康家灣礦充填系統(tǒng)改造研究

馬 武

（湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司康家灣礦，湖南 水口山 421513）

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大型地下礦山根據(jù)礦石市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)格及地理環(huán)境條件原因，開采過(guò)程中選擇的采礦方法一般多分為兩種，一種是充填采礦法，一種是崩落采礦法，但崩落法會(huì)造成地表塌陷，對(duì)周邊環(huán)境有較大影響，充填采礦法是采用膠固材料與尾砂配比對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行充填，可以很好的平衡地壓避免對(duì)周邊環(huán)境的破壞，但缺點(diǎn)是成本要高于崩落采礦法。國(guó)內(nèi)大型有色金屬礦山普遍采用的是充填采礦方法。

作為礦山開采中廣泛應(yīng)用的充填法采礦技術(shù)之一，高濃度充填具有極為突出的優(yōu)勢(shì)，但由于過(guò)去充填工藝不夠完善、造漿方式存在瑕疵等原因，導(dǎo)致康家灣礦的尾砂底流濃度較低，且濃度波動(dòng)較大，充填體強(qiáng)度不高，充填能力不足以滿足礦山發(fā)展的需要。借鑒其他礦山先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合康家灣礦實(shí)際情況，圍繞下面兩個(gè)方面進(jìn)行升級(jí)改造研究：①尋求新型膠固粉膠凝材料替代原有水泥以節(jié)約成本提升充填尾砂體強(qiáng)度。②圍繞風(fēng)水聯(lián)合造漿對(duì)穩(wěn)定底流濃度保持在較高水平的分析與探討。

1 工程概況

康家灣礦區(qū)位于衡陽(yáng)市南40公里，常寧市北東35公里處，屬湖南省常寧市松柏鎮(zhèn)管轄。

康家灣礦床為1975年發(fā)現(xiàn)的鉛鋅金銀盲礦床，隱伏于白堊系—侏羅系之下的二疊系地層中。礦體定位于康家灣隱伏倒轉(zhuǎn)背斜與F22逆沖推覆斷層相切割的二疊系當(dāng)沖組硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r與棲霞組碳酸鹽巖相接觸的層間硅化破碎角礫巖中。全區(qū)共有礦體58個(gè)，其中主礦體（群）7個(gè)，現(xiàn)保有地質(zhì)儲(chǔ)量1000余萬(wàn)噸。目前，年井下產(chǎn)出鉛鋅原礦50～55萬(wàn)噸，選礦處理量50～55萬(wàn)噸，鉛鋅金屬含量2.8～3.5萬(wàn)噸，生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)居全國(guó)同類礦山前五位?？导覟呈且粋€(gè)大型有色金屬礦山，現(xiàn)有在職職工近500人，擁有專業(yè)技術(shù)人員近100人，其中高級(jí)技術(shù)人員1人，主要產(chǎn)品為鉛、鋅、硫精礦。

康家灣礦永久充填系統(tǒng)的建設(shè)，從1992年破土動(dòng)工到1996年建成，歷時(shí)5年之久，完成總投資1027萬(wàn)元，系統(tǒng)設(shè)計(jì)充填能力10萬(wàn)立方米/年，充填料來(lái)自于水口山豹市嶺尾砂壩的自然分級(jí)尾砂。充填灰砂比為1:5、1:10.通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn);1:5充填體強(qiáng)度為4Mp～5Mp，1:10的充填體強(qiáng)度在0.8Mp～1Mp之間。1997年開始進(jìn)行全系統(tǒng)的試運(yùn)行和全尾砂的充填實(shí)驗(yàn)。目前可以進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填，系統(tǒng)改造前年充填能力可達(dá)14.4×104m3。

2 充填系統(tǒng)存在問(wèn)題及充填工藝改造

（1）根據(jù)康家灣礦升級(jí)改造項(xiàng)目要求，應(yīng)用鏟運(yùn)機(jī)出礦已然成為必要的措施。隨著鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)，充填體強(qiáng)度要求在1Mp～1.5MP及以上。同時(shí)為縮短生產(chǎn)周期，加快進(jìn)場(chǎng)速度，要求充填采場(chǎng)濾水后充填體凝固強(qiáng)度盡快滿足生產(chǎn)要求。而原有425#硅酸鹽水泥終凝時(shí)間長(zhǎng)且強(qiáng)度難以達(dá)到1.5MP。為適應(yīng)今后生產(chǎn)形勢(shì)需要，采用新型膠固粉替代原有水泥作為膠凝材料，并進(jìn)行科學(xué)對(duì)比分析，分別從充填體強(qiáng)度和生產(chǎn)成本兩方面進(jìn)行對(duì)比。

充填體強(qiáng)度：

凝固強(qiáng)度（備注：系列明細(xì)表如下）：

a、純膠固粉1:12。 b：純膠固粉1:15。

c：325#水泥：膠固粉=7:3； d：325#水泥：膠固粉=5:5。

e：325#水泥：膠固粉=3:7； f：425#水泥：膠固粉=7:3。

圖1 試塊抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

從8組試塊7d、14d、28d齡期對(duì)比可見(jiàn)：①同等試驗(yàn)條件下，425#水泥較325#水泥強(qiáng)度較強(qiáng)；②水泥混合膠固粉試塊中，膠固粉所占比重越大，強(qiáng)度越強(qiáng)。③同等試驗(yàn)條件下，純膠固粉比混合材料強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

從上表可看出，純膠固粉試塊(1：12、1:15)在14d齡期時(shí)強(qiáng)度分別為1MPa、0.8MPa。而水泥混合膠固粉試塊在14d齡期時(shí)強(qiáng)度均未超過(guò)0.8MPa。28d齡期的試塊中也僅有純膠固粉試塊達(dá)到1.5MPa及以上。

生產(chǎn)成本：①生產(chǎn)實(shí)際：2020年1月份充填量累計(jì)12000m3，膠固粉消耗859.99t，灰砂比為859.99t：（12000*1.6）=1:22，其中生產(chǎn)性采場(chǎng)均按照充填1:15、澆面1:12進(jìn)行配比，平均每立方米充填體消耗膠固粉為1*1.6/22≈0.073t，按照現(xiàn)行膠固粉市場(chǎng)價(jià)格630元/t計(jì)算，則單耗為0.073*630=45.99元/m3。

2019年1～10月份水泥作為膠凝材料時(shí)，充填量累計(jì)170090m3，水泥消耗量累計(jì)21644t，灰砂比為21644t：（170090*1.6）=1:12.5，平均每立方米充填體消耗水泥為1*1.6/12.5=0.128t,按現(xiàn)行水泥市場(chǎng)價(jià)格406元/t計(jì)算，則單耗為0.128*406=51.97元/m3。

成本相差51.97-45.99=5.98元/m3（可見(jiàn)柱狀圖）。按全年150000m3生產(chǎn)計(jì)劃，可節(jié)約成本89.7萬(wàn)元。

②理論分析：為滿足鏟運(yùn)機(jī)出礦，充填體凝固強(qiáng)度須達(dá)到1.2-1.5MPa以上（過(guò)去理論值為1MPa，但因康家灣礦濕度較高，設(shè)備對(duì)充填體強(qiáng)度要求隨之升高）。從試塊驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，1.2-1.5MPa強(qiáng)度的灰砂比分別為膠固粉1:15；水泥配比膠固粉（5:5）1:12。

以1m3尾砂計(jì)算，則水泥、膠固粉（5:5）用量單耗為1*1.6/12=0.133t，膠固粉用量單耗為1*1.6/15=0.1067t；按市場(chǎng)價(jià)格水泥406元/t，膠固粉630元/t計(jì)算可得。

水泥配比膠固粉（5:5）成本單耗為0.133/2*(406+630)=69.09元/m3，膠固粉成本單耗0.1067*630=67.2元/m3。

成本相差69.09-67.2=1.89元/m3（可見(jiàn)柱狀圖）。

圖2 成本單耗對(duì)比圖

綜上所述，對(duì)比水泥及混合配料，在滿足鏟運(yùn)機(jī)出礦所需充填強(qiáng)度1.2MPa的前提下，膠固粉凸顯了降低充填成本，提高充填體強(qiáng)度，提升安全環(huán)保水平的優(yōu)勢(shì)。

（2）隨著礦山的發(fā)展，康家灣礦的生產(chǎn)能力由原來(lái)的45萬(wàn)噸/年提升至55萬(wàn)噸/年，原有充填系統(tǒng)水力造漿技術(shù)只能達(dá)到40%～45%漿料濃度和充填14.4×104m3/年生產(chǎn)能力，無(wú)法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模井下采場(chǎng)空區(qū)充填能力需求，為適應(yīng)如今生產(chǎn)形勢(shì)需要，采用風(fēng)水聯(lián)合造漿替代原有水力造漿技術(shù)，并進(jìn)行科學(xué)對(duì)比分析。

原有的水力造漿技術(shù)存在下列問(wèn)題：全尾砂在立式砂倉(cāng)的沉降速度緩慢，絮凝劑用量較大。砂倉(cāng)底部雖然是采用多孔等阻力自動(dòng)卸料，但有效卸料率低，低于70%。由于現(xiàn)有立式砂倉(cāng)采用間歇式進(jìn)料，間歇式充填，底部造漿設(shè)施未能實(shí)現(xiàn)有序造漿高濃度砂漿板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。造漿采用高壓水，直接影響砂漿濃度，而且經(jīng)常造成穿孔與砂倉(cāng)上部清水層導(dǎo)通。充填濃度較低，一般在35%～40%之間，多年來(lái)充填跑漿漏漿時(shí)有發(fā)生，對(duì)井下作業(yè)環(huán)境造成較大影響。充填后采用清水洗管，洗管水常帶走采場(chǎng)內(nèi)膠凝材料，致使?jié)裁娉涮铙w強(qiáng)度降低，影響后續(xù)回采作業(yè)。

造內(nèi)容為：改變底部造漿方式，即在立式砂倉(cāng)外壁安裝一路φ89的無(wú)縫鋼，連接到砂倉(cāng)頂部，然后沿內(nèi)壁下延到砂倉(cāng)底部。底部高壓風(fēng)造漿管道采用φ50mm鋼管，在φ7m處形成造漿環(huán)，并每隔7m安裝彈力逆止緊箍噴嘴，共計(jì)20個(gè)（如圖所示）。分別對(duì)1#沙倉(cāng)、2#沙倉(cāng)進(jìn)行改造。同時(shí)還采用了充填后壓風(fēng)洗管取代清水洗管。

圖3 倉(cāng)底平面圖

改造后濃度可以穩(wěn)定在58%～63%，最高時(shí)可達(dá)70%。由此可見(jiàn)，高壓風(fēng)結(jié)合高壓水造漿可以穩(wěn)定底流濃度，且保證濃度在高水平。同時(shí)還解決砂倉(cāng)內(nèi)尾砂板結(jié)難題，實(shí)現(xiàn)全斷面自動(dòng)卸料，使卸料率大于70%，解決因洗管水常帶走采場(chǎng)內(nèi)膠凝材料，致使?jié)裁娉涮铙w強(qiáng)度降低問(wèn)題。在每天充填時(shí)間不變的情況下大大提高了井下充填尾砂體干量，實(shí)現(xiàn)充填20×104m3/年生產(chǎn)能力。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

礦山從2019年以來(lái)一直采用新型膠固粉膠凝材料和風(fēng)水聯(lián)動(dòng)造漿技術(shù)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，該方法安全可靠，工作效率較高，未發(fā)生較大的安全事故，近2年取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019、2020年兩年井下充填共計(jì)36.6萬(wàn)m3，直接節(jié)約材料成本143萬(wàn)元人民幣。同時(shí)經(jīng)過(guò)充填系統(tǒng)改造，延長(zhǎng)了現(xiàn)有充填系統(tǒng)服務(wù)年限，滿足礦山發(fā)展對(duì)井下充填能力提質(zhì)擴(kuò)能需求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

新型膠固粉膠凝材料和風(fēng)水聯(lián)動(dòng)造漿技術(shù)通過(guò)近2年來(lái)康家灣礦充填系統(tǒng)中的安全生產(chǎn)應(yīng)用，證明了這種技術(shù)更新方案有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以有效節(jié)約充填成本提高充填質(zhì)量從而解決礦山安全發(fā)展需求，掌握和靈活運(yùn)用這種技術(shù)方案對(duì)礦山井下高效安全充填有著重要作用和意義。