香爐山鎢礦充填料漿濃度對成本的影響

萬林海,江 科,劉冬春

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

鎢金屬是現代國防和高精尖技術不可或缺的材料，廣泛應用于鋼鐵、化工、合金等領域，近年來我國鎢的整體消費持續(xù)快速增長，生產量和消費量均居世界首位，隨著我國城鎮(zhèn)化建設和供給側結構轉型，對高精材料的需求與日俱增，能否合理開發(fā)利用鎢資源將直接影響國民經濟的健康發(fā)展[1-3]。我國早期鎢資源開采方式中空場法的比例較大，具有開采成本較低、簡單易實行等優(yōu)點，但其遺留空區(qū)經過長年的開采擾動及地應力變化的影響，已成為重大的危險源，同時大量礦柱無法回采，造成資源浪費，不利于企業(yè)乃至行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

安全是礦山發(fā)展的先決條件，在保證安全環(huán)保的前提下提高資源的有效利用率是企業(yè)追求的核心目標，鎢礦山采用充填采礦法是實現這一目標的有效手段，充填法能最大限度地回收金屬資源、保證井下采礦安全、有效減少固體廢物的排放。充填成本較高是企業(yè)推廣應用充填法的阻礙因素之一，如何合理地降低成本是充填工藝研究的重點，國內外針對充填成本的影響因素研究較多，主要是膠凝材料的研發(fā)及對灰砂比的優(yōu)化，減少充填中膠凝材料的用量以達到降低成本的目的，這些研究工作應用于具體礦山的充填作業(yè)中取得了巨大的經濟效益[6-9]。但上述研究中大多未考慮除灰砂比外的其他影響因素，如未考慮充填濃度的影響，均建立在高濃度充填的假設之上，與某些礦山的實際情況有所出入。本文結合香爐山鎢礦充填系統的優(yōu)化改造，探究料漿濃度對充填成本的影響，進行定量分析，使結果有別于定性分析的簡單描述而形成直觀的對比，并最終提出提高充填料漿濃度的工藝方案，可供類似礦山充填系統優(yōu)劣指標分析和優(yōu)化設計借鑒。

1 礦山概況

香爐山鎢礦開采技術條件好、礦石品位高，是國內為數不多的高價值白鎢礦山之一，前身為數個民采礦山企業(yè)，后經整合形成目前的采選規(guī)模，但早期民營企業(yè)空場法開采遺留有大量空區(qū)未處理，當前鎢資源的戰(zhàn)略地位已不允許空場法所導致的資源浪費，香爐山鎢礦2010年開展充填采礦法的研究及充填系統的建設工作[10-13]。2013年充填系統正式建成投產服務井下，充填系統工藝為三、四選廠總尾泵送至立式砂倉，立式砂倉通過沉砂、溢流濃縮儲存尾砂，散裝水泥由水泥罐車運至現場，氣卸進入水泥倉，井下準備充填后砂倉放砂、水泥計量給料至立式攪拌桶，攪拌桶制備后的料漿通過地表充填鉆孔和井下管網自流至空區(qū)完成充填，充填制備站配備有自動集成系統實現集中控制。該系統在后期生產運行過程中顯露出較多問題，致使充填工作難以順暢運行，主要為溢流固含量高，充填用尾砂利用率低；尾砂漿在砂倉內易起泡，泡沫發(fā)黏難消除；砂倉放砂濃度低且波動性大，制備的充填料漿質量較差等。針對充填系統的弊端，香爐山鎢礦與科研院所聯合展開了大量的攻關工作，研制開發(fā)了尾砂漿消泡沉降關鍵技術的藥劑制度，解決難處理尾砂的沉降難題，但充填濃度較低的問題仍有待解決。

2 全尾砂充填料漿性能研究

充填料漿濃度越高對充填體強度的形成越有利，但濃度過高會導致料漿流動性變差，在實際生產中無法應用；濃度過低則會導致輸送過程中的沉降離析及膠凝材料耗用大等弊端，所以特定礦山充填存在一個最佳的料漿濃度范圍值[14-16]。為探究料漿濃度對香爐山鎢礦充填成本的影響，首先需弄清適合香爐山鎢礦全尾砂充填的最佳料漿濃度范圍值。通過對香爐山鎢礦全尾砂漿流動性能進行試驗研究，得到其在不同濃度下的塌落度值和流變參數，結果如表1和圖1所示。塌落度值是評判料漿流動性的重要指標，同時可以通過塌落度試驗直觀地觀察料漿的粘聚性和保水性；屈服剪切應力τ0的物理意義為料漿在靜止狀態(tài)下抵抗變形的能力，由試驗結果可知全尾砂料漿屈服剪切應力τ0值隨著濃度的降低而逐漸降低，與料漿濃度具有直接的關系，τ0值過大，料漿管道輸送時靜摩擦阻力大，τ0值過小說明料漿抵抗離析沉降的能力較弱，增大料漿輸送過程中的堵管風險；粘性系數η指料漿在運動狀態(tài)下所產生的抵抗剪切變形的能力，其值大小與料漿濃度、顆粒級配、顆粒形狀等因素有關，在充填物料選定的情況下，其影響主要因素為料漿濃度，η值越大，料漿越難以輸送，如料漿濃度為75%時，η值達到15.01 Pa·S，由此而引起的阻力使得料漿無法在管道中自流輸送，而當料漿濃度降低時，粘性系數η也逐漸降低。由上述香爐山鎢礦料漿流動性能的測試結果可知，料漿最適宜的自流輸送充填濃度為69%～71%(見圖1、表1)，此時料漿和易性好、無離析沉降現象，流動阻力小，可順利實現正常充填倍線采場的充填作業(yè)。

表1 香爐山鎢礦全尾砂料漿流動性參數

圖1 全尾砂料漿流動性參數曲線

3 不同濃度料漿配比強度試驗研究

3.1 試驗目的及內容

香爐山鎢礦全尾砂最佳的充填濃度為69%～71%，但實際生產中由于立式砂倉易形成放砂漏斗等固有缺陷導致充填料漿濃度長期維持在65%左右、甚至更低，為了滿足井下采礦及空區(qū)處理對充填體強度的要求，生產中水泥添加量大，充填成本居高不下。通過對不同濃度料漿進行配比強度試驗，探究料漿濃度對充填體強度及膠凝材料消耗量的影響，試驗選取香爐山鎢礦全尾砂及選廠原漿水，膠凝材料為現場生產使用水泥，經計量后按特定的灰砂比和濃度進行配制，試驗濃度為71%,69%和65%，灰砂比為1∶4， 1∶6, 1∶8和1∶12，最終制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標準試塊，并進行相應的保濕保溫養(yǎng)護，養(yǎng)護至相應齡期時進行單軸抗壓試驗，同時對上述各組充填料漿進行泌水率測試，通過試驗數據計算各充填物料的消耗量。

3.2 試驗結果及分析

香爐山鎢礦全尾砂配比強度試驗結果見表2，各齡期不同配比條件下強度值對比曲線見圖2。

表2 配比試驗強度值

圖2各齡期不同配比條件下強度值對比曲線

由表2及圖2可以直觀地得出：充填體強度與齡期、水泥的添加量和料漿濃度成正比。65%濃度下充填體強度與69%或71%有較大差別，例如灰砂比1∶6、齡期為28 d時，65%，69%，71%濃度下的充填體強度值分別為1.417, 1.844 MPa和1.938 MPa，69%和71%充填體較65%濃度的強度值增長30.1%和36.8%，當水泥添加量更大、齡期更長時，濃度值高低對充填體強度的影響更大。表3為不同配比條件下通過泌水率試驗測試結果計算出的充填物料消耗量，可知其他條件不變的情況下，料漿濃度越高，水泥的消耗量越大，但增幅很小，出現這種現象的原因是高濃度料漿形成的充填體較密實，單位體積含有的尾砂和水泥越多，而在實際生產中，低濃度料漿由于離析嚴重，大量泌水的過程中帶走較多的水泥顆粒，致使水泥的消耗量反而多于高濃度料漿。

綜合表2、表3，當井下需要充填體28 d強度為1.5 MPa時，料漿濃度為71%和65%的全尾砂充填體的灰砂比分別為1∶7.83， 1∶5.55，水泥單耗為176.3 kg/m3、219.1 kg/m3，因而每形成1 m3充填實體，71%濃度料漿可比65%料漿少消耗水泥42.8 kg，按每年35萬m3空區(qū)需28 d強度值達到1.5 MPa計算，由濃度值的提高可節(jié)省水泥用量14980 t，可節(jié)省充填材料成本599.2萬元，此項是礦山節(jié)流提效的重要可實行途徑。

表3 各配比條件下形成1 m3充填體消耗的物料量

4 充填系統工藝優(yōu)化方案

為實現香爐山鎢礦高濃度料漿充填，應對充填系統工藝進行改造，并結合尾砂消泡沉降藥劑制度的應用，選擇新增高效深錐濃密機作為全尾砂的預處理設備，該優(yōu)化改造工藝如圖3所示，全尾砂經選廠泵送至深錐濃密機進料箱，在進料過程中完成消泡沉降藥劑的添加混合工作，深錐濃密機可加大尾砂的沉降面積，同時保證壓縮段的高度，為持續(xù)供給高濃度底流提高保證，濃密機底流可自流至現有立式攪拌桶或泵送至立式砂倉作緩沖調節(jié)、分配，再進入制備流程制備成高濃度充填料漿服務于井下。

圖3優(yōu)化改造后的工藝流程

5 結 論

(1) 香爐山鎢礦資源價值高，實行充填采礦法采礦能最大化地發(fā)揮資源效益，但充填系統應用過程中出現尾砂難沉降、充填濃度低、成本居高不下等問題。本文通過對全尾砂料漿流動性參數的試驗確定其最佳的充填濃度范圍為69%～71%；為探究充填濃度對成本的影響，進行了最佳濃度與現場運行濃度條件下不同灰砂比充填體的強度配比試驗，對比試驗結果分析濃度值高低對強度配比的影響，如灰砂比1∶6、齡期為28 d時，69%和71%濃度下充填體28 d強度值較65%濃度增長30.1%和36.8%。

(2) 經料漿泌水率試驗計算得到不同配比條件下充填物料的消耗量，根據井下充填要求，每年有35萬m3空區(qū)需28 d強度為1.5 MPa的充填體，計算達到此要求的71%和65%料漿中水泥單耗為176.3 kg/m3、219.1 kg/m3，因而可節(jié)省水泥42.8 kg/m3、合14980 t/a，香爐山鎢礦充填濃度的提高可為企業(yè)每年節(jié)省599.2萬元的充填運營成本。

(3) 以上研究確定香爐山鎢礦的優(yōu)化改造方向，通過添加高效深錐濃密機作為全尾砂預處理的裝置，可解決尾砂難沉降問題，同時保證充填供砂濃度，實現全尾砂的高濃度充填。

(4) 下一步可通過膠凝材料研發(fā)工作選擇更適合香爐山鎢礦全尾砂的新型膠結劑，進一步降低充填成本，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經濟效益。