王 東,胡順發(fā)

(1.貴州開(kāi)磷有限責(zé)任公司,貴州 開(kāi)陽(yáng) 550302;2.中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 連云港 222004)

0 引言

由于礦山工程地質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)施工條件的差異,在開(kāi)采過(guò)程中所面臨的技術(shù)問(wèn)題也有所不同,對(duì)于具體的工程環(huán)境需要采用相應(yīng)的技術(shù)措施加以應(yīng)對(duì),才能為保障礦山安全生產(chǎn)提供有力保障。礦業(yè)與其他行業(yè)有所不同,作為具有自身顯著特點(diǎn)的礦產(chǎn)資源采掘業(yè),其產(chǎn)品為含有一定有用元素及礦物成分的礦石,在獲得礦產(chǎn)資源的過(guò)程中,需要采取爆破等方法掘取礦脈中的礦石,然后破碎為一定粒度的礦石,再通過(guò)輸送設(shè)備運(yùn)至指定流程,根據(jù)礦產(chǎn)資源的物化性能指標(biāo),經(jīng)過(guò)洗選等必要的礦物加工過(guò)程后成為企業(yè)所需的礦產(chǎn)品,用于滿足下游企業(yè)的原材料需求[1-3]。在金屬與非金屬等礦產(chǎn)資源開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)中,需要結(jié)合礦山實(shí)際與技術(shù)條件,經(jīng)過(guò)多種方案比選后確定最優(yōu)采礦方法。如對(duì)于西部戈壁荒漠區(qū)域的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā),研究人員聚焦于生態(tài)脆弱礦區(qū)采損地表現(xiàn)狀,分析了植被復(fù)綠措施的形成機(jī)制,在嚴(yán)重缺少地表徑流水源的礦區(qū)通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)化與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,研究成果對(duì)礦區(qū)生態(tài)保護(hù)起到了重要作用[4-5]。

針對(duì)采空區(qū)危害治理及綠色礦山建設(shè)方面,研究人員結(jié)合礦山實(shí)際情況,通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查與處理,形成的技術(shù)體系在礦山環(huán)保及地表維護(hù)方面成效顯著[6-8]。一般而言,采礦方法對(duì)于提高開(kāi)采效率至關(guān)重要,在礦體開(kāi)采過(guò)程中要嚴(yán)格兼顧生態(tài)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展要求,在開(kāi)采之初至礦產(chǎn)品形成的全流程均須恪守技術(shù)可靠原則。如對(duì)于一些急傾斜極薄礦體及小跨度等特殊礦體開(kāi)采,研究人員結(jié)合礦巖穩(wěn)定性情況,制定了相應(yīng)的地壓控制方案,對(duì)一些關(guān)鍵部位進(jìn)行充填處理,在實(shí)踐中總結(jié)出了適合礦巖條件的采礦方法[9-11]。在礦山固體廢棄物利用過(guò)程中,研究人員結(jié)合開(kāi)采條件與固體廢棄物物化性質(zhì),開(kāi)發(fā)了滿足采礦要求的充填材料[12-14]。在充填材料性質(zhì)分析方面,研究人員采用靜態(tài)抗離析及礦渣-粉煤灰基膠凝材料性能調(diào)控等途徑,深入分析了影響充填材料性能的內(nèi)在因素,在材料優(yōu)化及改性的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試分析,為企業(yè)生產(chǎn)提供了重要參考[15-17]。

采礦技術(shù)研究中需要結(jié)合礦山實(shí)際情況探索出能夠?qū)崿F(xiàn)降本增效的實(shí)施途徑,并在后期的生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)反饋和優(yōu)化。如在礦山采空區(qū)的安全無(wú)害化處理方面,研究人員通過(guò)開(kāi)展充填體強(qiáng)度試驗(yàn),開(kāi)發(fā)了經(jīng)濟(jì)可靠的充填膠凝材料,為降低采礦成本創(chuàng)造了技術(shù)條件[18-19]。甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“甕福磷礦”)所屬的某大型磷礦,由于礦巖條件的特殊性,需結(jié)合磷礦資源的物化性質(zhì)進(jìn)行采礦方法優(yōu)選,以獲得理想的開(kāi)采效果[20-22]。隨著礦石的不斷采出,甕福磷礦資源儲(chǔ)量不斷減少,為此考慮采用充填法進(jìn)行開(kāi)采,以提高礦石回收率和降低礦石貧化率[23]?；诘V體產(chǎn)狀及生產(chǎn)規(guī)模等,甕福磷礦大塘礦采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采,采空區(qū)采用磷礦全尾礦進(jìn)行充填,為保證開(kāi)采安全和降低生產(chǎn)成本,需開(kāi)展充填材料性能配比及充填技術(shù)研究,以為后期的資源開(kāi)采提供必要的技術(shù)支撐。

1 礦山概況

目前甕福磷礦選礦廠每年產(chǎn)生尾礦280.5萬(wàn)t,其中用于大塘礦與大信礦采空區(qū)充填的尾礦量為31萬(wàn)t/a,而剩余的249.5萬(wàn)t/a尾礦則通過(guò)長(zhǎng)距離管道輸送至尾礦庫(kù)儲(chǔ)存?，F(xiàn)階段甕福磷礦白巖尾礦庫(kù)的庫(kù)容約為1 646.89萬(wàn)m3,根據(jù)現(xiàn)在每年輸送至尾礦庫(kù)的尾礦量計(jì)算,白巖尾礦庫(kù)的有效服務(wù)年限僅剩約6.6年。

甕福磷礦各礦段礦石因品質(zhì)、品位等因素限制必須進(jìn)行選礦,因此必然會(huì)產(chǎn)生尾礦;經(jīng)計(jì)算,待甕福磷礦區(qū)全面開(kāi)采后,尾礦年產(chǎn)生量將達(dá)到332.5萬(wàn)t。根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)家礦產(chǎn)資源利用與環(huán)境保護(hù)政策,濕排尾礦庫(kù)已不再批準(zhǔn)建設(shè),甕福磷礦區(qū)產(chǎn)生的大量尾礦和白巖尾礦庫(kù)緊張的剩余庫(kù)容,將成為制約甕福磷礦可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,因此利用尾礦對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,是解決此難題的必然選擇和有效途徑。

2 充填模式選擇及應(yīng)用

2.1 充填模式選擇

經(jīng)計(jì)算,“全尾礦膠結(jié)充填”方式比“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式消耗的尾礦量多出近1倍,由此說(shuō)明采用全尾礦充填方式能夠大大延長(zhǎng)尾礦庫(kù)的使用年限。同時(shí)根據(jù)中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院有限公司前期針對(duì)甕福磷礦區(qū)各礦段的建設(shè)規(guī)劃,全尾礦充填是實(shí)現(xiàn)尾礦中長(zhǎng)期平衡的重要手段,全尾礦膠結(jié)充填勢(shì)在必行。

根據(jù)日常生產(chǎn)中統(tǒng)計(jì)的不同充填方式下尾礦消耗量數(shù)據(jù),計(jì)算出采用“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式、“全尾礦膠結(jié)充填”方式所對(duì)應(yīng)的尾礦庫(kù)服務(wù)年限。預(yù)測(cè)時(shí)間區(qū)間為2019-2026年,當(dāng)采用“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式時(shí),在2019年尾礦庫(kù)庫(kù)容為1 450萬(wàn)m3的條件下,尾礦庫(kù)服務(wù)年限為10.2年;當(dāng)采用“全尾礦膠結(jié)充填”方式時(shí),在2019年尾礦庫(kù)庫(kù)容為1 450萬(wàn)m3的條件下,尾礦庫(kù)服務(wù)年限為23.0年。由此可見(jiàn),采用“全尾礦膠結(jié)充填”方式可大幅增加尾礦消耗量,使排放至尾礦庫(kù)的尾礦量大幅減少,從而使尾礦庫(kù)的服務(wù)年限得到顯著延長(zhǎng)。由“廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式計(jì)算得到的尾礦消耗量見(jiàn)圖1,由“全尾礦膠結(jié)充填”方式計(jì)算得到的尾礦消耗量見(jiàn)圖2。

圖1 “廢石+尾礦膠結(jié)充填”方式的尾礦消耗量Fig.1 Tailings consumption of the "waste rock+tailings cemented filling" mode

圖2 “全尾礦膠結(jié)充填”方式的尾礦消耗量Fig.2 Tailings consumption of the "full tailings cementation filling" mode

2.2 充填模式應(yīng)用分析

根據(jù)礦山技術(shù)條件,大塘礦現(xiàn)階段采用的是“水泥+超微粉+尾礦漿+細(xì)砂”進(jìn)行充填,按尾礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、超微粉替代30%水泥、水泥與尾礦質(zhì)量比1∶6進(jìn)行計(jì)算,得到的充填成本見(jiàn)表1。

表1 “水泥+超微粉+尾礦漿+細(xì)砂”充填成本分析Table 1 Filling cost analysis of "cement+ultrafine powder+tail pulp+fine sand"

由表1可知,利用全水泥充填時(shí),水泥的成本在充填成本中占比較大。為了降低成本,可用其他低成本膠凝材料替代水泥進(jìn)行充填。當(dāng)利用超微粉替代30%水泥后,其充填成本下降了12.92元/m3。采用全尾礦充填后,由于尾礦漿相比細(xì)砂顆粒更細(xì),會(huì)降低充填體的強(qiáng)度,全尾礦充填強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求還需進(jìn)一步測(cè)試與驗(yàn)證。前期以超微粉替代部分水泥的試驗(yàn)所得配比并不適用于全尾礦充填,需對(duì)全尾礦充填中超微粉替代水泥的比例進(jìn)行試驗(yàn)研究,以在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)盡可能降低成本。

3 全尾礦充填技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 充填骨料的連續(xù)供給

在采空區(qū)充填過(guò)程中,充填骨料的連續(xù)供給是工藝流暢與否的重要標(biāo)志,當(dāng)充填骨料供應(yīng)充足時(shí),制備的充填料漿濃度會(huì)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定流態(tài)的充填料漿易于形成均質(zhì)的黏稠流體,從而為長(zhǎng)距離管道輸送滿管流的形成創(chuàng)造必要條件,保障充填料漿流量的持續(xù)穩(wěn)定。由于大塘礦選礦后的尾礦顆粒較細(xì),-20 μm的極細(xì)顆粒占比較大,采用常規(guī)的立式砂倉(cāng)或高效深錐濃密機(jī)脫水均難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的固液分離效果,也就難以實(shí)現(xiàn)高濃度連續(xù)充填作業(yè)。為此礦山采用壓濾機(jī)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)力脫水,在短時(shí)間內(nèi)將含固量?jī)H為25～35左右的低濃度尾礦漿濃縮,形成含水率在12%～15%(換算后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%～88%)的尾礦濾餅,將其堆存于充填儲(chǔ)料庫(kù)中,作為高濃度充填的骨料。

由于尾礦顆粒較細(xì)且經(jīng)壓濾后團(tuán)聚成為塑性較強(qiáng)的泥團(tuán),利用大塘礦現(xiàn)有的圓盤給料機(jī)進(jìn)行壓濾尾礦上料,在當(dāng)前的技術(shù)條件下存在較大難度。經(jīng)壓濾后的極細(xì)顆粒尾礦漿脫去了大部分水分,成為含水率在12%～15%的濾餅,其中-200目尾礦顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)70%,因其礦物成分的特殊性而使尾礦黏聚成塊,在充填骨料供給過(guò)程中易附著于設(shè)備表面,影響物料供應(yīng)的效率與連續(xù)性。

通過(guò)分析濾餅材料性能,結(jié)合尾礦倉(cāng)材質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸,對(duì)設(shè)備受料口尺寸進(jìn)行了縮減。將原有受料口錐底雙螺旋更換為CWG-10型皮帶輸送機(jī),使倉(cāng)內(nèi)尾礦對(duì)下部尾礦的壓力大幅減小。改造后的尾礦破拱裝置與皮帶機(jī)橫向切割的聯(lián)合作用,基本解決了連續(xù)供料的問(wèn)題。改造前的雙螺旋給料機(jī)見(jiàn)圖3,改造后的雙螺旋給料機(jī)見(jiàn)圖4。

圖3 改造前的雙螺旋給料機(jī)Fig.3 Double screw feeder before transformation

圖4 增加破拱裝置后的給料機(jī)Fig.4 Feeder after adding arch breaking device

3.2 充填材料性能測(cè)試與強(qiáng)度驗(yàn)證

在前期充填材料取樣及輸送性能研究的基礎(chǔ)上,全尾礦充填自流試驗(yàn)均取得了較好的效果,現(xiàn)階段向南自流輸送已經(jīng)可以到達(dá)南12#a采場(chǎng)。根據(jù)公式Q=πD2v/4,在自流管道直徑D為113 mm、最大自流量Q為140 m3/h的條件下,計(jì)算得出料漿平均流速v為3.88 m/s。由于大塘礦尾礦顆粒較細(xì),添加膠凝材料后易形成黏稠均一的混合漿體,由此制備的充填料漿呈似均質(zhì)流特性。當(dāng)濃度適當(dāng)降低后,料漿流量有所增大,管道輸送阻力減小,在較高流速下呈現(xiàn)紊流狀態(tài),此時(shí)計(jì)算得到的最大充填倍線N為9.6。

對(duì)于充填法采礦,往往需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的因素設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度和充填料漿濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的充填材料力學(xué)性能與流動(dòng)性能試驗(yàn),確定了管道輸送的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67%～69%;根據(jù)采礦方法所需的充填體強(qiáng)度,確定膠凝材料的配比和添加量,膠結(jié)充填材料的灰砂比為1∶9～1∶5。由于滿足礦山日常生產(chǎn)所需的充填量較大,同時(shí)考慮到降本增效要求,需選擇供應(yīng)充足且價(jià)格合理的膠凝材料。

結(jié)合大塘礦充填材料的性質(zhì)與材料成本,在實(shí)驗(yàn)室中將超微粉部分取代水泥,根據(jù)灰砂比1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9及滿足開(kāi)采要求的強(qiáng)度指標(biāo),超微粉部分替代水泥的范圍設(shè)定為10%～30%。在實(shí)驗(yàn)室配比滿足采空區(qū)充填材料強(qiáng)度的情況下,開(kāi)展充填材料原位鉆孔取樣并測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度。對(duì)原位鉆孔取樣的充填材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,對(duì)于灰砂比為1∶5的充填材料,添加取代水泥量30%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為0.918～1.878 MPa;對(duì)于灰砂比為1∶6的充填材料,添加取代水泥量20%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為1.36～1.55 MPa;對(duì)于灰砂比為1∶7的充填材料,添加取代水泥量20%的超微粉后,充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為0.70～1.62 MPa。對(duì)于灰砂比為1∶8～1∶9的充填材料,添加取代水泥量10%的超微粉后,其強(qiáng)度均能滿足采礦技術(shù)要求。工業(yè)試驗(yàn)的76#b采空區(qū)充填體鉆芯取樣過(guò)程見(jiàn)圖5,充填體巖芯力學(xué)性能測(cè)試見(jiàn)圖6。

圖5 76#b采空區(qū)充填體鉆芯取樣Fig.5 Core drilling sampling of mined-out area in stope 76#b

圖6 鉆芯取樣充填體性能測(cè)試Fig.6 Core sampling filler performance test

4 結(jié)語(yǔ)

由于大塘礦磷尾礦中的細(xì)顆粒含量高,在機(jī)械設(shè)備強(qiáng)力壓濾作用下團(tuán)聚成為具有較高黏性的塑性塊狀物料,該物料的分散性較差,通過(guò)增加破拱裝置將其分解打散,可以有效防止物料結(jié)塊,消除了其對(duì)上料產(chǎn)生的不利影響,實(shí)現(xiàn)了含水物料的連續(xù)上料。

為了向井下不同的采空區(qū)連續(xù)輸送充填料漿,在料漿坍落度測(cè)試的基礎(chǔ)上確定了合理的輸送料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67%～69%,對(duì)應(yīng)的充填料漿坍落度在25～28 cm,可以實(shí)現(xiàn)充填料漿的遠(yuǎn)距離管道自流輸送。

通過(guò)部分取代水泥,使用綜合成本更低的膠凝材料后,充填費(fèi)用降低了約15%(充填成本降低約8.5元/m3)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位取樣測(cè)試驗(yàn)證了充填體強(qiáng)度能夠滿足采礦技術(shù)要求。以每年充填36萬(wàn)m3的采空區(qū)體積計(jì)算,全尾礦充填每年將多消耗10萬(wàn)t尾礦,因而使尾礦庫(kù)服務(wù)年限得到大幅延長(zhǎng)。