楊 澤，盧 萍，黃建君

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司礦山工程設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650231；2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033)

1 工程概況

紅泥坡銅礦為地下開(kāi)采，主要金屬為銅，主礦體①號(hào)礦體品位達(dá)1.67%以上，礦體賦存標(biāo)高在 1 400～1 820 m 間，厚度薄至厚大，多為緩傾斜礦體，南北長(zhǎng)約 1 990 m、東西寬約150～1 590 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及巖芯對(duì)比分析，認(rèn)為其礦巖實(shí)際性質(zhì)同拉拉銅礦落凼礦區(qū)相當(dāng)，屬中等穩(wěn)固至穩(wěn)固。另地表分布有村寨、基本農(nóng)田、尾礦庫(kù)等需保護(hù)的工民設(shè)施，均位于開(kāi)采移動(dòng)影響范圍之內(nèi)，屬于典型的“三下開(kāi)采”高品位礦體。

設(shè)計(jì)采礦方法均為充填采礦法，采空區(qū)全部充填。結(jié)合礦體產(chǎn)狀、價(jià)值、坑內(nèi)與地表設(shè)施關(guān)系，富厚礦體采礦方法主要為條帶上向水平分層充填法，采后回收盤(pán)區(qū)礦柱及中段礦柱；貧、薄礦體采用上向水平分層充填法，礦塊間留設(shè)永久間柱，不留中段礦柱。

開(kāi)采工藝及充填工藝：中段高度 100 m，分段高度 20 m，盤(pán)區(qū)沿走向長(zhǎng)度為 120 m，寬度為礦體對(duì)應(yīng)的水平寬度，盤(pán)區(qū)間柱寬度為 16 m，回采條帶垂直礦體走向布置，條帶寬度7～8 m，分層高度 4 m，長(zhǎng)度約30～80 m。盤(pán)區(qū)內(nèi)按條帶劃分為一步驟礦房和二步驟礦房的兩步驟間隔回采方式：一步驟為灰砂比1∶10高強(qiáng)度膠結(jié)充填方式，二步驟灰砂比1∶15添加少量水泥膠結(jié)充填方式。面層均用高灰砂比膠結(jié)充填[1]。中段內(nèi)各礦房自下而上分層回采。

2 充填體強(qiáng)度要求

根據(jù)紅泥坡銅礦礦巖力學(xué)特性及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究成果，綜合認(rèn)為，在滿足本采礦工藝及地表設(shè)施保護(hù)需求外，需要的充填體配比及強(qiáng)度應(yīng)滿足如下要求：

一步驟充填體：強(qiáng)度需滿足二步驟條帶的開(kāi)采安全，包括滿足自立、抗爆破沖擊、支撐頂板等，以及上分層回采時(shí)作業(yè)人員安全、設(shè)備運(yùn)行，因此選擇底層灰砂比1∶10，強(qiáng)度須滿足 14 d 為 0.6～1.0 MPa，28 d 為 1.0～1.5 MPa。

二步驟充填體：強(qiáng)度能滿足上分層回采作業(yè)時(shí)人員工作、設(shè)備運(yùn)行和支撐頂板圍巖、加快脫水的要求，選擇底層灰砂比1∶15，強(qiáng)度須滿足 14 d 為0.3～0.5 MPa，28 d 為0.5～1.0 MPa。

分層法各步驟面層充填體：強(qiáng)度滿足上分層時(shí)回采作業(yè)人員工作、設(shè)備運(yùn)行，厚度0.6 m，灰砂比1∶5，強(qiáng)度須滿足 14 d>1.5 MPa，28 d>2.0 MPa。

薄、貧礦體開(kāi)采區(qū)段：加快脫水，選擇底層灰砂比1∶20，強(qiáng)度須滿足 7 d 為0.1～0.3 MPa，14 d 為0.3～0.5 MPa；膠結(jié)面層厚度 0.6 m，灰砂比1∶4，強(qiáng)度需滿足 7 d >1.5 MPa，14 d >2.0 MPa。

3 充填材料

紅泥坡銅礦尾礦產(chǎn)率約90%～95%，產(chǎn)生尾礦較多，完全可滿足井下大規(guī)模充填材料的來(lái)源和要求，同時(shí)井下充填也可大幅度減少外排堆存的壓力和成本。

1)尾砂。根據(jù)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所《紅泥坡—板山頭銅礦充填試驗(yàn)研究報(bào)告》提供的擴(kuò)大試驗(yàn)中浮選尾礦的粒度篩析結(jié)果，紅泥坡尾礦中 -38 μm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.12%，-74 μm 至 + 45μm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.09%，+74 μm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.61%，尾砂加權(quán)平均粒徑為dcp= 62.9 μm，尾砂粒級(jí)分布曲線見(jiàn)圖1。其中 -20 μm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%，適合膏體充填，還可加入一定比例的粗顆粒骨料改善級(jí)配及充填質(zhì)量。

圖1 尾砂粒徑級(jí)配分布曲線圖Fig.1 Distribution curve chart of tailings particle size

2)級(jí)配碎石。為提高充填料漿濃度，保證充填體強(qiáng)度，改善非膠結(jié)充填體脫水性能，摻入一定比例的級(jí)配碎石。選取-10mm的級(jí)配碎石，選定在一步驟底層充填及所有面層充填中，摻入級(jí)配碎石占其充填干料質(zhì)量的20%。碎石由井下外排廢石及排土場(chǎng)供給，均通過(guò)卡車(chē)運(yùn)輸至充填制備站附近的廢石破碎車(chē)間進(jìn)行加工。

3)膠凝劑。膠結(jié)材料采用425#水泥，有條件時(shí)，可開(kāi)展水泥替代品的研究工作，如低溫陶瓷固化劑、工業(yè)爐渣研磨粉、礦粉水泥、粉煤灰等新型膠凝劑，以節(jié)約成本。

4 充填方式選擇

根據(jù)紅泥坡銅礦采礦工藝及實(shí)際倍線條件，本文對(duì)下述2種充填方式進(jìn)行對(duì)比研究(圖1)。

方案1全尾砂+級(jí)配碎石膏體自流+泵壓輸送充填，將選廠全尾砂經(jīng)廠前濃密機(jī)濃密后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約45%的全尾礦送至深錐濃密機(jī)濃縮，濃密后底流質(zhì)量濃度約70%，一步驟底層和所有充填面層均添加一定比例的-10mm級(jí)配碎石和膠凝材料，其他不添加碎石，經(jīng)高濃度雙級(jí)臥式攪拌機(jī)攪拌后，采用膏體充填泵加壓或自流送至井下充填采空區(qū)，一步驟底層充填灰砂比1∶10，面層部分灰砂比1∶5，充填料漿質(zhì)量濃度約76%～78%。二步驟充填和貧薄礦體開(kāi)采充填灰砂比1∶15，面層部分灰砂比1∶5，充填料漿質(zhì)量濃度約71%～72%。

方案2采用分級(jí)尾砂高濃度自流+泵加壓輸送的組合充填方式。相同充填要求下，其膠結(jié)充填水泥耗量高，非膠結(jié)充填采場(chǎng)脫水緩慢，充填效果差，不宜用于本類(lèi)采礦，因此，需要對(duì)全尾砂中細(xì)泥部分進(jìn)行篩分后，采用分級(jí)尾砂充填。此充填方式，將選廠全尾砂經(jīng)廠前濃密機(jī)濃密后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約45%的全尾礦恒壓送旋流器分級(jí)后送至立式砂倉(cāng)分級(jí)濃縮，濃縮后底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65%～70%，經(jīng)攪拌桶添加膠凝材料攪拌后，自流或泵送至井下充填采空區(qū)。一步驟底層充填灰砂比1∶8，面層部分灰砂比1∶4，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)約72%～74%。二步驟充填和貧薄礦體開(kāi)采充填灰砂比1∶15，面層部分灰砂比1∶4，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)約71%～74%。

對(duì)兩方案從技術(shù)上對(duì)比如下：

方案1全尾砂膏體(+級(jí)配碎石)自流+泵壓輸送組合充填，整個(gè)充填系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，操作要求嚴(yán)、控制精度高，投資高一些，但有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)充分利用粗細(xì)粒尾砂，剩余的全尾砂排入尾礦庫(kù)，不會(huì)增加堆壩困難。

2)料漿濃度高，充填體密實(shí)度高，沉縮率小(1%～2%)，接頂好，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，能有效控制地壓及沉陷，總體充填質(zhì)量好，可提高回采率，并有效保護(hù)地表設(shè)施。

3)高濃度或膏體初凝時(shí)間短，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，可以減少一、二步驟條帶交替及條帶自身充填養(yǎng)護(hù)的周轉(zhuǎn)時(shí)間，有利于提高盤(pán)區(qū)生產(chǎn)能力。

4)充填體要達(dá)到相同強(qiáng)度，高濃度或膏體充填耗用水泥量小，有利于降低成本。

5)深錐濃密機(jī)溢流水質(zhì)好，可直接回用，且井下充填膏體泌水較少，可大量減少井下充填泌水，同一般高濃度或常規(guī)濃度自流充填相比，井下每天可減少泌水約 700 m3，年減少約18.82萬(wàn)m3。

方案2分級(jí)尾砂高濃度自流+渣漿泵加壓輸送組合充填，整個(gè)充填系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，易操作，控制及操作要求一般，投資低一些，分級(jí)尾砂相對(duì)較粗，充填脫水效果好，同等濃度，其水泥較全尾砂消耗少;但與全尾砂膏體充填方案相比，存在以下幾方面的不足：

1)分級(jí)后較大部分粗尾砂用于充填，較細(xì)尾砂排入尾礦庫(kù)，不利于尾礦堆壩。

2)充填體密實(shí)度相對(duì)要差，沉縮率大，接頂效果一般，濃度對(duì)水泥離析現(xiàn)象影響較大，強(qiáng)度分層現(xiàn)象明顯，從而降低了充填質(zhì)量。

3)充填含水大，不利于條帶式采場(chǎng)脫水，采充循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)。

4)立式砂倉(cāng)溢流水需經(jīng)處理方可達(dá)到回水水質(zhì)。

5)相對(duì)會(huì)泌出較多充填水，增加排水費(fèi)用。

兩種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比如下：

方案1為全尾砂+碎石膏體充填，在針對(duì)該礦開(kāi)采條件情況下，具有技術(shù)上的優(yōu)越性，契合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，有利于提高礦石回采率，但基建投資相對(duì)高一些，采用柱塞泵送電費(fèi)及折舊、維修費(fèi)也相對(duì)高，而具備充填濃度高、充填輸送可靠、相同強(qiáng)度所需水泥消耗量較少及水處理費(fèi)用低等特點(diǎn)，詳細(xì)對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 兩種充填方案經(jīng)濟(jì)比較表Tab.1 Economic comparison table of two filling schemes

5 結(jié)論與建議

1)由上述經(jīng)濟(jì)比較可見(jiàn)，方案1相對(duì)投資多 1 890 萬(wàn)元，方案1運(yùn)營(yíng)成本添加碎石費(fèi)用高，但其輸送濃度高，水泥耗量低、無(wú)需水處理費(fèi)用，兩者年運(yùn)營(yíng)成本相差不多，方案1年運(yùn)營(yíng)費(fèi)較方案2少231萬(wàn)元，按 14 a 達(dá)產(chǎn)年總計(jì)節(jié)省約 3 233 萬(wàn)元。

2)通過(guò)以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比評(píng)價(jià)，最終確定方案1：全尾砂+級(jí)配碎石膏體自流+泵送充填工藝作為礦山充填系統(tǒng)方案，該方案原礦充填成本為24.78元/t。

3)另外，全尾砂+級(jí)配碎石膏體充填方案回采率高，經(jīng)計(jì)算如果回采率提高5%，將多產(chǎn)出金屬量2.17萬(wàn)t，可多獲得利潤(rùn)3.91億元。

4)建議在以后生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，持續(xù)積極開(kāi)展水泥膠凝劑替代品等方面的研究工作，如低溫陶瓷固化劑、工業(yè)爐渣研磨粉、礦粉水泥、粉煤灰等新型膠凝劑，以節(jié)約成本。