路充填法進(jìn)行充填。

紅旗溝采區(qū)的礦體厚度一般在0.8m～11.9m，礦體傾角一般為30°～74°，QM7號礦體局部在6°左右，研究對比可采用的充填方法為：礦體厚度大于5m且礦巖穩(wěn)固的緩傾斜礦體，采用上向水平分層充填采礦法；礦巖穩(wěn)固的傾斜、緩傾斜且厚度小于5m的礦體，采用上向進(jìn)路充填法；厚度大于5m且礦巖穩(wěn)固急傾斜礦體，采用分段空場嗣后充填法充填；反之礦巖不穩(wěn)固傾斜礦體，用下向水平分層進(jìn)路充填法。

4.2 膠結(jié)充填的充填骨料和配比研究

充填骨料是充填材料的重要組成部分，在礦山選擇合適的充填材料，可以保障充填系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行，有利于礦山確保經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展。采區(qū)每年產(chǎn)生空區(qū)量約為34.62萬m3，需要的充填骨料用量大，所以充填骨料來源和成本是選擇充填骨料的第一考慮因素。礦山全尾砂年產(chǎn)出量為82.8萬t，其來源方便、成本低廉，還能降低尾礦壩的容積壓力，所以可用全尾砂作為充填材料。根據(jù)充填材料試驗(yàn)結(jié)果，采用膠固粉作為膠凝材料的配比試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于采用水泥作為膠凝材料的配比試驗(yàn)結(jié)果，膠固粉價(jià)格低廉，作為凝膠材料成本遠(yuǎn)低于水泥，故可采用膠固粉取代傳統(tǒng)水泥充填方式，作為礦山井下充填膠凝材料。

通過測定充填材料物理性能，選擇不同充填配比參數(shù)，制作充填體試塊，再對充填體單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，最后加以分析得到膠結(jié)充填的最優(yōu)配比參數(shù)。根據(jù)采區(qū)各個位置對充填體強(qiáng)度要求不同，試驗(yàn)分析得到可采用的具體充填配比參數(shù)（以膠固粉作為膠凝材料）如下：

（1）分段空場嗣后全尾砂+廢石充填采礦法：采場礦房的料漿充填采用灰砂比1：8，質(zhì)量濃度為72%～74%的充填料漿；采場礦柱充填灰砂比采用1：20，質(zhì)量濃度為72%～74%的充填料漿，或廢石+低強(qiáng)度全尾砂膠結(jié)充填與上個分層底板完全接觸。

（2）下向進(jìn)路充填法，采場空區(qū)底部澆筑灰砂比采用1：4，充填料漿濃度74%，采用1：15的灰砂比進(jìn)行采空區(qū)頂部充填，質(zhì)量濃度為72%～74%的充填料漿，使用這類充填法時(shí)采場整體的綜合灰砂配比可為1：8。

（3）上向進(jìn)路（分層）充填法，澆筑巷道面時(shí)，為保證回采速度及設(shè)備行走，采用灰砂比1：8，質(zhì)量濃度72%～74%的料漿；進(jìn)路或分層其余部分，采用灰砂比1：20，質(zhì)量濃度72%～74%的料漿；整個采場最下面分層灰砂比采用1：4，質(zhì)量濃度74%，可有效保障回收底柱作業(yè)時(shí)的安全。

4.3 尾砂長距離輸送方案研究

采用管道輸送方式可以實(shí)現(xiàn)尾礦的大宗量、遠(yuǎn)距離、長期穩(wěn)定輸送，輸送過程封閉，安全性、可靠性高，環(huán)境影響小。參考國內(nèi)外尾砂輸送經(jīng)驗(yàn)，可初步確定2種尾礦管道輸送方案，具體如下：

低濃度輸送方案：選廠產(chǎn)出的全部尾礦漿采用隔膜泵輸送至黃龍溝采區(qū)3450m東口充填制備站，借助尾砂沉降設(shè)施將濃度稀釋至10%左右后再添加絮凝劑進(jìn)行濃縮沉降，底流進(jìn)入攪拌系統(tǒng)，與膠固粉混合加入水之后攪拌形成滿足質(zhì)量要求的充填料漿，工業(yè)泵送至采空區(qū)進(jìn)行充填。

高濃度輸送方案：在選廠附近將尾礦漿濃密至質(zhì)量濃度72%左右，通過充填工業(yè)泵遠(yuǎn)程輸送至黃龍溝采區(qū)3450m東口充填制備站，直接進(jìn)入攪拌系統(tǒng)，與膠凝材料加水?dāng)嚢栊纬蓾M足質(zhì)量要求的充填料漿，泵送至采空區(qū)進(jìn)行充填。

通過比較可以得出：方案I因輸送料漿濃度低，尾礦輸送流量大，需大流量隔膜泵輸送，而且回水量大，系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本高；方案Ⅱ輸送膏體料漿，雖然無需回水，但由于回填制漿濃度要求高，輸送膏體流變性復(fù)雜，泵輸壓力高。更重要的是，高濃度料漿遠(yuǎn)距離輸送容易離析，泵送可靠性低。故尾砂漿輸送可采用低濃度輸送方案，即選廠產(chǎn)出的尾礦漿直接通過隔膜泵管道輸送至黃龍溝采區(qū)3450水平東口充填制備站。相關(guān)參數(shù)可確定如下。

4.3.1 輸送流量

管道設(shè)計(jì)輸送礦漿量92t/h，質(zhì)量濃度28%，尾礦漿體密度1.22t/m3，考慮到尾砂漿輸送時(shí)的不穩(wěn)定性，取不均勻系數(shù)，計(jì)算實(shí)際輸送流量為297.49m3/h。

4.3.2 輸送管道

全尾砂漿輸送管道的主要參數(shù)包括臨界流速和臨界管徑。可用計(jì)算法確定臨界流速。用杜拉德公式估算得全尾砂漿的臨界流速為0.73m/s，用凱夫公式計(jì)算可得臨界流速為1.81m/s。取最大值，即臨界流速為1.81m/s。

輸砂管道直徑：依據(jù)計(jì)算結(jié)果，充填管道內(nèi)徑應(yīng)該略小于241.83mm。

4.3.3 管道型號選擇

根據(jù)管道直徑計(jì)算結(jié)果，考慮管道在輸送尾砂和料漿時(shí)受到摩擦磨損等情況因素，結(jié)合國內(nèi)有關(guān)礦山尾礦漿輸送經(jīng)驗(yàn)，供砂管道實(shí)際的內(nèi)徑可選定為214mm。

4.3.4 輸送泵

根據(jù)輸送料漿濃度和臨界流速，參考其他礦山類似條件礦漿輸送經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算其漿體輸送壓力為5.66MPa。鑒于管線中間有部分峰點(diǎn)，考慮管線高差因素，主泵輸送壓力不小于6MPa。

4.4 對比選擇全尾砂濃縮方式

全尾砂充填系統(tǒng)的關(guān)鍵是全尾砂的濃縮和放砂技術(shù)，縱觀國內(nèi)外全尾砂充填系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，礦山兩個選廠排出的低濃度全尾砂通過泵送系統(tǒng)輸送至充填制備站砂倉系統(tǒng)進(jìn)行濃縮和儲存。全尾砂砂倉分為立式砂倉和深錐濃密機(jī)兩種形式。

我國立式砂倉的應(yīng)用研究起步早，在實(shí)際應(yīng)用和市場上屬于較成熟的分級尾砂濃縮與沉降設(shè)施。其優(yōu)點(diǎn)是自動化應(yīng)用強(qiáng)，設(shè)備工藝成熟度高，有利于工人實(shí)際操作；缺點(diǎn)是向管道輸送放砂的濃度時(shí)高時(shí)低不穩(wěn)定，溢出充填料漿中的固體含量偏高，跑渾現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致沉降效果差，一般要2座交替使用，增加了充填基建成本。目前而言國產(chǎn)深錐濃密機(jī)的發(fā)展大概經(jīng)歷了4個階段，日趨成熟。具有運(yùn)行成本低，設(shè)備放砂濃度高且穩(wěn)定，臨時(shí)土地占用面積小，基建時(shí)間短，可快速投入生產(chǎn)，損壞維修時(shí)較方便的優(yōu)點(diǎn)。

綜合考慮各方面因素，礦山采用深錐濃密機(jī)濃縮沉降全尾砂是比較合適的。

4.5 充填制備站主要工藝系統(tǒng)研究

（1）深錐濃密機(jī)。根據(jù)全尾砂靜態(tài)與動態(tài)沉降試驗(yàn)成果，在最佳絮凝參數(shù)下，濃密機(jī)需要處理的全尾砂最大量為92t/h，算得濃密機(jī)面積不小于153.33m2，其直徑不小于13.97m，同時(shí)還要考慮到供砂的波動性，結(jié)合市場可選用直徑為16m的深錐濃密機(jī)。

（2）膠凝材料儲存與輸送系統(tǒng)。按水泥用量最大的灰砂比1：4，最大連續(xù)充填作業(yè)10h計(jì)算，最大充填膠凝材料消耗量為421.5t，充填制備站的膠凝材料倉容積應(yīng)不小于367.32m3。按照20%的用灰量計(jì)算，給料輸送機(jī)向料倉添加膠固粉時(shí)給料能力應(yīng)大于36.48t/h。

（3）攪拌系統(tǒng)。目前國內(nèi)的充填攪拌系統(tǒng)主要分為臥式攪拌機(jī)和立式攪拌桶。臥式攪拌機(jī)對于粗骨料、多骨料混合漿體或膠結(jié)性能較差的骨料攪拌效果較好；立式攪拌桶適合于細(xì)骨料或骨料單一且不易分層離析的漿體攪拌。由于礦山尾礦庫全尾砂的粒徑適中，骨料單一，以礦山全尾砂作為充填骨料時(shí)采用立式攪拌桶對料漿進(jìn)行攪拌制備比較合適。

（4）泵送系統(tǒng)。以輸送最困難區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)（最高輸送高度+3810m，充填站的實(shí)際標(biāo)高為+3450m），最遠(yuǎn)輸送距離約為3km，高差相差約360m，參考國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗(yàn)，全尾砂充填料漿的單位沿程阻力損失取3MPa，得到充填管路最大的阻力損失16.54MPa。參照市場設(shè)備采用最大輸送方量160m3/h，最大出口壓力17MPa的工業(yè)泵可滿足需求。在生產(chǎn)應(yīng)用過程中為了減小充填工業(yè)泵的工作負(fù)荷，延長使用年限，改善料漿流動性能，可以適當(dāng)添加泵送劑。

（5）充填管路系統(tǒng)。充填系統(tǒng)按年生產(chǎn)能力90萬t/a計(jì)劃，產(chǎn)生空區(qū)量約為34.62萬m3/a，采礦工作制度為225d/a，礦山掘進(jìn)過程中產(chǎn)生7萬m3/a廢石，通過具體計(jì)算得到充填料漿制備能力為144.58m3/h。所以為了滿足充填所需，采區(qū)充填站的料漿制備能力應(yīng)略大于145m3/h。參考國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦山實(shí)際情況，可選用Φ219mm×11mm無縫鋼管作為充填管路。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究分析表明該金礦以尾礦庫尾砂作為充填骨料，以添加膠固粉作為凝膠材料的充填料漿在采空區(qū)充填的強(qiáng)度基本滿足目前礦山井下礦體回采作業(yè)的安全技術(shù)要求。采用膠固粉作為膠凝材料可使充填成本大大降低，遠(yuǎn)低于用水泥作凝膠材料進(jìn)行充填采礦的礦山。全尾砂膠結(jié)充填采礦方法，其低濃度輸送工藝和膏體膠結(jié)充填技術(shù)方案在國內(nèi)礦山的應(yīng)用有不少成功案例，該充填采礦方法實(shí)施應(yīng)用基本上是成熟可靠的。同時(shí)隨著國家要求行業(yè)建設(shè)綠色礦山，提升礦產(chǎn)資源利用率，可持續(xù)發(fā)展模式得到了社會的廣泛認(rèn)同，在上述方面全尾砂膠結(jié)充填采礦法具有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用性較強(qiáng)。