鄧代強(qiáng)，彭亮

（1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州貴陽550003；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012）

某礦尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)運(yùn)行分析

鄧代強(qiáng)1，彭亮2，3

（1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州貴陽550003；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012）

為更好地給礦床開采提供安全的工作場所，實(shí)現(xiàn)礦山綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)行了某礦充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。結(jié)果表明：全尾砂漿經(jīng)氣動(dòng)液化攪拌均勻后，與水泥混合坍落度約250～270 mm、濃度為70%～72%的高濃度充填料漿，呈現(xiàn)出流態(tài)良好的結(jié)構(gòu)流體，黏稠狀料漿在管道中流動(dòng)時(shí)對管道磨損很小，流入采場后充填料漿擴(kuò)散良好，無局部堆積與水砂分離情況發(fā)生，分倉進(jìn)砂后尾砂沉降效率大幅提高，制備出的合格充填料漿充入采空區(qū)后，圍巖受力環(huán)境明顯改善，原有的地壓顯現(xiàn)得到有效抑制，該技術(shù)的實(shí)施為礦山綠色開采提供了有力保障。關(guān)鍵詞：黏稠狀漿體；應(yīng)力；采空區(qū)；管道輸送；尾砂充填；膠結(jié)充填

0 引言

對于一些采用崩落法開采的金屬礦山，隨著礦體開采的不斷進(jìn)行，礦巖所受擾動(dòng)也越來越大，久而久之，當(dāng)達(dá)到一定規(guī)模，有時(shí)就會(huì)引起局部巖層滑移錯(cuò)動(dòng)，發(fā)生采場垮塌或塌陷[1-2]，從而對地表構(gòu)筑物及人員造成危害。為應(yīng)對礦床開采而引發(fā)的地表塌陷等人為擾動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害威脅，目前根據(jù)礦山具體工程條件，一些采用過崩落法的礦山正積極轉(zhuǎn)改充填法開采礦床[3-5]，而充填的直接目的就是通過對采空區(qū)填實(shí)處理，從根本上解決塌陷隱患，力學(xué)機(jī)制上則是限制了采空區(qū)圍巖運(yùn)移，使圍巖弱化速度減慢直至消失，充填體加入到地質(zhì)構(gòu)造行列，對維護(hù)地表的安全穩(wěn)定起到積極作用[6-8]。對于鎢行業(yè)來說，由于金屬鎢價(jià)值較高，一些圍巖條件較好的鎢礦井伴隨著采空區(qū)規(guī)模的增大而逐漸將空場法轉(zhuǎn)改充填法，以利于高價(jià)值鎢資源充分利用[9]。針對某礦床開采實(shí)例，結(jié)合前期使用的崩落法開采已逐漸不適用之現(xiàn)狀，為尋求更加安全高效的開采方式，本研究針對該礦進(jìn)砂濃度低、冬季漫長、季節(jié)性大風(fēng)的特殊條件下進(jìn)行了充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，通過一段時(shí)間的應(yīng)用，充填法開采對于采空區(qū)治理及尾礦處置起到了重要作用，其生態(tài)友好型的運(yùn)行模式能為當(dāng)?shù)氐V山可持續(xù)發(fā)展起到良好的示范作用。

1 充填系統(tǒng)工藝概況

充填材料的選擇通常應(yīng)結(jié)合礦山當(dāng)?shù)爻涮钗锪蟻碓醇肮?yīng)現(xiàn)狀，需要充填材料能就地取材且價(jià)格低廉、同時(shí)具有良好的物理性能指標(biāo)，以滿足開采技術(shù)需求[10-12]。結(jié)合該礦工程實(shí)際，交通及氣候條件等，由于礦區(qū)周邊無廣泛供應(yīng)且價(jià)格低廉的戈壁料、破碎廢石及河砂等材料，因此充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用可管道連續(xù)輸送、供應(yīng)穩(wěn)定、無須外購的礦山選礦廠排出的全尾砂作為充填集料，少量掘進(jìn)廢石根據(jù)情況排入采空區(qū)，與水泥尾砂的混合料漿共同進(jìn)行充填。

正常充填作業(yè)過程中，濃度為30%左右的尾砂漿源源不斷地從選礦廠輸送至充填站立式砂倉，經(jīng)一段時(shí)間的沉降濃縮后采用排量為40 m3/min的螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行壓氣造漿作業(yè)，添加水泥后均勻制備的充填料漿沿長距離管道自流輸送至井下充填采場，充填料漿固結(jié)硬化后可起到控制圍巖變形、防止地表塌陷的作用。該礦充填物料供應(yīng)與充填料漿制備系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 充填物料供應(yīng)與料漿制備系統(tǒng)Fig.1Filling material supply and slurry preparation system

2 充填系統(tǒng)試運(yùn)行參數(shù)分析

2.1 選廠尾礦逐步濃密分析

礦山日常采、選生產(chǎn)過程中，進(jìn)行充填系統(tǒng)的進(jìn)砂與沉降濃縮調(diào)試，低濃度尾砂漿從選礦廠磁選車間排入到附近規(guī)格為直徑30 m的濃密機(jī)中，初步濃縮后經(jīng)過底流變頻渣漿泵輸送至充填站立式砂倉，低濃度尾砂漿在自重作用下沉降濃縮，達(dá)到最大沉降濃度后進(jìn)行放砂，由于尾砂顆粒不斷沉降，上部的澄清水逐漸變多，多余部分的澄清水流經(jīng)溢流管不斷排出到充填站內(nèi)的水倉，再由渣漿泵輸送至遠(yuǎn)處的尾礦庫。

各生產(chǎn)環(huán)節(jié)運(yùn)行協(xié)調(diào)妥善之后，隨即運(yùn)行了系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)試，整個(gè)充填工藝系統(tǒng)調(diào)試期間，從選礦廠排至濃密機(jī)的尾砂漿濃度約為10%～15%，直徑30 m的濃密機(jī)底流濃度約為24%～33%之間，流量約為240 m3/h左右，當(dāng)尾砂倉進(jìn)滿尾砂漿后，倉頂部的溢流管開始溢流，通過不斷取樣并用濃度壺檢測，溢流濃度約為3%～5%，此濃度在后期的生產(chǎn)過程中逐步降低。當(dāng)進(jìn)砂流程結(jié)束，經(jīng)過一段時(shí)間自然沉降后即開始進(jìn)行放砂試驗(yàn)，放砂濃度約為55%～63%，添加水泥后的充填料漿濃度約為66%～72%。經(jīng)數(shù)天的調(diào)試，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，逐漸減小了放砂與充填濃度的波動(dòng)范圍，使充填料漿的制備濃度更加穩(wěn)定，基本上保持在68%～71%之間，流量則根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度和流速要求進(jìn)行校正。選礦車間尾砂濃密流程如圖2所示。

圖2 尾砂濃密流程Fig.2Tailings thickening process

2.2 濃度與流量運(yùn)行參數(shù)分析

系統(tǒng)調(diào)試期間對放砂濃度與充填料漿濃度進(jìn)行了取樣測試，得到了相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)分析后得到其變化曲線如圖3所示。在試運(yùn)行期間對空壓機(jī)的排風(fēng)壓力進(jìn)行了檢測與記錄，對于相同高度的尾砂漿所對應(yīng)的空氣壓力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，分析后得到其變化趨勢見圖4所示，從圖4中可以直觀看出，隨著立式砂倉中的尾砂漿料位不斷降低，空壓機(jī)風(fēng)包的排氣壓力也逐漸降低，由此說明了當(dāng)尾砂倉料位變化，其對砂倉底部的靜水壓力也在不斷發(fā)生變化，即料位較高時(shí)，其所需的壓氣造漿的空氣壓也較大，如砂倉料位為9.5 m時(shí)，所需的空氣壓力為0.58 MPa；當(dāng)砂倉料位為5.7 m時(shí)，所需的空氣壓力為0.51 MPa；當(dāng)砂倉料位為降為2.8 m時(shí)，所需的空氣壓力則降為0.47 MPa。

圖3 生產(chǎn)環(huán)節(jié)各濃度參數(shù)Fig.3Concentration parameters

圖4 風(fēng)包壓力參數(shù)記錄值Fig.4Recording values of pressure parameters

通過對整個(gè)充填系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)及情況進(jìn)行深入分析，影響運(yùn)行參數(shù)的重要原因在于從選廠輸送至充填站的低濃度尾砂漿流量與濃度的波動(dòng)，充填過程為了保持管道輸送流速和避免堵管，低濃度尾砂漿的供給流量需達(dá)到200～260 m3/h，對于單倉進(jìn)砂時(shí)，尾砂難以在短時(shí)間內(nèi)有效沉降，而低濃度尾砂漿濃度波動(dòng)較大時(shí)，尾砂難以正常供應(yīng)，因此就造成了充填料漿濃度的大幅波動(dòng)，充填質(zhì)量難以保證。通過分倉進(jìn)砂與大量的取樣測試，驗(yàn)證了分倉進(jìn)砂可以提高尾砂的沉降效率，同時(shí)保證了充填料漿濃度與流量的穩(wěn)定，充填系統(tǒng)能夠制備出合格的充填料漿。

2.3 充填料漿取樣效果分析

在充填系統(tǒng)調(diào)試階段與正常生產(chǎn)時(shí)，對制備好的充填料漿進(jìn)行了取樣，澆筑充填體試塊并進(jìn)行模擬井下條件恒溫保濕養(yǎng)護(hù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定齡期后測試充填體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。從大量的取樣過程觀察到，充填料漿較為黏稠，雖然充填料漿坍落度約為250～270 mm，但料漿之中的水砂并無明顯的分層離析現(xiàn)象發(fā)生，澆筑的70.7 mm3充填體試塊凝結(jié)硬化正常，澆筑試模24 h后拆模，形成的充填體試塊強(qiáng)度正常，表面規(guī)整平滑，基本無稀軟與掛?，F(xiàn)象，手感充填體強(qiáng)度尚可，密實(shí)性較好且質(zhì)量較大。通過實(shí)驗(yàn)室普通壓力機(jī)測試，獲得充填體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28天的試驗(yàn)結(jié)果顯示，1∶4充填體試塊強(qiáng)度為2.0～2.8 MPa，1∶6充填體試塊強(qiáng)度為1.2～1.7 MPa，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，充填體試塊強(qiáng)度還有一定的增長，同時(shí)從井下揭露的充填體情況來看，充填體強(qiáng)度滿足了礦柱開采的技術(shù)要求。

3 結(jié)語

該礦尾砂經(jīng)過采空區(qū)的充填處理，將約45%～55%左右的尾砂有效地存積封固于井下深處，極大地降低了因大量地表堆存而存在的尾礦庫潰壩等危害隱患，也減小了尾礦庫干灘揚(yáng)塵的不利影響，日常生產(chǎn)過程中，地表尾礦庫只需排入少部分的尾砂，因此礦山的排污及相關(guān)運(yùn)營管理等費(fèi)用也有所降低，尾礦庫的服務(wù)年限大大增加。

充填料漿隨長距離管道輸送至井下采空區(qū)后，料漿的擴(kuò)散范圍覆蓋整個(gè)采空區(qū)的平面范圍，從充填料漿下料點(diǎn)直至遠(yuǎn)處的采場境界，各處的充填料漿基本無明顯的高差存在，料漿流平性較好，料漿之中的自由沉降水能夠順利從敷設(shè)于采空區(qū)內(nèi)部的濾水管排出，因此為充填料漿的正常固結(jié)及充填體早期強(qiáng)度的提高創(chuàng)造了良好條件。

地下大體積采空區(qū)經(jīng)過充填，從根本上改善了礦床開采圍巖應(yīng)力條件，圍巖的運(yùn)移及巖層變形受到抑制，巖體結(jié)構(gòu)得到加固、受力由單軸變?yōu)槿S，消除了采空區(qū)連接成片的不利情況，通過填實(shí)采空區(qū)，為相鄰礦柱的開采創(chuàng)造了安全條件，從而使礦山生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益整體上得到穩(wěn)步提高，該項(xiàng)目的投產(chǎn)使用為當(dāng)?shù)氐V山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式創(chuàng)新起到了極大的帶動(dòng)作用，并已獲得了顯著地綜合效益。

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Operation Analysis of Cemented Tailings Filling System in a Mine

DENG Daiqiang1,PENG Liang2,3
（1.Institute of Mining Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550003,Guizhou,China;2.Changsha Institute of Mining Research Co.,Ltd., Changsha 410012,Hunan,China;3.National Engineering Research Center for Metal Mining,Changsha 410012,Hunan,China)

This paper studies the design and application of the cemented tailings filling system to realize green environmental protection and sustainable mining development.The results show that a high concentration filling slurry when the whole tail mortar is uniformly stirred by pneumatic liquefaction,with slump and concentration reaching 250～270 mm and 70%～72%respectively.In a state of well structured fluid,the viscous slurry flows through the pipe and wears very little against the pipe.After is inflow to the stope,the filling slurry is well dispersed and no local accumulation occurs.When the qualified filling slurry is filled into the mined out area,the surrounding rock force environment is obviously improved,and the original ground pressure appearance is effectively suppressed. The implementation of this technology provides a powerful guarantee for green mining.

viscous slurry;stress;goaf;pipeline transportation;tailing filling technology;cemented filling

TD327

A

（編輯：劉新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.003

2017-05-27

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAB02B04）

鄧代強(qiáng)（1974-），男，新疆石河子人，博士，高級工程師，主要從事礦山充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、充填集料與膠凝材料開發(fā)、采空區(qū)充填工藝研究。