廢石膠結(jié)充填工藝研究

郭文晶，徐輝

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 100160；2.西藏華鈺礦業(yè)股份有限公司， 西藏 拉薩 851400)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和國家對環(huán)保要求的逐步提高，充填采礦法因其能夠最大限度地回收礦產(chǎn)資源、保護(hù)地表環(huán)境和建（構(gòu)）筑物，已成為金屬礦山最主要的采礦方案之一[1-4]。充填體材料關(guān)系到 充填成本，在全尾砂不能滿足充填需求時，礦山常用廢石作為充填骨料來充填[5-7]。廢石作為充填材料，因料漿強(qiáng)度高，凝結(jié)時間短，能實(shí)現(xiàn)井下采、充快速轉(zhuǎn)換，滿足井下充填采礦要求而受到廣泛應(yīng)用[8-9]。

某礦由于選礦尾砂含氰化物，無法用作充填材料，一直外購鐵礦石尾砂充填，至使井下采空區(qū)逐年積累，地壓活動顯現(xiàn)，部分地區(qū)地表沉陷明顯，亟需對老采空區(qū)進(jìn)行充填處理，因此需要增加一套充填系統(tǒng)，充分利用礦山生產(chǎn)廢石處理井下采空區(qū)。

根據(jù)某礦充填存在的問題及提出的相關(guān)技術(shù)要求，以解決廢石破碎技術(shù)難題、提高充填體早期強(qiáng)度、滿足礦山充填系統(tǒng)輸送工藝、實(shí)現(xiàn)破碎廢石全粒級充填應(yīng)用、設(shè)計順暢穩(wěn)態(tài)的充填系統(tǒng)工藝流程為主要目標(biāo)，開展研究設(shè)計工作。

1 廢石破碎工藝方案

利用廢石作為充填材料實(shí)現(xiàn)磨砂充填自流輸送，必須對廢石原樣進(jìn)行破碎、篩分和粉磨等工藝處理。破碎站站址初步確定為現(xiàn)有充填篩沙站東側(cè)空地。布置破碎站設(shè)備設(shè)施后的空地用于建設(shè)充填骨料堆場，可存儲5～10 t的充填骨料，能滿足礦山充填采礦能力要求，且廢石破碎站與篩沙站地勢上存在高差，可為廢石破碎站的設(shè)備布置提供天然的地勢優(yōu)勢，節(jié)省能耗。

1.1 充填用碎石要求

充填是在地表將骨料和膠凝材料及水按一定比例制備成和易性良好的結(jié)構(gòu)流體，通過管道輸送至井下采場。破碎廢石充填骨料要求如下：

（1）骨料中含有一定比例的極細(xì)細(xì)顆粒，鑲嵌在粗骨料中，具有黏聚性，并在管道輸送中形成管壁潤滑層；

（2）骨料最大粒徑＜輸送管道內(nèi)徑的1/5； （3）成品骨料總含水率＜20%，以確保充填料漿制備濃度合理；

（4）在保證和易性條件下，成品骨料越粗，破碎及充填成本越低。

充填用全粒級廢石破碎雖可借鑒選礦礦石破碎和建筑行業(yè)機(jī)制砂制備理念，但其要求遠(yuǎn)不相同，具體表現(xiàn)在工藝過程、設(shè)備配置和成品管理上。

針對礦山開采技術(shù)條件，尤其是充填系統(tǒng)工藝和井下廢石含水、含泥情況，初步擬定干式破碎工藝和濕式破碎工藝兩種廢石破碎工藝方案。

1.2 干式破碎工藝

廢石由裝載機(jī)上料至料斗，經(jīng)底部給料機(jī)輸送至粗破破碎機(jī)，粗破后的廢石再經(jīng)中細(xì)破碎機(jī)破碎后制成充填骨料堆存待用。

該工藝適合于礦山廢石含水含泥量較小時使用，在中細(xì)碎時不堵塞破碎機(jī)，不會形成泥質(zhì)細(xì)骨料在破碎機(jī)中反復(fù)研磨的條件。為提高破碎效率并 避免物料反復(fù)研磨，在中細(xì)破前增加振動篩分，將粗破時制備的部分成品提前篩出。工藝流程如圖1所示。

圖1 干式破碎工藝流程

當(dāng)物料含水、含泥量波動，可采用提前備料、加大篩網(wǎng)參數(shù)、調(diào)整破碎機(jī)及參數(shù)、局部水洗等 措施。

1.3 濕式破碎工藝

廢石由裝載機(jī)上料至料斗，經(jīng)底部給料機(jī)輸送至粗破破碎機(jī)，粗破后的廢石經(jīng)皮帶進(jìn)入振動篩分機(jī)加水濕式篩分，篩下產(chǎn)物進(jìn)入高頻振動篩脫水，篩上產(chǎn)物經(jīng)閉路皮帶進(jìn)入圓錐破碎機(jī)進(jìn)行二段破碎，二段破碎產(chǎn)物進(jìn)入1#皮帶與一段破碎產(chǎn)物混合。高頻振動篩脫水后的骨料，輸送至骨料堆場儲存，溢流作為振動篩分機(jī)濕式篩分的洗砂水循環(huán)使用，待洗砂水循環(huán)至一定質(zhì)量濃度時，輸送至充填站攪拌系統(tǒng)當(dāng)調(diào)濃水使用。

該工藝適合于礦山廢石含水含泥量較大時采用，在中細(xì)破時嚴(yán)重堵塞破碎機(jī)，泥質(zhì)細(xì)骨料在破碎機(jī)中反復(fù)研磨，破碎效率太低，成本極高。工藝流程如圖2所示。

圖2 濕式破碎工藝流程

1.4 破碎工藝的論證

采用井下掘進(jìn)廢石作為充填骨料，P.C42.5水泥作為膠凝材料。

對廢石原樣采用篩分稱重法對其粒度進(jìn)行分析，測試結(jié)果見表1。

表1 偏黃色廢石原樣粒級分布

干式破碎工藝簡單，流程短，成本低，但對礦山廢石含泥含水有一定要求；濕式破碎對含泥含水適應(yīng)性強(qiáng)，將細(xì)顆粒泥漿用于調(diào)節(jié)充填料漿制備，確保料漿和易性，但工藝復(fù)雜，成本高。類比類似礦山充填用廢石破碎工藝，綜合考慮建設(shè)投資與破碎需求，選擇干式破碎工藝作為某礦的廢石破碎 方式。

2 充填材料試驗(yàn)

開展充填材料試驗(yàn)研究，充分掌握井下廢石的物理化學(xué)特性，為粒級配比的設(shè)計、充填料漿質(zhì)量濃度設(shè)計和充填配比設(shè)計提供理論依據(jù)，為廢石膠結(jié)充填工程設(shè)計提供支撐。

將原樣全部處理至粒徑3 mm以下時反復(fù)進(jìn)行了配料、攪拌和料漿塌落度測試，經(jīng)過分析，認(rèn)為料漿細(xì)粒級顆粒相對較少，料漿易沉降離析、和易性相對較差，不利于管道自流輸送。然后對試樣重新進(jìn)行篩分和棒磨，將原樣全部處理至粒徑2 mm以下，并對破碎后的廢石用1 mm和2 mm的塞子進(jìn)行篩分分級為＜1 mm和1～2 mm廢石試樣。

2.1 廢石試樣物理性質(zhì)

廢石試樣物理參數(shù)測定結(jié)果見表2～表3。

表2 細(xì)試樣（＜1 mm）物理參數(shù)

表3 粗試樣（1～2 mm）物理參數(shù)

2.2 充填料漿輸送性能分析

決定充填料漿結(jié)構(gòu)流輸送性能的兩個基本要素是充填料粒徑組成及料漿質(zhì)量濃度。為了確定充填材料配比參數(shù)，進(jìn)行了試樣的塌落度試驗(yàn)來確定料漿的流動特性。

試驗(yàn)測得的無水泥試樣料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，試樣配比為1:3、料漿質(zhì)量濃度為80%及以上時，料漿狀態(tài)較稠，不利于管道自流輸送；當(dāng)試樣料漿質(zhì)量濃度為78%以下時，塌落度均為27 cm以上，料漿流動性好，可實(shí)現(xiàn)管道自流輸送；當(dāng)濃度在72%及以下時，塌落度雖為28 cm以上，但料漿產(chǎn)生離析，容易堵管不利于管道的自流輸送；試樣配比為2:3時，料漿和易性相對較差，料漿容易離析，不利于管道的自流輸送；試樣配比為1:1時料漿極易離析且不能形成均質(zhì)體。試驗(yàn)過程中粗顆粒沉降較快，為保證料漿的均質(zhì)和易性，在料漿制備過程中不斷攪拌。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，認(rèn)為將廢石樣全部處理至粒度2 mm以下，且1～2 mm廢石粗試樣與1 mm以下廢石細(xì)試樣配比為1：3及以下時，可以達(dá)到礦山充填料漿的自流輸送要求。按照廢石粗試樣（1～2 mm）與廢石細(xì)試樣（＜1 mm）配比為1:3進(jìn)行深入試驗(yàn)研究。

表4 無水泥試驗(yàn)料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 充填料漿強(qiáng)度性能分析

利用既定的棒磨砂試樣開展了充填料強(qiáng)度配比試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果作出如下分析。

（1）從試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來看，在選定的充填材料組份條件下，實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度取決于灰砂比和充填料漿質(zhì)量濃度。充填料漿質(zhì)量濃度為80%和74%，灰砂比1:6時，3，7，28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.013，0.986，2.481，1.245，4.145，2.382 MPa；灰砂比為1:20時，3，7，28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.213，0.105，0.306，0.136，0.410，0.212 MPa。

（2）在相同條件下，灰砂比對充填試塊強(qiáng)度的影響比充填料漿質(zhì)量濃度大，如：灰砂比1:4、質(zhì)量濃度74%的試塊強(qiáng)度要比灰砂比1:8、質(zhì)量濃度80%的試塊強(qiáng)度大。

（3）充填料強(qiáng)度配比試驗(yàn)測試結(jié)果證明，水泥+棒磨砂充填料漿制備的充填體強(qiáng)度正常，能夠滿足礦山采礦方法對充填體提出的不同強(qiáng)度指標(biāo)和要求。

2.4 充填料漿凝結(jié)性能分析

廢石試樣充填料漿凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，使用325水泥灰砂比1:4～1:16，質(zhì)量濃度74%～80%的充填料漿，初凝最快為4.5 h、最慢為8.5 h，終凝最快為7 h、最慢為25.5 h；使用425水泥灰砂比1:6～1:20，質(zhì)量濃度74%～80%的充填料漿，初凝最快為5 h、最慢為8 h，終凝最快為7.5 h、最慢為26 h。隨著料漿質(zhì)量濃度的增大，凝結(jié)時間相應(yīng)減少；隨著水泥的增加，凝結(jié)時間相應(yīng)減少。

表5 試樣充填料漿凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

3 充填工藝

破碎后的廢石堆存至充填骨料堆場待用，在水泥倉上部安裝除塵器，倉底部周圍安裝高壓風(fēng)噴嘴破拱裝置，漏斗下接螺旋輸送機(jī)。

充填時，水從礦山高位水池直流至攪拌站水池，調(diào)濃水由潛水泵上至水稱，定量計量后經(jīng)增壓泵給入攪拌機(jī)內(nèi)。洗管和潤管時，水直接由礦山高位水池直接給入充填混凝土拖泵的泵斗內(nèi)。

破碎后的廢石、水泥和水在強(qiáng)力攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢韬螅?jīng)導(dǎo)流槽卸料至充填泵泵斗，由充填泵加壓后經(jīng)充填管道泵送至充填區(qū)域進(jìn)行充填。

充填開始時，先行沖洗充填管道，見充填采場回復(fù)信號后，充填站內(nèi)制漿系統(tǒng)再啟動，采場充填預(yù)計將要結(jié)束時發(fā)出停止信號，充填站得到停止信號后，立即停止給灰和供砂，所剩砂漿流完后相繼停車，用清水柱將管內(nèi)剩余料漿泵送至采場。

根據(jù)設(shè)計的充填工藝，開展充填系統(tǒng)建設(shè)工作，充填系統(tǒng)的各個部分建設(shè)完成經(jīng)過整體調(diào)試運(yùn)行后均可正常運(yùn)行。充填料漿進(jìn)入采場后不脫水、不離析，且在采場中能夠基本流平，整體性好。保障安全生產(chǎn)的同時實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

（1）類比同類型廢石破碎工藝，綜合考慮建設(shè)投資與破碎需求，選擇干式破碎工藝。

（2）通過開展充填材料試驗(yàn)，證明將廢石樣全部處理至粒度2 mm以下，且1～2 mm廢石粗試樣與1 mm以下廢石細(xì)試樣配比為1:3及以下時，可以達(dá)到礦山充填料漿的自流輸送要求，其強(qiáng)度和凝結(jié)時間也能夠滿足礦山采礦方法對充填體的不同要求。

（3）設(shè)計的廢石膠結(jié)充填，充填料漿進(jìn)入采場后不脫水、不離析，且在采場中能夠基本流平，整體性好，解決了尾砂含氰化物無法用于充填，充填站長期購買尾砂充填，運(yùn)輸成本高的難題。在保障安全生產(chǎn)的同時實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。