李鎮(zhèn)瀚

(柳州華錫有色設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 廣西 柳州市 545001)

全尾砂膏體充填在拉么鋅礦的研究與應(yīng)用

李鎮(zhèn)瀚

(柳州華錫有色設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 廣西 柳州市 545001)

隨著礦山持續(xù)發(fā)展，廢石、尾砂等大量工業(yè)固體廢料堆放地表，尾礦排放和處理仍然是金屬礦山亟待解決的難題之一。文章闡述了全尾砂膏體充填的工藝特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了該工藝在拉么鋅礦的研究與應(yīng)用。拉么鋅礦取得了全尾砂膏體充填技術(shù)的突破，成為了西南地區(qū)首家采用此新工藝的礦山，為今后全尾砂膏體充填技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

全尾砂膏體充填；沉降；密閉墻；濾水

拉么鋅礦隸屬?gòu)V西有色集團(tuán)公司，是以開采鋅、銅礦為主的礦山，礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力25.5萬(wàn)t/a。目前，礦山井下已開拓有10個(gè)生產(chǎn)中段，開采最低水平為470 m水平。地表配套建設(shè)有兩座選礦廠，選廠設(shè)計(jì)總規(guī)模45萬(wàn)t/a，日處理能力1500 t/d。礦山年生產(chǎn)金屬量3萬(wàn)t/a，其中Zn金屬8000 t，Cu金屬500 t，硫鐵礦金屬21500 t。

1 礦床開采技術(shù)條件及采礦方法

拉么鋅礦礦區(qū)地形復(fù)雜，區(qū)內(nèi)山巒起伏，地勢(shì)陡峻，海拔570～1140 m。礦床為拉么鋅礦段的籠箱蓋鋅銅礦床。礦床主要類型有：矽卡巖型緩傾斜似層狀鋅銅多金屬礦床；陡傾斜裂隙充填、交代鋅銅多金屬礦床。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，主要地下水類型有碎屑巖夾碳酸鹽巖溶洞裂隙水和基巖裂隙水。礦體賦存在扁豆灰?guī)r、細(xì)條帶硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r及頁(yè)巖中，屬堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬巖石。礦體頂?shù)装逡话銥榛規(guī)r或花崗巖，圍巖蝕變較強(qiáng)，穩(wěn)固性好。礦石硬度中等，穩(wěn)固性好，多呈浸染狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)。礦體多為緩傾斜薄礦體，傾角20°～30°，礦體最小厚度0.7 m，最大厚度10.3 m，礦體平均厚度4.3 m。

根據(jù)礦體特征及產(chǎn)狀，拉么鋅礦以潛孔留礦采礦法為主，全面空?qǐng)霾傻V法為輔進(jìn)行井下開采，形成空區(qū)規(guī)模小，空區(qū)穩(wěn)定，坡度緩和，對(duì)全尾砂膏體充填空區(qū)較為有利。

2 尾礦性質(zhì)及沉降實(shí)驗(yàn)

2.1 尾礦性質(zhì)

目前，拉么鋅礦尾礦量為1392 t/d，尾礦干量約16.32萬(wàn) m3/a。為了解掌握拉么鋅礦尾礦的性質(zhì)，進(jìn)行了尾礦粒度分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從尾礦濃縮池的給礦采集礦漿樣本，樣本濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定為18%。將實(shí)驗(yàn)采集的礦漿烘干、拌勻，并進(jìn)行縮分制樣。尾礦粒度分析成果如表1所示。

表1 尾礦粒度顆分析結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明拉么鋅礦的尾礦以中細(xì)粒為主，細(xì)度-0.037 mm(-400目)粒級(jí)產(chǎn)率為22.9%，-0.074(-200)目粒級(jí)產(chǎn)率為57.3%。尾礦的成分含量：Zn 0.3%、Cu 0.04%、S 2%～3%、Fe5%～7%、As 2%～3%、Sn 0.01%～0.1%、W 0.01%～0.1%，其它細(xì)砂成分為硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r、頁(yè)巖等。尾礦真比重3.2～3.3 t/m3，堆積容重1.8 t/m3。

2.2 尾礦沉降實(shí)驗(yàn)

礦樣配漿按礦漿重量濃度7%、10%、13%、18%和20% 5種進(jìn)行調(diào)配，添加河北陰離子絮凝劑，分別進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見圖1、圖2。

尾砂沉降高度用沉降臨界點(diǎn)上的凈水高度來(lái)計(jì)算。從圖1可知，在加藥量相同的條件下，礦漿濃度提高，沉降速率反而下降，且濃度越高，下降幅度越顯著。由圖1、圖2表明，礦漿濃度升高，絮凝劑用量增加十分明顯，用藥量加倍。

綜合所述，礦漿濃度和絮凝劑的用量是影響靜態(tài)絮凝沉降效果的重要因素。濃度越高，顆粒間相互作用越明顯，布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，尾砂沉降越難實(shí)現(xiàn)。

圖1 5 g/t河北陰離子絮凝劑沉降曲線

圖2 10 g/t河北陰離子絮凝劑沉降曲線

對(duì)于配漿濃度與給礦濃度(18%)相同的礦樣，加10 g/t絮凝劑所需沉降時(shí)間約2 min。加入絮凝劑后，溢流中最大顆粒的粒徑dx，根據(jù)顆粒沉降速度相對(duì)提高的倍率，可由Stokes theorem公式求出。按常規(guī)設(shè)計(jì)濃縮溢流粒徑0.005 mm計(jì)算，則：

當(dāng)ν=14.3時(shí)：

這說(shuō)明在獲得相同溢流水質(zhì)的情況下，添加絮凝劑后，礦漿中的微細(xì)礦泥迅速絮凝，溢流中最大顆粒粒徑可由原來(lái)的5 μm快速增大至19 μm，微細(xì)泥粒度變粗?jǐn)?shù)倍，沉降加速，微細(xì)泥含量大幅減少。

考慮回用水中絮凝劑殘余量對(duì)浮選的影響，本設(shè)計(jì)的絮凝劑添加量設(shè)定為10 g/t。根據(jù)試驗(yàn)曲線計(jì)算，添加10 g/t絮凝劑的處理能力為396 kg/m2h。

3 充填工藝及應(yīng)用

3.1 膏體制備及輸送

為減少地表尾礦排放，控制選礦廢水外排，防止重金屬污染源擴(kuò)散，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，同時(shí)滿足井下充填的需要，本研究設(shè)計(jì)采用“低濃度尾礦→濃縮→膏體(或近膏體)尾礦，濃縮溢流回用選廠”的尾砂制備工藝流程，對(duì)選廠排放的低濃度尾礦進(jìn)行濃縮處理，制備成膏體尾礦，充填井下采空區(qū)，選礦廢水全部循環(huán)再利用，消除污染源對(duì)周邊環(huán)境的影響。工藝流程見圖3所示，尾礦濃縮指標(biāo)見表2。

圖3 尾礦處理工藝流程

表2 尾礦濃縮過(guò)濾設(shè)計(jì)指標(biāo)

產(chǎn)品濃度/%尾砂分布t/dt/h尾水分布m2/dm2/h濃縮底流701389．857．911921．380濃縮溢流0．052．220．094420182．4給礦18139258．006341．3264．2

設(shè)計(jì)采用高壓濃密機(jī)將尾礦漿濃縮至68%～70%，礦漿最大密度1.95 t/m3，尾礦漿輸送量為1018.4～1076.9 m3/d，即42.4～44.8 m3/h。尾礦輸送泵應(yīng)具有20%的富余能力，則泵的輸送能力應(yīng)大于54 m3/h。

尾砂環(huán)管實(shí)驗(yàn)采用Φ108 mm×12 mm的無(wú)縫鋼管。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用內(nèi)徑為Φ96 mm的管道輸送尾礦漿時(shí)，管道的沿程損失較大，為減小砂漿輸送的阻力，應(yīng)增大尾礦輸送管的管徑。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定礦漿遠(yuǎn)距離管道輸送的最小管徑為Φ108 mm，尾砂輸送的速度應(yīng)大于其臨界流速，因此，設(shè)計(jì)采用Φ133 mm×8 mm的無(wú)縫鋼管作為輸送管道。

管徑和流速的關(guān)系式為：

當(dāng)輸送管道內(nèi)徑由Φ96 mm增大至Φ117 mm后，尾礦漿體的流速由1.65～1.74 m/s降至1.11～1.17 m/s，流速的減小，大大降低輸送過(guò)程中的沿程損失。

膏體制備站建設(shè)在選廠重選車間附近，膏體站標(biāo)高+538 m，膏體尾砂輸送至采空區(qū)最大輸送距離2.5 km，最大輸送高差85 m。由于高濃度尾礦漿料的流動(dòng)性差，輸送距離較遠(yuǎn)，輸送高差大，輸送阻力大等因素，設(shè)計(jì)采用管道泵壓輸送尾礦漿料。壓力泵選用3-D6M6/60-BY-IA隔膜泵，輸送管道采用Φ133 mm×8 mm無(wú)縫鋼管，具體設(shè)備及參數(shù)見表3。

表3 尾礦制備輸送系統(tǒng)設(shè)備明細(xì)表

3.2 采空區(qū)密閉及密閉墻厚度計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)，拉么鋅礦井下可實(shí)現(xiàn)膏體尾砂充填采空區(qū)有0#空區(qū)、3#空區(qū)、5#空區(qū)及15#空區(qū)，為防止充填時(shí)發(fā)生跑漿、漏漿等事故，避免充填尾礦污染井下巷道，對(duì)采空區(qū)底部通口進(jìn)行密閉，主要密閉、濾水措施是在采場(chǎng)的底部各出礦進(jìn)路和順路天井的聯(lián)絡(luò)道內(nèi)構(gòu)筑立面脫水墻，并通過(guò)采空區(qū)上部的回風(fēng)巷等通口向空區(qū)內(nèi)排放廢石，在形成4～5 m廢石濾水層后，再向采空區(qū)內(nèi)排放高濃度尾礦漿。

3.2.1 密閉墻設(shè)計(jì)參數(shù)

密閉墻支撐面與巷道中心線夾角α、β值由圍巖性質(zhì)確定，拉么鋅礦圍巖穩(wěn)定性系數(shù)f>6，取α=30°，β=60°。

密閉墻設(shè)計(jì)為C20鋼筋混凝土墻，密閉材料強(qiáng)度按現(xiàn)行的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取用，加兩排鋼筋，鋼筋排距150～200 mm，網(wǎng)孔100 mm×100 mm。C20混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為10 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為1.1 MPa，抗剪強(qiáng)度f(wàn)v=0.75(fcft)1/2。按0.95的安全系數(shù)折算，則fc=9.5 MPa，ft=1.05 MPa，fv=2.369 MPa。

3.2.2 密閉墻承壓計(jì)算

膏體尾砂充填采空區(qū)，礦漿對(duì)密閉墻的作用主要以靜壓為主，可忽略動(dòng)壓的影響。參照流體力學(xué)公式及其他計(jì)算方法，密閉墻上的最大承壓可按照以下公式計(jì)算：

(1) 依據(jù)流體力學(xué)理論

P=ρgH

式中,ρ為尾礦漿密度，取1.8 t/m3；H為尾礦漿高度；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

(2) 按尾礦庫(kù)內(nèi)排水管荷載計(jì)算

Pmax=γiξgHw+γogHD

式中,γi為尾礦密度，取1.6 t/m3；γo尾礦水密度，取1 t/m3；ξ為側(cè)壓系數(shù)，取0.49；Hw為尾礦表面高度；HD為尾礦水高度；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

(3) 按尾礦庫(kù)內(nèi)排水井荷載計(jì)算

Pmax=(1-sinδ)γigHw+γogHD

式中,δ為尾礦有效力抗剪角度，一般取5°～10°；γi為尾礦密度，取1.6 t/m3；γo為尾礦水密度，取1.0 t/m3；Hw為尾礦表面高度；HD為清水高度，一般可取HD=Hw×2；g為重力加速度，取9.8m/s2。

為確保密閉墻承壓的可靠性，取3個(gè)計(jì)算值中的最大值作為密閉墻的計(jì)算承壓。結(jié)果見表4所示。

表4 采空區(qū)密閉墻承壓計(jì)算結(jié)果

3.3.3 密閉墻厚度計(jì)算

目前沒有具計(jì)算體密閉墻厚度的公式，參照《采礦手冊(cè)》井下防水閘門硐室的設(shè)計(jì)，密閉墻厚度采用楔形計(jì)算方法計(jì)算，具體如下。

(1) 按抗壓強(qiáng)度計(jì)算：

式中，W為計(jì)算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；P為作用在密閉墻上最大承壓；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

(2) 按抗剪強(qiáng)度計(jì)算：

式中，W為計(jì)算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；P為作用在密閉墻上最大承壓；fv為混凝土軸心抗剪強(qiáng)度。

(3) 按抗?jié)B透性條件計(jì)算

W≥48Khab

式中，W為計(jì)算密閉墻厚度；a為巷道凈寬度；b為巷道凈高度；K為考慮井下密閉墻的抗?jié)B性要求，取0.000015；h為設(shè)計(jì)承壓相對(duì)的靜水壓頭高度。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取一個(gè)具有代表性的巷道斷面來(lái)計(jì)算，拉么鋅礦為有軌礦山，巷道斷面尺寸均按3.0 m×2.5 m計(jì)算，密閉墻嵌入巖體深度D=Wtan30°。密閉墻的混凝土密閉結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.1，永久作用荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，考慮井下隔水密閉的永久性和抗震性，增加富余安全系數(shù)1.4，則P設(shè)計(jì)=2.156P計(jì)算。按照上述3種計(jì)算方法，并增加2.156倍的安全系數(shù)，分別對(duì)各個(gè)采空區(qū)密閉墻厚度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表5。

表5 采空區(qū)密閉墻厚度計(jì)算結(jié)果

考慮密閉墻的重要性，施工時(shí)應(yīng)設(shè)監(jiān)工，并嚴(yán)格按照施工要求施工。

3.3 充填濾水

充填濾水是一個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)，很多礦山都忽略了這一點(diǎn)。充填的濾水效果直接影響整個(gè)充填空區(qū)的穩(wěn)定和安全。若充填尾水不能排出采空區(qū)，尾砂無(wú)法固結(jié)，會(huì)影響采空區(qū)的穩(wěn)定，增加井下安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人員及井下設(shè)備的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

為了解決上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)的濾水系統(tǒng)由濾水管、密閉墻和沉淀池組成。在充填采空區(qū)前，預(yù)先對(duì)空區(qū)底部通口進(jìn)行有效密閉，構(gòu)筑巷道密閉墻等密閉措施。將濾水管布置在空區(qū)底部及沿斜底板敷設(shè)至空區(qū)頂部。濾水管采用#型布置，間隔15 m～20 m，并相互連通構(gòu)成網(wǎng)狀脫水結(jié)構(gòu)，主濾水管從空區(qū)底部接出，穿過(guò)密閉墻接入采空區(qū)外的沉淀池。濾水管采用PE100(SDR11)聚氯乙烯承壓管，承壓管直徑50 mm，厚4.6 mm，承壓1.6 MPa。管壁四周均勻開設(shè)直徑20 mm的排水孔，排水孔采用梅花型布置，間隔30 mm。在濾水管外包裹工業(yè)濾布，一般只包一層，濾布目數(shù)根據(jù)尾砂性質(zhì)確定，這里取150目，其目的是只允許水通過(guò)，阻止尾砂進(jìn)入濾水管，從而實(shí)現(xiàn)尾砂脫水。尾水以自流的方式，分兩個(gè)主要過(guò)程排出空區(qū)，一是在尾砂充填空區(qū)時(shí)，尾砂與濾水管網(wǎng)接觸時(shí)會(huì)有部分流動(dòng)的尾水進(jìn)入濾水管后排出空區(qū)；二是尾砂自然沉降時(shí)，尾水上浮后從濾水管網(wǎng)排出空區(qū)。

本系統(tǒng)投資成本低，操作容易，可以快速排出尾砂中的重力水，使充填空區(qū)尾砂快速沉降，大大縮短尾砂達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，并且濾出的尾水為清水，無(wú)需處理，可回收再循環(huán)利用。

3.4 充填制度

全尾砂膏體充填為非膠結(jié)充填，充填的尾砂料漿需有足夠的時(shí)間沉淀脫水，因此不能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間充填，且充填后讓尾砂要處于自然沉降的狀態(tài)，不能使尾砂受到擾動(dòng)或震動(dòng)的影響。

為使尾砂充分沉淀，全尾砂膏體充填采用間隔充填的充填制度，因此充填前應(yīng)準(zhǔn)備3個(gè)以上采空區(qū)。一次作業(yè)只充填一個(gè)空區(qū)，一次作業(yè)充填時(shí)間不超過(guò)8 h，間隔時(shí)間16 h以上。拉么鋅礦采用從近到遠(yuǎn)的充填原則，首充3#空區(qū)，充填8 h后轉(zhuǎn)向充填0號(hào)采空區(qū)，最后依次充填5#和15#空區(qū)，如此交替往復(fù)。每次充填結(jié)束，直接從隔膜泵用清水清洗管道，清洗完畢后可進(jìn)行下個(gè)采空區(qū)充填。

根據(jù)尾砂產(chǎn)出量1400 t/d計(jì)算，尾砂密度為1.6 t/m3，則尾砂產(chǎn)出量換算為875 m3/d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量出各個(gè)采空區(qū)的體積可計(jì)算出各個(gè)采空區(qū)的充填時(shí)間，詳見表6。

表6 各個(gè)采空區(qū)充填時(shí)間明細(xì)表

整個(gè)工程可充填尾礦386 d，可實(shí)現(xiàn)約33萬(wàn)m3的尾礦排放，可減少尾砂地表排放。

3.5 充填注意事項(xiàng)

(1) 充填工作開始前，先用清水沖洗輸砂管道，防止尾礦堵管，并檢查管道是否滲漏，如有滲漏，應(yīng)及時(shí)處理；

(2) 在充填空區(qū)過(guò)程中，做好巷道密閉墻、溜井、上山和人行天井的監(jiān)測(cè)工作，如發(fā)現(xiàn)泄漏，須及時(shí)停止充填工作，并及時(shí)向有關(guān)部門匯報(bào)；

(3) 采空區(qū)濾出的尾砂水需及時(shí)處理，避免污染井下環(huán)境；

(4) 各采空區(qū)充填交替時(shí)，做好轉(zhuǎn)接工作，及時(shí)沖洗管道；

(5) 做好危險(xiǎn)警示和照明工作，充填過(guò)程中，嚴(yán)禁作業(yè)人員進(jìn)入采空區(qū)。

4 總 結(jié)

通過(guò)在拉么鋅礦的全尾砂膏體充填實(shí)驗(yàn)與研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 全尾砂膏體充填穩(wěn)定的濃度為65%～70%,最大可達(dá)73%，尾礦穩(wěn)定輸送壓力為1.5～2 MPa,流量約60 m3/h。

(2) 全尾砂膏體充填采空區(qū)，可以減少尾礦地表堆存排放，防止尾水污染環(huán)境，且膏體尾砂其含水量少，能有效控制地壓，對(duì)井下環(huán)境影響小。

(3) 全尾砂膏體充填采空區(qū)濾出尾水為清水，可簡(jiǎn)單處理或不處理后，再循環(huán)利用。

[1]《選礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).選礦手冊(cè)第二卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999(6).

[2]《中國(guó)選礦設(shè)備手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)選礦設(shè)備手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2008(8).

[3]《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦手冊(cè)第三卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006(4).

[4]《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)井巷工程卷[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.

[5]王紹周.管道運(yùn)輸工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004(1).

[6]周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007(1).

[7]王新民，古德生，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010(12).

2014-07-03)

李鎮(zhèn)瀚(1989-)，男，廣西來(lái)賓人，采礦助理工程師，工程學(xué)士，主要從事采礦方法及井下充填工作，Email:675870987@qq.com。