胡天壽,江 科,仵鋒鋒

(1．江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦, 江西 上饒市 334000;2．長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410012;3．國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前 言

近年來國(guó)家大力提倡充填采礦法,相繼出臺(tái)了相關(guān)的環(huán)保與安全的法律法規(guī),其中國(guó)家安監(jiān)總局〔2014〕48號(hào)規(guī)定:新建地下礦山必須首選充填采礦法,不能采用需經(jīng)過論證并出具材料;財(cái)政部和國(guó)家稅務(wù)總局聯(lián)合發(fā)出財(cái)稅改革通知,對(duì)某些特殊情況下通過充填方式采出的礦產(chǎn)資源減免50%資源稅;且已實(shí)施的環(huán)境保護(hù)稅法開始對(duì)各種類型的污染物征稅,其中尾礦作為固體廢物的污染排放稅是15元/t,而采用充填于井下的尾砂則可免征此種稅費(fèi)[1-5]。綜上所述,采用充填采礦法、固廢盡量充填至井下而不堆存于地表是礦山今后發(fā)展的主流方向[6-8]。

空?qǐng)龇ㄗ鳛橐环N較早應(yīng)用,具有對(duì)復(fù)雜薄礦脈適用性強(qiáng)、礦塊生產(chǎn)能力較大、工藝簡(jiǎn)單、工人易于操作、管理方便等優(yōu)點(diǎn),在有色金屬行業(yè)、特別是中小型礦山的使用率較高。但在實(shí)際的應(yīng)用中空?qǐng)龇ù嬖陔y以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、礦石損失貧化大等缺陷,且當(dāng)圍巖或礦體工程性質(zhì)較差時(shí),采場(chǎng)在大放礦時(shí)往往因片幫的大塊廢石堵住出礦巷導(dǎo)致存留的礦石無法回收利用、礦石損失率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)工藝指標(biāo)的現(xiàn)象。因礦石的損失貧化、大量廢石的混入,致使選廠入選品位較低,在相同采選能力下,獲得的金屬量較少,影響企業(yè)效益;同時(shí)留在采場(chǎng)內(nèi)無法出礦的礦石是礦山資源的浪費(fèi),長(zhǎng)此以往將極大地縮短礦山服務(wù)年限,于企業(yè)和社會(huì)造成巨大的損失,本文基于江西某鎢礦的實(shí)際生產(chǎn)情況,對(duì)其空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)充填法進(jìn)行研究,進(jìn)而提出短流程、低成本模塊化充填站的建設(shè)方案,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度論述其必要性和可行性[9-15]。

1 礦山概況

江西某鎢礦礦區(qū)內(nèi)礦脈多且分散,傾角一般為60°~80°,水平厚度較小,一般為0．25~2．87 m、最大8．82 m,平均厚度1．56 m,大部分屬于極傾斜極薄至薄礦體,有少部分中厚礦體,礦體一般穩(wěn)固性較好,但由于礦體屬構(gòu)造控礦,其頂?shù)装宀课欢啻嬖趶?qiáng)蝕變現(xiàn)象,如綠泥石化、高嶺土化等,其工程物理力學(xué)性質(zhì)較差,開采過程中易出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)炔涣脊こ痰刭|(zhì)現(xiàn)象,礦床內(nèi)斷層構(gòu)造較發(fā)育。礦石和巖石均無自燃性、無結(jié)塊性,礦床開采技術(shù)條件中等。經(jīng)過多年建設(shè),該礦的采選規(guī)模為33萬t/a,主要采礦方法為空?qǐng)龇?少量高品位極薄礦體采用削壁充填法,礦山設(shè)計(jì)采礦礦石損失率為15%,貧化率為10%,但實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中,礦石的貧化率達(dá)26%,且在最后大放礦時(shí)大量礦石經(jīng)常因大塊廢石卡住出礦結(jié)構(gòu)最終導(dǎo)致已鑿巖爆破的礦石永久性損失、資源大量的浪費(fèi)。礦山的開拓方式為平峒＋斜坡道,多年的生產(chǎn)及早前的民采遺留了大量采空區(qū)有待處理。

2 空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)充填法可行性研究

2．1 降低礦石損失貧化率

將空?qǐng)龇ǜ臑槌涮畈傻V法對(duì)礦體進(jìn)行回采將大幅地降低損失貧化率,通過對(duì)產(chǎn)能布局規(guī)劃、薄礦脈出礦設(shè)備選型與作業(yè)周期優(yōu)化等進(jìn)行研究,可以使上向水平分層充填法在該鎢礦得到很好的應(yīng)用,嚴(yán)格控制礦石的損失貧化、杜絕礦房鑿巖爆破后無法順利出礦的現(xiàn)象,延長(zhǎng)礦山的服務(wù)年限,提高礦石的入選品位以及企業(yè)的整體盈利能力。充填采礦法能順利實(shí)施的先決條件是在保證充填體質(zhì)量的同時(shí)降低充填成本,先進(jìn)的充填工藝與完善的設(shè)施配置是實(shí)現(xiàn)井下充填采礦的關(guān)鍵,國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的充填工藝發(fā)展趨勢(shì)是全尾砂膠結(jié)充填技術(shù),相應(yīng)的工程案例很多,不僅應(yīng)用于高價(jià)值的礦石資源開采,其成熟的工藝與先進(jìn)的設(shè)備也已在部分低價(jià)值礦山(如低品位大型鐵礦)順利應(yīng)用,在生產(chǎn)中取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2．2 降低尾砂處理成本

該鎢礦總尾經(jīng)壓濾形成尾砂濾餅由皮帶廊道轉(zhuǎn)運(yùn)至露天尾礦干堆場(chǎng),上述過程的尾砂處理成本約18元/t,后續(xù)還有尾礦干堆場(chǎng)內(nèi)的整平、碾壓、日常維護(hù)以及復(fù)綠等工序,總費(fèi)用達(dá)45元/t·尾砂,該鎢礦現(xiàn)有的尾砂處置成本偏高,是企業(yè)運(yùn)營(yíng)的一大負(fù)擔(dān)。若采用壓濾車間的全尾砂濾餅充填時(shí),將一部分尾砂充填于井下而不需進(jìn)行干堆,有利于降低尾砂干堆工藝的成本,國(guó)內(nèi)外已有大量利用尾砂濾餅預(yù)制漿后進(jìn)行充填的案例,在技術(shù)上可行,系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行效果好,為企業(yè)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2．3 處理井下空區(qū)

自該鎢礦基建以來,數(shù)年的開采已在井下形成了較多空區(qū),且礦區(qū)早期有較多的民采活動(dòng),截止目前井下存在約30萬m3的空區(qū)有待處理,如若置之不理,隨著時(shí)間的推移井下空區(qū)體積將進(jìn)一步增加,會(huì)對(duì)井下采礦作業(yè)構(gòu)成潛在的威脅,且國(guó)家對(duì)礦山采空區(qū)的治理問題越來越重視,盡早地處置空區(qū)將是企業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的正確選擇?？?qǐng)龇ú煽諈^(qū)處置的傳統(tǒng)方式有廢石充填以及崩落上覆圍巖等方式,將采礦廢石充填于空區(qū)不出窟是合理的方式,但由于廢石量有限,只能部分處理采空區(qū),而崩落覆巖可能會(huì)導(dǎo)致地表塌陷,這是國(guó)家安全環(huán)保部門所明令禁止的,目前國(guó)內(nèi)外流行的處置方式是利用集料充填空區(qū),起到對(duì)圍巖和頂板的支撐作用,其中尾砂是一種理想的充填集料,也是傳統(tǒng)的礦山固廢,全尾砂充填技術(shù)既處置了固廢又處理了空區(qū),符合國(guó)家政策且利于礦山的可持續(xù)發(fā)展。

2．4 延長(zhǎng)尾礦干堆場(chǎng)的服務(wù)年限

目前該鎢礦的尾礦干堆庫上升速度較快,按現(xiàn)有的采選規(guī)模及運(yùn)行模式,預(yù)計(jì)尾礦干堆場(chǎng)未滿服務(wù)年限即已滿庫,未來新建尾礦庫的申報(bào)工作將極其困難,礦山極有可能因無處堆放尾砂而停產(chǎn),因而采用全尾砂充填采礦法是礦山的最佳選擇,可以部分處置尾砂,有效延長(zhǎng)尾礦干堆場(chǎng)的服務(wù)年限,是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的合理路徑。

2．5 提高資源有效利用率

該鎢礦脈薄且分支多,采用空?qǐng)龇ㄗ鳛橹饕拈_采方法,但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),空?qǐng)龇m然礦塊生產(chǎn)能力較大、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及易于管理,但也存在著損失貧化率大、圍巖片幫等缺陷,致使礦石資源的損失極大,部分礦房出礦不及一半即無法繼續(xù)放礦,造成了永久性損失,采礦成本高的同時(shí)快速消耗儲(chǔ)量,導(dǎo)致礦山設(shè)計(jì)服務(wù)期限后段可能面臨無礦可采的局面。通過對(duì)井下進(jìn)行整體布局優(yōu)化后的充填采礦法的整體生產(chǎn)能力同樣可以達(dá)到礦山現(xiàn)在的規(guī)模,該鎢礦可以盡快建設(shè)全尾砂充填系統(tǒng)并在井下逐步實(shí)施充填采礦法,然后才能減緩礦石儲(chǔ)量的消耗速度,延長(zhǎng)礦山的服務(wù)年限。

3 全尾砂濾餅充填技術(shù)可行性研究

為使該鎢礦順利實(shí)現(xiàn)充填采礦法,必須保證能達(dá)到:

(1)充填系統(tǒng)建設(shè)投資省,在企業(yè)可承受范圍內(nèi);

(2)建設(shè)周期短,配合井下采場(chǎng)的準(zhǔn)備工作盡快投入使用;

(3)充填質(zhì)量高,保證礦石的出礦品位和回收率,使多回收的金屬量能抵消甚至超過充填系統(tǒng)的投資與運(yùn)行成本。

基于以上幾點(diǎn)考慮,該鎢礦考慮采用全尾砂濾餅充填系統(tǒng),通過研究與設(shè)計(jì),采用先進(jìn)的設(shè)備和成熟的工藝,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下,盡可能利用現(xiàn)有設(shè)施,降低充填系統(tǒng)投資,縮短建設(shè)周期,使充填系統(tǒng)盡快投入使用,為井下實(shí)現(xiàn)充填采礦打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),該全尾砂濾餅充填系統(tǒng)工藝流程見圖1。

3．1 全尾砂預(yù)處理

全尾砂是經(jīng)球磨、選礦后多余的全粒級(jí)尾礦廢渣,多以低濃度漿體形式排出,將全尾砂作為充填集料是當(dāng)前科研的主流,而如何獲得高濃度的全尾砂漿是關(guān)鍵所在,常用的尾砂濃縮設(shè)施有靠尾砂自重沉降的立式砂倉(cāng)、臥式砂池及濃密機(jī);也有依靠能耗使水分快速脫去的過濾機(jī)、壓濾機(jī)等。該鎢礦前期建有尾礦壓濾車間和尾礦干堆場(chǎng),利用空壓機(jī)提供的高壓風(fēng)和板框式壓濾機(jī)使低濃度的尾砂漿脫水變成濾餅,并由轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶廊道送至尾礦干堆場(chǎng)。若改變尾砂的預(yù)處理工藝則會(huì)出現(xiàn)以下問題:一是尾砂處理流程復(fù)雜;二是因井下充填無法完全利用全部尾砂,部分尾砂仍需處理后進(jìn)入尾礦干堆場(chǎng)。若采用其他尾砂預(yù)處理設(shè)施,則總尾的輸送與分配問題將凸顯,現(xiàn)場(chǎng)的組織管理難度加大,容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)增多。根據(jù)該礦山實(shí)際情況,應(yīng)盡可能地利用現(xiàn)有尾砂的處理工藝,在壓濾車間皮帶廊下料口處取全尾砂濾餅,通過挖掘機(jī)上料、自卸式汽車轉(zhuǎn)運(yùn)、堆場(chǎng)臨時(shí)儲(chǔ)存等實(shí)現(xiàn)尾砂的供應(yīng)。

圖1 全尾砂濾餅充填系統(tǒng)工藝流程

3．2 集成化制漿工藝

全尾砂濾餅呈干硬性,與常規(guī)的尾砂漿性態(tài)不同,可以應(yīng)用固體物料的稱重方式和輸送模式,避免了管道輸送檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確性和耐用性差的問題。同時(shí)考慮到礦山的資金壓力和工期要求,選擇成品攪拌站這種集成化的設(shè)備進(jìn)行充填料漿的制備,其工藝流程為:存儲(chǔ)在中轉(zhuǎn)設(shè)施內(nèi)的全尾砂濾餅通過鏟車上料給計(jì)量秤的受料斗,受料斗計(jì)重后下料至皮帶,再通過轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶給攪拌主機(jī)供料,完成全尾砂的給料計(jì)量工作;外購(gòu)水泥經(jīng)水泥罐車運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng),壓氣存儲(chǔ)至水泥倉(cāng)內(nèi),制備工作開始后給料至水泥倉(cāng)秤斗,達(dá)到設(shè)定值后停止給料;同時(shí)添加適量的調(diào)濃水,關(guān)閉攪拌主機(jī)的進(jìn)料口,按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行攪拌,制備成高濃度的全尾砂充填料漿。

3．3 充填能力匹配及質(zhì)量保障措施

該鎢礦年產(chǎn)礦石33萬t,年工作時(shí)間330 t,尾砂產(chǎn)率95%,日產(chǎn)尾砂950 t,而通過充填物料試驗(yàn)可知,每形成1 m3充填體需消耗尾砂1．265 t,由式(1)可知,每天需充填的空區(qū)體積為359 m3,則消耗尾砂454．1 t/d,尾砂利用率可達(dá)47．8%,充填制備站的能力設(shè)計(jì)為60~80 m3/h,只需安排6 h的充填時(shí)間即可滿足要求。

式中,Qd為日平均充填料漿體積,m3/d;C為每年礦石生產(chǎn)能力,t/a;k1為沉縮比,取1．10;k2為流失系數(shù),取1．05;Z為采充比,m3/m3,取1;T為年工作天數(shù),330 d;γ為礦石容重,t/m3。

但由于集成化的充填料漿成品制備站為間斷工作制度,制備好的料漿是按一定的間隔時(shí)間定量排出,所以無法和井下充填相匹配,如果直接間斷向充填鉆孔中供料,則極易發(fā)生堵管事故,風(fēng)險(xiǎn)極大。經(jīng)過研究,設(shè)計(jì)了一座充填料漿緩沖池,間斷地將制備好的料漿注入中轉(zhuǎn)池,并使料漿中轉(zhuǎn)池內(nèi)的料位始終保持在一定范圍之內(nèi),以匹配模塊化充填制備系統(tǒng)的間斷生產(chǎn)工序與連續(xù)的井下充填能力,中轉(zhuǎn)池中布置有少量的造漿噴嘴,在充填作業(yè)過程之中持續(xù)對(duì)充填料漿活化,保持其良好的和易性。同時(shí)為了提高充填質(zhì)量,充分發(fā)揮水泥的效用,料漿通過閥門控制、按設(shè)定流量值自流進(jìn)入高速活化攪拌機(jī),通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的攪拌軸使尾砂顆粒與水泥顆粒充分混合,然后進(jìn)入充填鉆孔和井下管網(wǎng),最終充填至采場(chǎng)。

3．4 充填料漿的輸送

該礦充填站選址標(biāo)高為＋335 m,打豎向充填鉆孔至＋200 m中段,并施工充填聯(lián)絡(luò)巷與已有巷道聯(lián)通,布置充填管道后形成井下充填管網(wǎng),其中充填鉆孔中的套管為雙金屬耐磨管,規(guī)格為Φ150 mm×20 mm(耐磨層10 mm),至各采場(chǎng)的為耐壓等級(jí)滿足要求的鋼編管,規(guī)格為Φ125 mm×8 mm,快速卡箍連接。選址場(chǎng)地位于巖石移動(dòng)帶外,選址符合規(guī)范要求。通過地表充填鉆孔及井下充填天井,充填站制備好的高濃度充填料漿自流輸送至采場(chǎng),各中段充填倍線如表1所示。

表1中＋200 m中段和＋150 m中段遠(yuǎn)端采場(chǎng)倍線較大,可以考慮適當(dāng)降低濃度輸送或采用廢石充填,下部各中段充填倍線可以保證料漿的自流輸送。

表1 該鎢礦各中段充填倍線

4 分析與結(jié)論

通過空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)充填法的必要性和全尾砂濾餅?zāi)z結(jié)充填技術(shù)的研究、設(shè)計(jì)建設(shè)適合江西某鎢礦的充填系統(tǒng),配合充填采礦法的應(yīng)用,能為企業(yè)取得以下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益:

(1)通過對(duì)全尾砂濾餅的性質(zhì)進(jìn)行分析,選擇合適的計(jì)量、輸送方式,精簡(jiǎn)作業(yè)流程,保證工藝穩(wěn)定;對(duì)攪拌站的間斷作業(yè)和充填料漿的管道連續(xù)輸送作業(yè)之間的匹配關(guān)系進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了合適的中轉(zhuǎn)設(shè)施,滿足了兩者各自的作業(yè)模式,同時(shí)在中轉(zhuǎn)池中布置有一定量的造漿噴嘴持續(xù)對(duì)料漿活化,之后利用高速活化攪拌機(jī)充分混合水泥顆粒和尾砂顆粒,制備出高質(zhì)量的充填料漿。

(2)提高礦石的回收率。該礦現(xiàn)有空?qǐng)龇跋鞅诔涮罘ǖ木C合損失率約為20%,采用高質(zhì)量全尾砂充填技術(shù)后,損失率可以降低至10%,按目前30萬t/a的礦石生產(chǎn)能力,每年可多回收礦石30000 t。

(3)降低礦石的貧化率。該礦目前的礦石貧化率為26%,選廠入選品位為0．3%,運(yùn)用高質(zhì)量的充填工藝和充填采礦法后,礦石的損失率可降至10%以內(nèi),則選廠入選品位提高至0．365%,按當(dāng)前的采選能力30萬t/a、選礦綜合回收率85%計(jì)算,年多回收的金屬量為165．75 t,按照現(xiàn)有市場(chǎng)價(jià),能為企業(yè)增加效益近2800萬元。

(4)空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)充填法符合國(guó)家政策,減緩資源消耗速度,有利于企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展,可以為類似小型有色金屬礦山實(shí)施充填采礦法提供借鑒,形成建設(shè)周期短、投資少的模塊化充填系統(tǒng)。