丘卡盧-佩吉銅金礦臨時(shí)充填系統(tǒng)工藝及試驗(yàn)研究

王剛 ，張峰 ，康瑞海 ，陳繼倫 ，張念超

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 廈門(mén)市 364200；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；4.塞爾維亞紫金礦業(yè)有限公司， 塞爾維亞 波爾市)

0 引言

2010—2012年是礦業(yè)市場(chǎng)的一個(gè)高峰時(shí)期，我國(guó)采礦業(yè)對(duì)外直接投資發(fā)展較為迅速[1]。受當(dāng)?shù)卣址€(wěn)定性、當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政策、金屬價(jià)格波動(dòng)等多方面因素影響，國(guó)際市場(chǎng)礦業(yè)投資整體呈現(xiàn)較高的風(fēng)險(xiǎn)性[2]。對(duì)外投資的礦山相比國(guó)內(nèi)多數(shù)礦山而言，其儲(chǔ)量大、金屬品位高，因此礦山往往需要盡快進(jìn)行礦石開(kāi)采以便資金的回收。充填采礦法作為一種環(huán)境友好型的采礦方法，加上其能顯著提高礦石回采率，近些年來(lái)成為了礦山開(kāi)采中的最主要方法。充填采礦法的核心內(nèi)容之一在于充填系統(tǒng)的搭建，以便對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)回填，推進(jìn)下一個(gè)開(kāi)采循環(huán)[3-7]。對(duì)大中型礦山而言，傳統(tǒng)的充填站建設(shè)由于涉及到深錐濃密機(jī)、立式砂倉(cāng)等大型混凝土構(gòu)建筑物，其建設(shè)周期往往較長(zhǎng)，若再遇到突發(fā)事故，建設(shè)周期進(jìn)一步拉長(zhǎng)，則會(huì)對(duì)整個(gè)采礦建設(shè)規(guī)劃造成較大影響。此時(shí)，臨時(shí)性的充填應(yīng)對(duì)措施對(duì)國(guó)外投資新礦山的生產(chǎn)保障顯得尤為重要。

臨時(shí)性的充填應(yīng)對(duì)措施在國(guó)內(nèi)外的報(bào)道及應(yīng)用較少，鑒于此，針對(duì)丘卡盧-佩吉銅金礦實(shí)際情況，結(jié)合多年的充填設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[8-12]，研發(fā)了粗骨料臨時(shí)充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)投資少、應(yīng)用快、效果好，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過(guò)渡期間對(duì)井下充填的需求問(wèn)題。

1 項(xiàng)目背景

丘卡盧-佩吉銅金礦位于塞爾維亞?wèn)|部的 Bor市南部，隸屬于Bor市管轄。項(xiàng)目由紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司旗下全資子公司塞爾維亞紫金礦業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)建設(shè)。

丘卡盧-佩吉銅金礦設(shè)計(jì)開(kāi)采規(guī)模為 10000 t/d，330萬(wàn) t/a。礦山分為 3個(gè)采區(qū)（-30～-440 m），從上至下品位逐漸降低，礦山資源總量為3851萬(wàn)t，銅金屬為122.64萬(wàn)t，平均品位為3.18%，金金屬為 77324 kg，平均品位為 2.01 g/t。

一采區(qū)（-140 m以上）采用上向進(jìn)路充填采礦法，二采區(qū)（-140～-260 m）主要采用分段充填采礦法，三采區(qū)（-260 m以下）采用分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。設(shè)計(jì)充填方式為全尾砂膏體膠結(jié)充填。目前礦山正在做基建準(zhǔn)備工作，主皮帶道、主斜坡道、主進(jìn)風(fēng)井、主回風(fēng)井正在施工，在2020年底-80 m中段已初步形成出礦能力，可滿足投產(chǎn)要求。-80 m中段礦石品位高，礦體穩(wěn)固性差，經(jīng)論證需采用上向進(jìn)路充填采礦法，其進(jìn)路尺寸確定為5 m×5 m。由于該水平為首采分層，為了提高礦石回采率，其充填體強(qiáng)度需達(dá)到R3≥1.5 MPa，R7≥2.5 MPa，R28≥5.0 MPa。

但受多種因素影響，永久充填站的充填鉆孔施工未能按進(jìn)度計(jì)劃完成，從而使充填系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行的時(shí)間相對(duì)滯后。為使采礦作業(yè)按計(jì)劃進(jìn)行，有必要在永久充填站建成投入使用前建設(shè)一套臨時(shí)充填系統(tǒng)，對(duì)-80 m首采分層進(jìn)路進(jìn)行及時(shí)充填，使其充填能力滿足前期采礦能力要求，充填質(zhì)量滿足首采分層進(jìn)路充填體強(qiáng)度要求。

在臨時(shí)充填系統(tǒng)投入使用前需進(jìn)行充填材料實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，測(cè)定各物料的基本物化參數(shù)、充填料漿流變參數(shù)及輸送性能，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度配比試驗(yàn)，從而確定充填料漿制備輸送參數(shù)，給充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析提供依據(jù)。

2 臨時(shí)充填系統(tǒng)工藝研究

根據(jù)丘卡盧-佩吉銅金礦周邊情況的調(diào)研，綜合考慮基建投資、臨時(shí)充填系統(tǒng)使用期限、首采分層充填體強(qiáng)度要求等問(wèn)題，決定以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，可用的充填骨料有A、B、C 3種粗骨料及JM尾砂，膠凝材料選用當(dāng)?shù)氐墓杷猁}425水泥，地表路線部分充填料漿由水泥攪拌運(yùn)輸車裝載輸送，最后通過(guò)鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至-80 m首采分層采空區(qū)充填。充填工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 充填工藝流程

根據(jù)充填所用原料性質(zhì)和組成，混凝土攪拌站不需要進(jìn)行改造，料漿制備時(shí)采用原有的操作方式，考慮下料斗處車輛間的倒運(yùn)時(shí)間，在實(shí)際充填過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短暫斷料的現(xiàn)象?；炷翑嚢枵九c臨時(shí)充填鉆孔下料斗存在一定距離，車輛輸送需要一定時(shí)間，為防止堵管現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)根據(jù)單輛混凝土攪拌運(yùn)輸車下料時(shí)間適當(dāng)增加運(yùn)輸車輛的數(shù)量，以滿足料漿的連續(xù)下放。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可對(duì)料漿下放速度做適當(dāng)調(diào)整，以提高其充填能力。

該充填系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)在于可以充分利用周邊混凝土攪拌站，無(wú)須建站，并可靈活選擇混凝土攪拌站的來(lái)源和數(shù)量，以提高充填制備能力，可以擺脫對(duì)單一攪拌站的依賴，通過(guò)多方供料，實(shí)現(xiàn)井下采場(chǎng)的充填需求，如圖2所示。

圖2 多方供料充填

3 臨時(shí)充填系統(tǒng)試驗(yàn)研究

根據(jù)上述充填工藝內(nèi)容，可知臨時(shí)充填系統(tǒng)順利運(yùn)行的關(guān)鍵在于充填配比的確定，該配比下的充填料漿需要同時(shí)滿足輸送安全性及對(duì)應(yīng)齡期下的強(qiáng)度要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，主要進(jìn)行了坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 坍落度試驗(yàn)

在丘卡盧-佩吉銅金礦臨時(shí)充填系統(tǒng)料漿制備過(guò)程中，采用的充填骨料為3種粗骨料和JM尾砂。為保證料漿在輸送過(guò)程中具備良好的流動(dòng)性及一定的抗離析能力，特此開(kāi)展了不同灰砂比下不同骨料比例組合的充填料漿坍落度試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 充填坍落度試驗(yàn)結(jié)果/cm

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）在充填骨料主要為A和B，灰砂比為1:6時(shí)，料漿坍落度隨濃度變化較快，且容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

（2）灰砂比為1:4，當(dāng)骨料全部為A時(shí)的坍落度曲線比骨料為A、B按比例添加情況下要緩和，即可選及控制的濃度范圍較大，為78%～82%。

（3）當(dāng)采用C和JM 礦全尾砂按比例添加作為充填骨料時(shí)，在1:6灰砂比下，料漿坍落度在濃度為80%～82%時(shí)的變化較平緩。

根據(jù)上述分析，可初步確定3種可行的充填配方，即：

（1）配比一，采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%～82%；

（2）配比二，采用C：JM全尾砂=7:3作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%～82%；

（3）配比三，采用C：JM全尾砂=6:4作為充填骨料，灰砂比為1:6，充填濃度為80%。

3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果，各配比下充填料漿的充填強(qiáng)度試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 臨時(shí)充填系統(tǒng)試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表2可得出以下結(jié)論：

（1）充填體強(qiáng)度隨著充填濃度上升而增大。當(dāng)充填濃度從82%上升至84%時(shí)，充填體強(qiáng)度增幅明顯，但根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果可知，各骨料配方下的料漿流動(dòng)性較差，為保障輸送的安全性，實(shí)際充填過(guò)程中不宜使?jié)舛冗_(dá)到84%。

（2）充填體強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)而明顯增大。在骨料配方為A時(shí)，以充填濃度82%為例，齡期從3 d上升到7 d時(shí)，充填體強(qiáng)度從3.53 MPa上升到6.44 MPa，強(qiáng)度增加幅度為82.4%；齡期從7 d上升到28 d時(shí)，充填體強(qiáng)度從6.44 MPa上升到9.6 MPa，強(qiáng)度增加幅度為49.1%。

對(duì)比充填濃度為82%的不同粗骨料添加比例方案的強(qiáng)度可知，在灰砂比為1:6條件下的充填體28 d強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的5 MPa，隨著粗骨料C與尾砂添加比例的變化（從6:4變化到7:3），其充填體強(qiáng)度有小幅度上升，28 d強(qiáng)度從2.95 MPa上升到 3.18 MPa，上升幅度為7.8%。由此可知，在相同灰砂比的情況下，隨著粗骨料C添加比例的上升，充填體強(qiáng)度變大但幅度較小，這種情況下仍需增大水泥添加量方能達(dá)到充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

而由第一組骨料全部為A的坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，在灰砂比為1:4情況下，充填體強(qiáng)度在濃度80%時(shí)已經(jīng)超過(guò)了5 MPa，且此時(shí)的坍落度值為29.1 cm，完全可以作為臨時(shí)充填系統(tǒng)的主配方使用。雖然在粗骨料C與尾砂以一定比例添加作為充填骨料的方案中，可以繼續(xù)通過(guò)調(diào)整灰砂比及粗骨料添加量來(lái)適配出合適的充填體強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，尾砂的添加增加了臨時(shí)充填系統(tǒng)工藝的復(fù)雜性，且含水尾砂在配料斗下放至稱重皮帶的過(guò)程中易造成結(jié)拱現(xiàn)象。因此，為保障臨時(shí)充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在充填要求工期緊、充填站預(yù)制漿系統(tǒng)即將投產(chǎn)使用等因素背景下，可不再消耗大量時(shí)間適配出尾砂添加方案。

通過(guò)上述試驗(yàn)及分析，得出了臨時(shí)充填系統(tǒng)的料漿制備配方，即采用A作為充填骨料，灰砂比為1:4，充填濃度為80%。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該臨時(shí)充填系統(tǒng)建設(shè)投資主要為臨時(shí)充填鉆孔施工及井下管網(wǎng)的鋪設(shè)，相比常規(guī)建站充填投資而言，成本降低了60%以上。當(dāng)井下管網(wǎng)鋪設(shè)完成、充填鉆孔及下料斗施工完畢后，即可開(kāi)始試充填作業(yè)。在調(diào)試完畢后，2021年5月4日至2021年5月10日的充填作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 臨時(shí)充填系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)能力在運(yùn)行初期即可達(dá)到60 m3/h。另外，可通過(guò)增加料漿供應(yīng)商數(shù)量及攪拌運(yùn)輸車數(shù)量來(lái)進(jìn)一步加快單車下料時(shí)間，協(xié)調(diào)各混凝土攪拌站供料時(shí)間來(lái)提高充填作業(yè)時(shí)間，以提高單日充填總方量，滿足井下充填需求。

由現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)作業(yè)方式靈活，可以較好地滿足過(guò)渡期間的充填采礦需求，保障采礦作業(yè)規(guī)劃，為國(guó)內(nèi)外礦山相似情況充填作業(yè)提供一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)丘卡盧-佩吉銅金礦實(shí)際情況，采用了以周邊的混凝土攪拌站作為料漿制備主體，粗骨料+水泥為充填材料，充填料漿由水泥攪拌運(yùn)輸車聯(lián)合鉆孔及井下管網(wǎng)輸送的方式，形成了一套靈活多變、效果好的臨時(shí)充填系統(tǒng)，解決了丘卡盧-佩吉銅金礦在永久充填站投入使用前的過(guò)渡期間對(duì)井下充填的需求。

（2）通過(guò)對(duì)丘卡盧-佩吉銅金礦周邊可用充填材料情況調(diào)研，結(jié)合臨時(shí)充填工藝情況，在現(xiàn)場(chǎng)坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，給出了臨時(shí)充填系統(tǒng)的料漿制備配方，即采用粗骨料A作為充填骨料，灰砂比為 1:4，充填濃度為 80%。此時(shí)的料漿坍落度值為 29.1 cm，充填體 28 d 強(qiáng)度為 7.48 MPa。在保障輸送安全性的前提下，滿足了充填體強(qiáng)度的要求。

（3）根據(jù)該套臨時(shí)充填系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況可知，該臨時(shí)充填系統(tǒng)建設(shè)投資主要為臨時(shí)充填鉆孔施工及井下管網(wǎng)的鋪設(shè)，相比常規(guī)建站充填投資而言，成本降低了60%以上，建設(shè)工期也大幅度縮短。該臨時(shí)充填系統(tǒng)能力在運(yùn)行初期即可達(dá)到 60 m3/h的充填能力，為國(guó)內(nèi)外礦山相似情況充填作業(yè)提供了一定的參考價(jià)值。