復(fù)雜地形條件下充填工藝研究及應(yīng)用

王 旭，李 闖,4，法 源，古亞洲

（1.低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 上杭 364204；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；3.紫金（長沙）工程技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410114；4.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

金屬礦山地下開采產(chǎn)生的采空區(qū)若不能及時(shí)處理極易引發(fā)坍塌、冒頂?shù)葐栴}。大量廢石和尾砂堆存于地表也易引發(fā)泥石流、滑坡及潰壩等災(zāi)害事故。因此，將礦床開發(fā)過程中產(chǎn)生的固體廢渣作為骨料充填采空區(qū)，同時(shí)解決了地表廢渣堆存隱患和井下空區(qū)隱患，可謂“一廢治兩害”[1]。在保障礦床開采整體安全及礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境的前提下，提高地下礦產(chǎn)資源有效利用率和礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

充填技術(shù)已有近百年的發(fā)展歷史，最初以就近處理井下固體廢棄物為目的，逐漸發(fā)展為一種改善采礦環(huán)境、提高采礦指標(biāo)的工藝技術(shù)。充填技術(shù)[2-3]發(fā)展的每個(gè)階段都有其特殊的時(shí)代特征和技術(shù)特點(diǎn)，如20世紀(jì)40年代以前的干式充填[4]，主要以處理廢棄物為目的；20世紀(jì)40—50年代的水砂充填[5]，主要以解決地表開采沉陷為目的；20世紀(jì)60—70年代的膠結(jié)充填，以低濃度尾砂充填[6]為主；20世紀(jì)80—90年代，以高濃度全尾砂充填[7-9]、膏體充填[10-11]為主。時(shí)至今日，充填工藝日趨成熟，充填采礦法因符合國家“綠水青山”發(fā)展理念而在全國大范圍推廣。

隨著礦業(yè)開采活動(dòng)的進(jìn)行，易開采的平原露天礦石及淺部礦石資源逐漸枯竭，資源開發(fā)逐步向開采難度更大的深部[12]礦脈和高海拔[13]山地礦脈轉(zhuǎn)變。在礦山充填技術(shù)應(yīng)用中，大落差山地條件下的地下礦山充填受限于工業(yè)場地條件，往往面臨物料輸送技術(shù)難度大、投資成本高等諸多問題。本文針對大落差山地條件下的充填行業(yè)瓶頸問題，從武里蒂卡金礦充填實(shí)際出發(fā)，首次提出壓濾尾砂纜車運(yùn)輸方案，研究采用壓濾尾砂纜車運(yùn)輸再造漿充填工藝，實(shí)現(xiàn)了大落差山地條件下充填物料高效運(yùn)輸、制備及低成本充填。該充填系統(tǒng)在武里蒂卡金礦的成功應(yīng)用，為大落差山地條件下礦山規(guī)模化充填提供了新的思路與工程借鑒。

1 充填技術(shù)條件

武里蒂卡金礦位于哥倫比亞西北部的安提奧基省麥德林市西北約91 km處。礦區(qū)地形以陡峭山谷為主，海拔600～2 200 m，高差達(dá)1 600 m。武里蒂卡金礦礦業(yè)權(quán)范圍內(nèi)主要賦存金銀，礦化帶由多條平行的礦脈組成，礦脈走向長1 470 m，礦脈傾角大于55°，傾向延深1 860 m，礦脈厚度多在0.8 m以下，屬于急傾斜極薄礦脈[14-17]。礦山探明Au金屬儲(chǔ)量為350 t、Ag金屬儲(chǔ)量為1 500 t，礦石品位為Au 9 g/t、Ag 30 g/t；礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件為簡單-中等。

礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模3 000 t/d，采用斜坡道+平硐聯(lián)合開拓。一期開采標(biāo)高+1 700～+1 200 m，選礦工業(yè)場地位于山谷，標(biāo)高+1 000 m。設(shè)計(jì)采用中深孔空場嗣后充填法[18-20]，充填作為礦山生產(chǎn)中的重要一環(huán)，充填規(guī)模和充填體質(zhì)量應(yīng)滿足采礦需求。

2 充填工藝方案確定

2.1 充填材料及試驗(yàn)結(jié)果

1）選用礦山選礦廠的浮選全尾砂作為充填集料，浮選尾砂產(chǎn)率95%，日產(chǎn)尾砂量2 850 t，尾砂產(chǎn)量可以滿足采空區(qū)充填需求。膠凝材料選用當(dāng)?shù)厣⒀b水泥。

2）基本理化性質(zhì)試驗(yàn)：浮選尾砂主要成分是硅酸鹽礦物，有效密度約2.79 t/m3；尾砂中-18 μm顆粒占比42.31%，-38 μm占比49.43%，總體顆粒較細(xì)。濃度66%的充填料漿基本不泌水，保水性好。尾砂浸出液中的有害成分含量小于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）浸出液有害成分濃度限值，滿足相關(guān)環(huán)保規(guī)范的要求。

3）流動(dòng)性試驗(yàn)：當(dāng)水泥-全尾砂料漿濃度在66%～70%時(shí)，坍落度數(shù)值在25～28 cm，料漿呈似膏體態(tài)，流平性好且無離析現(xiàn)象；流變參數(shù)測試結(jié)果顯示，濃度在66%～70%時(shí)，不同水泥含量的料漿屈服應(yīng)力區(qū)間為30～100 Pa，黏度區(qū)間為0.11～0.14 Pa·S，參考類似工程，料漿流變滿足泵送要求。故推薦充填濃度66%～70%。

4）強(qiáng)度配比試驗(yàn)：充填濃度66%～70%、水泥含量4%～8%時(shí)，28 d試塊強(qiáng)度為0.3～0.9 MPa，滿足采礦方法要求。

2.2 充填站選址

礦區(qū)山勢陡峭，采選工業(yè)場地受限，可供選擇的備選站址有2個(gè)，分別為備選站址1：主平硐硐口西南側(cè)+1 050 m標(biāo)高建站，此處因毗鄰選礦廠，水、電、路外部條件好，無需征地，尾砂輸送投資及成本低，缺點(diǎn)為充填料漿需向上輸送150～650 m不等，最大輸送泵壓超過10 MPa，充填料漿輸送技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，充填工業(yè)泵投資及運(yùn)營成本高等；備選站址2：回風(fēng)斜井井口北側(cè)+1 715 m標(biāo)高建站，此處因毗鄰回風(fēng)斜井，水、電、路外部條件較好，無需征地，同時(shí)因地勢高，充填料漿可以借助重力輸送，大幅降低輸送難度和輸送泵壓，節(jié)約充填料漿輸送成本，缺點(diǎn)為尾砂需首先由選礦廠向上輸送至充填站，需建設(shè)專門的尾砂輸送系統(tǒng)，投資較高。

綜合對比不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)備選站址的外部建設(shè)條件相當(dāng)，但備選站址1存在充填料漿輸送風(fēng)險(xiǎn)高的難題，若選擇此處建站難以保證充填系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)與礦山商議后決定選擇備選站址2建站，即回風(fēng)斜井井口北側(cè)+1 715 m標(biāo)高建站。

2.3 尾砂輸送工藝對比

充填站站址選定回風(fēng)斜井井口（+1 715 m），選礦廠至充填站高差超過700 m，水平距離1 400 m，如何高效地將選礦廠尾砂輸送至充填站成為充填工藝研究急需解決的關(guān)鍵難題。當(dāng)?shù)胤梢笪采氨仨毟膳?，因而尾砂濃密設(shè)施和尾砂壓濾設(shè)施已建設(shè)完成。針對上述條件，開展了多種輸送方式對比研究工作，由于篇幅問題，主要針對以下2種方案進(jìn)行詳細(xì)對比分析，具體分析如下所述。

1）方案1：高濃度尾砂漿泵壓輸送至充填站立式砂倉。在選礦廠設(shè)置高效深錐濃密機(jī)，高濃度尾砂泵送至充填站立式砂倉。干尾砂輸送量為60 t/h、1 440 t/d，濃密機(jī)濃縮后底流濃度不小于60%，則尾砂輸送流量60 m3/h，向上揚(yáng)送730 m，水平輸送1 400 m，管道內(nèi)徑110 mm，計(jì)算管道料漿輸送阻力14.88 MPa，采用充填工業(yè)泵兩段接替輸送，泵型號HGBZ70.12.150，泵流量70 m3/h，最大泵壓12 MPa，電機(jī)功率150×2 kW。配套尾砂輸送管選型為無縫鋼管Φ133×12（流速1.71 m/s），理論重量35.81 kg/m。充填工業(yè)泵兩用兩備。

2）方案2：壓濾尾砂纜車輸送至充填站。設(shè)置纜車系統(tǒng)輸送尾砂至充填站緩存斗，壓濾尾砂輸送量140 t/h（含水率12%），向上輸送730 m，水平輸送1 400 m。纜車系統(tǒng)運(yùn)行功率353 kW，可變繩速范圍0～6 m/s，鏟斗26個(gè)，間隔30 s。

從投資、運(yùn)營成本料漿制備濃度穩(wěn)定性等方面對2種方案進(jìn)行對比，見表1。

表1 尾砂輸送方案分析比較表Table 1 Analysis and comparison of tailing transportation schemes

由表1可知，2個(gè)方案各自具有明顯的投資優(yōu)勢和運(yùn)營成本優(yōu)勢，方案1的前期投資優(yōu)勢明顯；通過運(yùn)營成本分析，在4.5年時(shí)兩方案總費(fèi)用（投資+運(yùn)營成本）將相等，之后方案2經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢逐步增加，以礦山總服務(wù)期20 a計(jì)算，方案2總費(fèi)用約為方案1總費(fèi)用的71%，故在礦山運(yùn)營期間，方案2經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更優(yōu)；兩種供料方式對充填料漿制備濃度均有不同程度的影響，但濃度整體穩(wěn)定，滿足充填生產(chǎn)需求。

綜上所述，推薦方案2壓濾尾砂纜車輸送作為礦山充填系統(tǒng)尾砂輸送工藝。

2.4 充填工藝及參數(shù)

在尾砂處理方式、尾砂輸送方式以及充填站站址均已確定的前提下，最大限度地簡化工藝流程，節(jié)約充填站用地，創(chuàng)新性地提出了壓濾尾砂纜車運(yùn)輸再造漿充填工藝，工藝流程如圖1所示。該充填工藝具有尾砂輸送效率高、充填工藝流程短、充填站占地面積小、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 武里蒂卡金礦充填工藝流程圖Fig.1 Filling technology flow chart of Buriticá Gold Mine

確定設(shè)置1套充填系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)如下：充填流量80～100 m3/h，充填濃度66%～70%，水泥添加量4%～8%，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行最長時(shí)間24 h，一次最大充填量2 400 m3。

3 充填系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行

根據(jù)所采用的充填材料、充填工藝，結(jié)合武里蒂卡金礦礦體賦存條件及工業(yè)場地布置，在滿足充填料漿泵壓輸送要求條件下，在山體中上部設(shè)置1個(gè)充填站（圖2），充填站內(nèi)設(shè)置1套充填系統(tǒng)。充填系統(tǒng)各部分按照主要功能可分為五大功能部分：尾砂脫水處理系統(tǒng)、尾砂輸送系統(tǒng)、尾砂緩存給料系統(tǒng)、水泥給料系統(tǒng)、充填料漿制備和輸送系統(tǒng)。

圖2 武里蒂卡金礦充填站Fig.2 Filling station of Buriticá Gold Mine

3.1 尾砂脫水處理系統(tǒng)

尾砂脫水處理系統(tǒng)由高效濃密機(jī)+陶瓷過濾機(jī)組成，高效濃密機(jī)將尾砂漿濃度提升至50%，陶瓷過濾機(jī)則進(jìn)一步將尾砂含水率降低至12%左右，使尾砂呈松散濾餅狀。濃密機(jī)技術(shù)參數(shù)：直徑17 m，裝機(jī)功率45 kW，處理能力112.5 t/h，底流濃度50%，溢流水渾濁度低于300 ppm。配套變頻臥式離心泵2臺，一用一備，泵送能力160 m3/h，揚(yáng)程45 m，功率85 kW。陶瓷過濾機(jī)參數(shù)：3臺（兩用一備），單臺處理能力為64 t/h，過濾機(jī)型號BY-160 m2，電機(jī)功率12 kW/臺，壓濾尾砂實(shí)物如圖3所示。

圖3 經(jīng)陶瓷過濾機(jī)壓濾后的全尾砂Fig.3 Full tailing after being filtered by a ceramic filter

3.2 尾砂輸送系統(tǒng)

前端裝載機(jī)鏟運(yùn)松散壓濾尾砂至纜車裝料斗，料斗下部的皮帶定量供料至纜車吊桶，如圖4所示。利用纜車將尾礦濾餅從壓濾區(qū)（1 078 m）轉(zhuǎn)運(yùn)至充填站（1 724 m），直線距離約1.4 km，垂直高差730 m。纜車系統(tǒng)共有纜車斗20個(gè)，每斗空重1.2 t，斗容1.55 m3，最大載重1.5 t。

圖4 纜車運(yùn)輸壓濾尾砂Fig.4 Cable tram transportation of filter tailing

3.3 尾砂緩存給料系統(tǒng)

在纜車終點(diǎn)處，壓濾尾砂排放到進(jìn)料緩存斗，斗容10 m3。開始充填時(shí)，緩存斗將以一定速率供料至皮帶輸送機(jī)，如圖5所示。輸送機(jī)配備皮帶秤，以便計(jì)量壓濾尾砂重量。壓濾尾砂濃度由操作員定期烘干測試并輸入控制系統(tǒng)。

圖5 尾砂緩存給料系統(tǒng)Fig.5 Tailing buffer feeding system

3.4 水泥給料系統(tǒng)

當(dāng)以設(shè)計(jì)流量100 m3/h運(yùn)行時(shí)，消耗水泥7.3 t/h，日最大水泥消耗量為175 t/d。水泥倉設(shè)計(jì)存儲(chǔ)360 t，以滿足2 d的水泥用量需求。供水泥料時(shí)，打開旋轉(zhuǎn)閥，水泥經(jīng)過皮帶秤計(jì)量，由螺旋輸送機(jī)輸送進(jìn)入臥式連續(xù)攪拌機(jī)。旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速變頻調(diào)整以改變水泥給料量，水泥給料系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 水泥給料系統(tǒng)Fig.6 Cement feeding system

3.5 充填料漿制備與輸送系統(tǒng)

尾砂、水泥和水分別計(jì)量后按一定比例送入臥式雙軸連續(xù)攪拌機(jī)，制備成濃度合適的充填料漿，制備好的充填料漿從攪拌機(jī)側(cè)面排出并進(jìn)入充填工業(yè)泵，然后將充填料漿泵送至待充空區(qū)。

臥式攪拌機(jī)型號SIMEM MDC201 L，如圖7所示，設(shè)計(jì)攪拌能力160 m3/h，攪拌葉片轉(zhuǎn)速53 rpm，功率100 kW，電機(jī)等級IP54；充填工業(yè)泵型號KSP220H（HD）XL，如圖8所示。設(shè)計(jì)最大流量130 m3/h，泵最大液壓22 MPa，最大出口壓力10 MPa，電機(jī)2×330 kW。礦山主要共有2種充填管道，內(nèi)徑均為150 mm，主管道采用耐磨鋼管，耐壓等級不低于10 MPa，采場管道采用鋼編復(fù)合管，耐壓強(qiáng)度5.9 MPa。

圖7 臥式連續(xù)攪拌機(jī)Fig.7 Horizontal continuous mixer

圖8 充填工業(yè)泵Fig.8 Filling industrial pump

3.6 充填系統(tǒng)運(yùn)行

充填系統(tǒng)于2021年2月投入運(yùn)行，截至2023年2月底，共計(jì)完成129個(gè)礦房的充填，總計(jì)充填方量47萬m3，累計(jì)消耗水泥3.8萬t。

充填系統(tǒng)運(yùn)行期間，各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，控制系統(tǒng)精準(zhǔn)可靠。主要運(yùn)行參數(shù)為壓濾尾砂含水率11%～13%，充填流量60～90 m3/h，充填濃度64%～68%，最長連續(xù)充填時(shí)間30 h，綜合灰砂比1∶16，充填運(yùn)營成本18 元/t。充填料漿如圖9所示。

圖9 武里蒂卡金礦全尾砂充填料漿Fig.9 Full tailing filling slurry of Buriticá Gold Mine

4 結(jié) 論

大落差山地條件下，如何安全、高效、大規(guī)模地向上充填采空區(qū)是充填行業(yè)共同面臨的卡脖子問題。在此條件下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模充填存在諸多技術(shù)難題，如物料低濃度輸送效率低且能耗大、物料高濃度輸送技術(shù)難度大且風(fēng)險(xiǎn)高、充填工藝選擇受制于工業(yè)場地面積等。針對上述問題，本文結(jié)合礦山總圖布置特點(diǎn)、地形條件及采空區(qū)空間相對區(qū)域位置等因素，進(jìn)行尾砂輸送方案對比優(yōu)選，創(chuàng)新性地提出適應(yīng)大落差山地條件的壓濾尾砂纜車運(yùn)輸再造漿充填工藝方案，該充填方案在武里蒂卡金礦成功實(shí)施和運(yùn)行。項(xiàng)目成果總結(jié)分析如下所述。

1）礦山生產(chǎn)運(yùn)行單套充填系統(tǒng)即可滿足礦山3 000 t/d生產(chǎn)需求，充填料漿似膏體態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，配比參數(shù)精準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際參數(shù)為壓濾尾砂含水率11%～13%，充填流量60～90 m3/h，充填濃度64%～68%，最長連續(xù)充填時(shí)間30 h，綜合灰砂比1∶16，充填運(yùn)營成本18 元/t。

2）針對大落差山地條件下向上充填采空區(qū)存在物料輸送難度大、效率低、工業(yè)場地條件受限等難題，創(chuàng)新性地提出壓濾尾砂纜車運(yùn)輸方案，解決了類似礦山充填實(shí)踐中出現(xiàn)的尾砂輸送效率低、風(fēng)險(xiǎn)高、性價(jià)比差的關(guān)鍵難題，為后續(xù)充填工藝流程的簡化創(chuàng)造了條件，可為礦山充填尾砂輸送類似工況提供借鑒。

3）研究并應(yīng)用了壓濾尾砂纜車運(yùn)輸再造漿充填工藝，工藝流程為尾砂濃縮壓濾+纜車運(yùn)輸+皮帶給料+一段攪拌+泵壓輸送。該充填工藝具有流程短、占地少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在大落差山地條件下該充填工藝能夠?qū)崿F(xiàn)尾砂向上高效運(yùn)輸、充填料漿可靠制備輸送及低成本充填，具有較好的推廣意義。