全廢料泵送充填系統(tǒng)在金川礦山的應用

劉洲基，李金利

（金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100）

金川鎳礦是我國有色金屬坑采礦山年生產能力最大、機械化程度較高的下向膠結充填采礦法礦山。作為長期以棒磨砂為充填骨料的充填方式，一方面棒磨砂的釆砂資源和加工費用成為制約礦山發(fā)展的一個因素，另一方面隨著礦山生產能力提高，礦山掘進進度加快，掘進量與礦山廢石量也連年增大。其中，僅金川二礦區(qū)，850米中段開采工程及今后700米中段的開拓工程，每年井下提出的廢石達50多萬噸。

本著降低充填成本，提高充填質量，充分合理的使用工業(yè)廢料，保護礦山環(huán)境生態(tài)，實現無廢開采的需要，金川公司通過與相關科研院所聯合攻關，經十多年的努力，目前已成功的研發(fā)出了廢石-全尾砂膏體充填泵送工藝，廢石-細砂高濃度自流充填工藝、戈壁粗骨料高濃度自流充填、大流量高濃度自流充填系統(tǒng)等技術，并已全部在金川各礦山充填生產應用，在保證對下向采礦對充填體質量的前提下，極大降低了充填費用，保護了環(huán)境，促進了無廢礦山、綠色礦山的建設，已成為當今礦山充填的主要發(fā)展方向。其中，利用了井下廢石、廢水和全尾砂的全廢料泵送充填，具有較為特殊的意義。

1 全廢充填物料的物理性能及質量標準

1.1 破碎廢石集料及質量控制

井下廢石破碎采用兩段一閉路流程：廢石經GZD1300＊4900振動給料機均勻地供給PE750＊1060鄂破，一段破碎廢石（-176mm）由皮帶機輸運并經自動分料機直接送入PF1210型反擊破（2臺）進行細碎，碎料經皮帶輸送機送入SZZ1500＊4000振動篩進行篩分，篩上大塊物料（+16/20mm）再由皮帶機送入反擊破進行再次破碎，形成閉路。篩下物（-16/20mm）則送至廢石集料倉待充。

針對破碎廢石存在噴漿反彈料，鋼筋、導爆管等雜物多，質量不穩(wěn)定的問題，為了不過多增加相應的投入，主要以人工分揀，電磁鐵除鐵，噴霧降塵等措施來確保破碎廢石的質量及其生產應用。

廢石破碎集料對于充填料漿配合比設計的影響主要包括顆粒形狀、質構以及集料級配。通過對廢石性能、配合比實驗，及充填系統(tǒng)和管路的綜合考慮，已成功將工程廢石的破碎粒度為-16mm應用于廢石-全尾砂充填料漿的制備。

表1 -16mm廢石破碎集料（適用于與全尾砂混合）

1.2 全尾砂

金川集團股份有限公司全尾砂是一選廠與二選廠排放的尾砂混合物。全尾砂中不規(guī)則狀、片狀與塊狀居多，似圓形僅占一小部分，粒徑分布也不均勻，極細粒級絮狀物質粘附的粗粒表面。全尾砂平均粒度細,氧化鎂含量高，滲透系數小(15mm/h),將會使采場充填脫水困難，要滿足充填體強度R28≥5MPa，必須有很高的水泥添加量，這是不經濟的。因此，要應用全尾砂，必須要加入一定量的粗粒級骨料。

表2 全尾砂粒級組成

1.3 水泥

金川集團股份有限公司礦山充填所用的膠結材料為32.5級增強復合水泥，其水泥中的混合材主要為粉煤灰，其添加量達20%～40%。比重3.1t/m3，密度1.1t/m3,其細度（用比表面積表示）為3100～3300cm2/g，初凝時間＞45min,終凝時間＜10h。

表3 廢水化學成分檢測分析結果

1.4 井下廢水

礦山充填所使用的井下廢水，為井下廢水排出后，經多道攔壩自然流淌后沉淀，由水泵抽至充填水倉加以重復利用。

廢水的PH值、不溶物含量（Ca、Fe、Si等）、CL含量、折算可溶物（Al2O3、MgO）含量、折算堿（CaOH）含量等指標均不超過《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）規(guī)定的范圍。

2 廢石-全尾砂充填料漿制備

2.1 泵送系統(tǒng)

廢石-全尾砂泵送充填系統(tǒng)，其尾砂的添加方式有兩種，一是尾礦庫沉淀后的干尾砂拉運至充填站的充填砂倉與破碎廢石按工藝配比混合后添加。另一種是選廠尾砂經泵送至充填站的尾砂倉，充填時，將尾砂放砂濃度以不低于55%質量濃度至泵送系統(tǒng)的ATDⅢ-Ф700型雙螺旋攪拌輸送機與破碎廢石、水泥攪拌。井下廢水則由泵打到充填站備用水倉。其工藝流程如圖2。

圖2 廢石-全尾砂泵送充填工藝流程

2.2 料漿配合比參數

根據室內強度和流變試驗數據結果，料漿重量濃度范圍在77%～80%之間，水泥耗量為260kg/m3，廢石和尾砂配比為6.0：4.0是最優(yōu)配比，此種配比條件下料漿的可泵性滿足要求。

2.3 充填料漿坍落度

充填料漿坍落度，可較好的反應泵送充填料的可泵性能。全廢料泵送充填料漿測定的相應配合比條件下的料漿坍落度。

圖3 廢石—全尾砂料漿坍落度

由圖可見，工業(yè)試驗料漿的坍落度均較大（＞20cm），廢尾比6：4條件下的料漿坍落度均大于廢尾比5：5條件下的料漿坍落度，表明料漿的流動性很好，完全滿足進路式充填對流動性的要求。根據我國及ASTM制定的混凝土稠度等級與坍落度范圍、表明上述配合比條件下的高濃度充填料漿應屬高流態(tài)范疇。

3 進路膠結體強度測定結果與分析

充填進路的膠結體強度采用SJY800型貫入儀進行現場測定，膠結體強度現場測定選取廢石全尾砂比6：4和5：5各兩條進路。測點采用網絡式布置，進路長度方向采用5m～10m間距，高度方向采用0.5m間距，各測點附近隨機選取5個樣點。

繪制各進路各樣條點的平均強度與進路長度、高度的關系如圖4，5。

圖4 廢尾比5：5條件下進路內膠結強度分布

圖5 廢尾比6：4條件下進路內膠結強度分布

由圖可見，進路內膠結體的強度分布規(guī)律為：由充填管口到進路隔墻處強度總體呈降低趨勢，但降幅極小，這種強度的不均勻是由于進路內充填料漿的自流動造成的；沿進路高度方向強度總體呈下高上低趨勢，這是由于進路內充填料漿的離析造成的。實際充填過程中還會出現洗管水沒有排出進路，造成濃度降低的現象。且充填過程中也偶爾出現供料中斷等情況。料漿的配合比、濃度、水泥添加量、廢石—全尾砂混合料的均勻性等總是有波動的，因而造成料漿濃度降低和料漿的不均勻，引起膠結體強度變化。綜上，采用廢石—全尾砂高濃度充填工藝，充填進路的布置、下料點、擋墻、鋪筋要求等應與膏體充填方式相同。

4 充填管徑對廢石料漿流變性質的影響

從理論上分析，料漿的流變參數應與管徑無關，但試驗結果卻是不同管徑條件下漿體流變參數變化很大。從統(tǒng)計層面看，總體趨勢是管徑越大，漿體初始屈服應力越大，粘性系數越大。顯然單獨解釋這一現象是比較困難的，但若與“邊界層”聯系起來看則又是必然的。同一流量情況下，不同管徑內的料漿流速不同，管徑越小，流速越大。根據伯努里方程可知同一水平直管狀態(tài)時漿體流速越大，管道內漿體壓力越大，管輸阻力越大。

表4 廢石+全尾砂強度試驗結果（廢石：尾砂=5：5）

同一漿體在不同壓力狀態(tài)下的泌水效應是不同的，一般講壓力越大，泌水量越大。此外，料漿中存在粗骨料，管徑越小，粒狀物料的“管壁效應（邊界處的空隙率大于中心空隙率）”越明顯，導致管壁處的細粒漿體量增大?？梢?，在同一流量情況下，細管徑中料漿的泌水效應更明顯，導管壁處的細粒料多且濃度低，“潤滑層”效果更明顯，從而導致同一料漿同一流量條件下得出不同的流變參數。顯然這一試驗結果進一步解釋了“環(huán)管試驗獲得的流變參數小于由流變儀得出的流變參數”的現象。如同一料漿由流變儀得出的是假塑性體，而環(huán)管得到的卻是脹塑性體。原因是“邊界層內具有層流和紊流兩種流態(tài)”，層流時多為Bingham體，而紊流時多呈H-B體。

5 充填管路的管徑與料漿管輸流速

根據充填料漿管輸平衡方程，并結合環(huán)管試驗和工業(yè)試驗結果，通過理論分析，列出推薦的廢石充填料漿配合比、濃度條件下的對應流量時管路中料漿最大流速的與最小管徑如表5(其中)。

表5 廢石—全尾砂料漿濃度、沿程阻力與最大流速、最小管徑關系表

考慮到廢石—全尾砂高濃度充填的工藝特性，料漿需要泵壓輸送。顯然，從相似條件角度講，由液壓泵至充填鉆孔間存在一定長度的水平管道，該段水平管的設計與計算宜采用環(huán)管試驗沿程阻力結果；由充填鉆孔底部至采場充填管道的設計與計算宜采用工業(yè)試驗沿程阻力結果。

在充填生產中，工業(yè)應用中要采取措施避免出現料漿輸送的不滿管流；同時管徑取大可以降低管輸沿程阻力。由于廢石充填料漿中骨料粒級為-16/-20mm且具有連續(xù)性，應用中管徑應大于粒徑5～6倍。

6 結語

全廢料充填對于合理有效利用礦山產出的毛石、井下廢水和工業(yè)廢料尾礦砂，達到保護環(huán)境，促進節(jié)能減排，建設綠色礦山具有積極的意義，社會效益顯著。

隨著市場經濟的進一步發(fā)展，高充填成本越來越成為制約礦山經濟效益及發(fā)展的重要因素。當前，在膠結充填采礦中，充填費用一般占礦山總成本費用的20%左右，有的甚至于高達40%。廢石-全尾砂泵送充填工藝成本是礦山現用棒磨砂自流充填成本的66.25%，是尾砂-棒磨砂膏體充填成本的88%，成本優(yōu)勢明顯，經濟效益顯著。