陳 陽(yáng)，李平定，王亞偉，孫 皞，羅 佳

全粒級(jí)破碎廢石膏體膠結(jié)充填工藝研究

陳 陽(yáng)1，李平定1，王亞偉1，孫 皞1，羅 佳2, 3

(1.山陽(yáng)秦鼎礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 商洛市 726403；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

由于全尾砂含有氰化物，從環(huán)保角度考慮采用開(kāi)采廢石作為充填主要材料，以此設(shè)計(jì)了山陽(yáng)秦鼎公司III號(hào)礦體充填系統(tǒng)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件開(kāi)展了全粒級(jí)破碎廢石膏體膠結(jié)充填工藝研究。該工藝主要先將井下廢石用錘式破碎機(jī)破碎至3個(gè)粒級(jí)，按配比對(duì)全粒級(jí)廢石與水泥進(jìn)行混合攪拌配制漿體，然后卸料到高濃度攪拌槽，再進(jìn)行更充分的攪拌后，由充填泵加壓泵送至指定采空區(qū)進(jìn)行充填，從而解決廢石排放問(wèn)題，降低了礦石的損失貧化，提高了礦山生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)生態(tài)環(huán)境和周邊地表建筑起到了保護(hù) 作用。

全粒級(jí)碎石；廢石充填；充填工藝

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保和資源的不斷重視，充填采礦方法在采礦領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。充填采礦法能將礦山產(chǎn)生的尾礦、廢石等固體廢物進(jìn)行再利用，充填至井下后既解決了采空區(qū)問(wèn)題，又可使礦山不建廢石場(chǎng)乃至尾礦庫(kù)，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[3-8]。

礦山常用全尾砂作為充填主要材料[9-12]，但在尾砂不能充填時(shí)，往往會(huì)采用廢石作為充填主要材料[13-14]。而全粒級(jí)破碎廢石膏體膠結(jié)充填既能做到廢石的“零排放”，降低充填成本，又能顯著提高礦山生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

1 充填系統(tǒng)方案選擇

山陽(yáng)秦鼎公司Ⅱ號(hào)礦體傾角一般為43°～76°，平均65°，傾角變化大，以急傾斜為主。礦體厚度一般為0.61～27.92 m，平均6.83 m，厚度不太穩(wěn)定，變化大；其中102線(xiàn)、114線(xiàn)厚度較大，其它地段厚度較薄，且分支較多。

礦體金品位一般分布在0.94～14.12 g/t之間，平均金品位為4.2 g/t，品位變化系數(shù)為148%，有用組分分布較均勻。礦體及上、下盤(pán)圍巖穩(wěn)固性較差，礦山擬在下一步生產(chǎn)中采用上向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，本文開(kāi)展了與其相配套的全粒級(jí)破碎廢石膏體膠結(jié)充填工藝研究。

1.1 充填材料性能試驗(yàn)

在礦山目前的選礦工藝條件下，尾砂含有氰化物，不能直接用于充填。綜合考慮附近惰性材料的供應(yīng)情況，礦山充填使用掘進(jìn)廢石是最為合理的選擇，具有成本低廉、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)井下掘進(jìn)廢石開(kāi)展系列試驗(yàn)研究，廢石充填材料各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)論分述如下：

（1）細(xì)集料：松散容重1.18 t/m3；比重2.65；孔隙率44.53%；自然安息角37°～40°。

（2）粗集料：松散容重1.43 t/m3；比重2.70；孔隙率52.96%；自然安息角32°～34°。

（3）粒級(jí)組成：?0.315 mm占17%。參考混凝土管道泵送要求，滿(mǎn)足?0.315 mm含量不小于15%的要求。

利用既定的廢石試樣開(kāi)展了PO 42.5普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料的充填料強(qiáng)度配比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果如表1所示，充填體28 d強(qiáng)度發(fā)展正常，不同灰砂比、濃度時(shí)，強(qiáng)度變化較大，滿(mǎn)足不同條件下充填采礦對(duì)充填體的強(qiáng)度要求。

1.2 充填方案選擇

廢石膠結(jié)充填可選的方案有兩種，基本工藝及優(yōu)缺點(diǎn)論述如下：

（1）廢石膠結(jié)充填。掘進(jìn)廢石通過(guò)電機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)運(yùn)輸至需要充填區(qū)域，卸載再通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸至充填進(jìn)路。水泥漿或水泥砂漿通過(guò)管道輸送至充填進(jìn)路，廢石和水泥漿通過(guò)直淋混合。該充填工藝系統(tǒng)投資相對(duì)較少，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，對(duì)工人技術(shù)水平要求低。缺點(diǎn)是充填系統(tǒng)受掘進(jìn)廢石的影響和制約；系統(tǒng)用人多，管理難度稍大；充填接頂困難，不能滿(mǎn)足采礦方法的要求。

（2）全粒級(jí)破碎廢石膠結(jié)充填。在地表充填站建立廢石破碎篩分系統(tǒng)，將廢石堆場(chǎng)堆存的掘進(jìn)廢石加工成合格的充填骨料，在地表制備充填料漿輸送至采場(chǎng)進(jìn)行充填。該工藝充填系統(tǒng)占地面積較小，基建投資小，建設(shè)速度快；流程簡(jiǎn)單有序；制備能耗低。缺點(diǎn)：充填系統(tǒng)受廢石量的影響，廢石不足時(shí)需要采用河砂充填，系統(tǒng)能力較小。

根據(jù)山陽(yáng)秦鼎公司Ⅱ號(hào)礦體上向進(jìn)路充填采礦法開(kāi)采技術(shù)條件和開(kāi)采現(xiàn)狀，以降低投資和成本，盡早投產(chǎn)、工藝簡(jiǎn)單、易操作為原則，通過(guò)綜合分析比較，山陽(yáng)秦鼎公司Ⅱ號(hào)礦體充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)推薦全粒級(jí)破碎廢石膠結(jié)充填，當(dāng)井下掘進(jìn)廢石量不夠充填時(shí)，外購(gòu)河砂補(bǔ)充充填骨料。

1.3 主要工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，井下掘進(jìn)廢石塊度較小，最大塊為200 mm左右（特大塊除外），需要對(duì)井下掘進(jìn)廢石進(jìn)行破碎，使廢石粒徑滿(mǎn)足管道輸送要求。

充填時(shí)采用ZL50裝載機(jī)往配料倉(cāng)上料，經(jīng)計(jì)量裝置計(jì)量后由提升斗提升至攪拌站骨料緩沖斗，再下放至攪拌機(jī)內(nèi)。

充填所需的水泥由水泥罐車(chē)運(yùn)至充填制備站，然后壓風(fēng)輸送至成品水泥倉(cāng)內(nèi)，水泥經(jīng)料倉(cāng)底部的螺旋給料機(jī)輸送至水泥計(jì)量秤，按充填強(qiáng)度的配比要求向雙軸攪拌機(jī)內(nèi)給料。在水泥倉(cāng)上部安裝除塵器，并為了解決放料過(guò)程中可能產(chǎn)生的料拱問(wèn)題，在倉(cāng)底部周?chē)惭b高壓風(fēng)噴嘴或倉(cāng)壁振動(dòng)器，漏斗下接螺旋給料機(jī)，變頻調(diào)速。

水從礦山高位水池內(nèi)直流至攪拌站，經(jīng)計(jì)量后加入攪拌機(jī)內(nèi)。卸料至高濃度攪拌槽再進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，通過(guò)充填泵加壓后輸送至指定區(qū)域進(jìn)行充填。其工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 充填工藝流程

2 充填系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)上向進(jìn)路充填采礦法和井下空區(qū)充填處理要求，充填灰砂比為1?6～1?20、砂漿重量濃度為83%～85%、料漿流量50 m3/h。

2.1 供料工程

充填料漿耗材為破碎廢石（河砂）、水泥和水。

平硐口廢石堆場(chǎng)的廢石經(jīng)棒條式給料機(jī)給料至錘式破碎機(jī)，破碎后再由雙層振動(dòng)篩進(jìn)行分級(jí)，得到?15~7 mm、?7 m和+15 mm 3個(gè)不同粒級(jí)產(chǎn)品。

根據(jù)礦山的采礦和充填能力匹配關(guān)系，散裝水泥倉(cāng)有效容積約77 m3，可儲(chǔ)存水泥約80 t，可以滿(mǎn)足充填系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行要求。脈沖袋式收塵器、料位計(jì)和人行檢查孔設(shè)置在水泥倉(cāng)頂。單管螺旋給料機(jī)和螺旋閘門(mén)設(shè)置在水泥倉(cāng)底部。充填過(guò)程中攪拌機(jī)內(nèi)所需的水泥由單管螺旋給料機(jī)提供。為了控制水泥給料量，單管螺旋給料機(jī)中電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)，水泥給料量可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)頻率控制螺旋轉(zhuǎn)速加以改變，以滿(mǎn)足不同灰砂比及生產(chǎn)能力的要求。

2.2 料漿制備工程

破碎廢石、水泥及適量調(diào)濃水經(jīng)各自的供料線(xiàn)進(jìn)入攪拌機(jī)。攪拌機(jī)選用兩段攪拌，第一段為JS2000雙軸攪拌機(jī)，為間斷式攪拌，第二段為Ф2000×2100高濃度攪拌槽，為連續(xù)攪拌。經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)連續(xù)攪拌的充填料漿可利用設(shè)備對(duì)物料的雙軸機(jī)械作用，提高水泥的活化性能并使其均勻分布，實(shí)現(xiàn)膠結(jié)充填料的活化攪拌，改善充填物料的流動(dòng)性。

最后攪拌得到的充填料漿先以自流形式進(jìn)入充填泵，再由充填泵加壓泵送至指定采空區(qū)進(jìn)行充填。下料斗設(shè)置了格篩和沖洗水閥，以便于沖洗管道并預(yù)防大塊進(jìn)入充填鉆孔。

2.3 充填料漿泵送系統(tǒng)

在保證輸送能力、輸送可靠性、料漿出口壓力的基礎(chǔ)上，主管道選型參考了國(guó)內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)選用Ф140 mm×8 mm耐磨錳鋼管，管道內(nèi)徑124 mm，工作流速為1.38 m/s。

各中段充填管道選用內(nèi)徑124 mm的混凝土泵管或鋼編復(fù)合管，耐壓1~2 MPa；采場(chǎng)充填（擋墻內(nèi)）使用普通PE管或PC管。

2.4 采場(chǎng)充填

為防止料漿外泄產(chǎn)生安全隱患和造成井下污染，充填前封堵下部所有通道。充填擋墻可采用尾砂裝袋外加絲杠橫撐充填擋墻或?yàn)V布鋼絲網(wǎng)鐵軌擋墻等多種形式的擋墻。

充填站內(nèi)制漿系統(tǒng)啟動(dòng)前先沖洗和濕潤(rùn)充填管道以確認(rèn)管道暢通，并等到充填采場(chǎng)回復(fù)信號(hào)后，再將合格充填料漿經(jīng)管網(wǎng)泵送至井下。采場(chǎng)充填預(yù)計(jì)將要結(jié)束時(shí)發(fā)出停止信號(hào)，充填站得到停止信號(hào)后，立即停止給灰和供砂，等到剩下的砂漿流完之后，用清水柱將充填管道內(nèi)剩余充填料漿泵送至采場(chǎng)。

充填時(shí)，兩條或多條進(jìn)路相結(jié)合同時(shí)充填，確保每次最小充填量不小于90 m3。礦山設(shè)立充填工區(qū)，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)充填管線(xiàn)鋪設(shè)、維修和采場(chǎng)的充填作業(yè)。并配備充填工區(qū)專(zhuān)用通訊電話(huà)，以便及時(shí)與地面充填站聯(lián)系處理各種問(wèn)題。

2.5 充填系統(tǒng)可靠性保障措施

為了保障充填系統(tǒng)可靠工作，除采用穩(wěn)定可靠的工藝和先進(jìn)的設(shè)備和儀表外，還考慮了以下可靠性保障措施：

（1）保持內(nèi)外部道路暢通，保障水泥供應(yīng) 正常；

（2）水泥倉(cāng)的倉(cāng)頂，在水泥進(jìn)入料倉(cāng)之前，設(shè)置一道隔篩，防止大塊和雜物進(jìn)入料倉(cāng)；

（3）控制破碎廢石的含水量，如有必要，可加大破碎成品料堆場(chǎng)，在天氣晴朗時(shí)增加破碎的班次和產(chǎn)量；

（4）設(shè)置可靠的控制系統(tǒng)以保障系統(tǒng)運(yùn)行 正常；

（5）加強(qiáng)充填工的培訓(xùn)工作，確保熟悉各工作流程，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障；

（6）充填系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)取樣檢測(cè)，驗(yàn)證并優(yōu)化分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度；

（7）加強(qiáng)對(duì)充填管路運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，做好防堵管爆管措施及事故處理操作預(yù)案。

3 結(jié) 語(yǔ)

在全尾砂無(wú)法充填時(shí)，以礦山自產(chǎn)廢石為充填骨料，利用全粒級(jí)的破碎廢石進(jìn)行井下充填，并研究開(kāi)發(fā)了配套的膏體膠結(jié)充填工藝，為礦山實(shí)現(xiàn)無(wú)廢開(kāi)采提供了有效支撐。既減少了地表廢石排放對(duì)土地的占用和對(duì)環(huán)境造成的污染，又提高了礦山開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)自然環(huán)境保護(hù)和礦山的可持續(xù)發(fā)展都有著重要的意義。

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(2019-05-05)

陳 陽(yáng)（1979─），男，陜西商洛人，工程師，主要從事采礦方法研究、采礦技術(shù)管理、礦山現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與安全管理，Email：182486066@qq.com。