全尾砂膏體充填技術(shù)試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)

1、第八屆國(guó)際充填采礦會(huì)議論 文全尾砂膏體充填技術(shù)及工藝流程的試驗(yàn)研究王 方 漢 姚 中 亮 曹維勤摘要：南京棲霞山鉛鋅銀礦地處風(fēng)景區(qū)，是典型三下礦山，應(yīng)用充填采礦已二十余年。為不斷提高充填質(zhì)量，先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)試驗(yàn)，研究分析了膏體充填技術(shù)特性與規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的全尾砂膏體充填工藝流程。新的膏體充填系統(tǒng)具有工藝簡(jiǎn)便、流程短、穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，適合于在全國(guó)中小型以上地下礦山中推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：全尾砂、膏體充填、試驗(yàn)研究、工藝流程1. 概況：南京棲霞山鉛鋅銀礦地處南京東北郊，北靠長(zhǎng)江，南鄰京滬鐵路及滬寧高速公路，西鄰南京新生圩外貿(mào)港口，沿江東側(cè)有龍?zhí)渡钏奂b箱碼頭，

2、礦區(qū)有棲霞山鐵路貨運(yùn)北站，交通十分便利。礦區(qū)處于旅游勝地棲霞山風(fēng)景區(qū)腳下，與佛教勝地棲霞寺及全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位舍利塔和千佛巖僅一街之隔。棲霞街居民密集，礦區(qū)有河流經(jīng)過(guò)，礦區(qū)附近有金陵石化煉油廠、棲霞山化肥廠及江南小野田水泥廠等大型企業(yè)，屬典型的“三下”礦山。南京棲霞山礦為華東地區(qū)最大的鉛鋅礦床，現(xiàn)在保有礦石儲(chǔ)量一千三百多萬(wàn)噸。礦山現(xiàn)有采選能力為35萬(wàn)噸/年，采用平硐盲豎井開(kāi)拓，上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填法采礦。由于處城市風(fēng)景區(qū)，對(duì)地表及環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格，礦山?jīng)]有尾礦庫(kù)，井下廢石不出窿用于空區(qū)充填，選礦尾砂全部輸送于井下采場(chǎng)進(jìn)行充填；選礦過(guò)程采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，廢水經(jīng)凈化處理后全部回用；礦山已通

3、過(guò)了ISO9000標(biāo)準(zhǔn)體系認(rèn)證，并且在全國(guó)礦山中率先通過(guò)了ISO14001環(huán)境體系認(rèn)證。因此，礦山已實(shí)現(xiàn)了“零排放”無(wú)廢開(kāi)采。2. 全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)及存在問(wèn)題2.1 現(xiàn)有全尾砂充填工藝流程礦山全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)始建于上世紀(jì)八十年代末，幾經(jīng)改造，現(xiàn)采用的充填工藝流程如圖一所示。選礦全尾砂經(jīng)300m3中轉(zhuǎn)儲(chǔ)砂池后由4PNJ襯膠泵輸送到兩個(gè)分別為800 m3和880m3容積的立式砂倉(cāng)中，起加速沉降作用的絮凝劑經(jīng)攪拌后也添加于立式砂倉(cāng)；然后全尾砂造漿放砂進(jìn)攪拌桶進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)攪拌，同時(shí)，水泥則由水泥倉(cāng)底部的雙管螺旋給料進(jìn)入立式攪拌桶。經(jīng)過(guò)兩級(jí)充分?jǐn)嚢韬蟮某涮盍蠞{采用高揚(yáng)程離心式渣漿泵加壓，通過(guò)90管

4、道輸送到井下采場(chǎng)。圖一 南京棲霞山礦全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)流程圖2.2 現(xiàn)有充填系統(tǒng)存在的問(wèn)題現(xiàn)有充填系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)需要，但存在的主要問(wèn)題是： 全尾砂粘結(jié)嚴(yán)重，立式砂倉(cāng)需定期清倉(cāng)。由于全尾砂粒徑細(xì)，在倉(cāng)內(nèi)易粘結(jié)；添加絮凝劑后，更為增加了粘度；有效放砂空間逐漸縮小，影響了正常放砂。目前每12個(gè)月進(jìn)行一次人工徹底清理。 充填料漿濃度低，影響充填體強(qiáng)度。現(xiàn)有充填料漿濃度為55%65%，摻加水泥后容易產(chǎn)生離析，影響了充填體的凝固時(shí)間和凝固強(qiáng)度。 系統(tǒng)運(yùn)行工況不穩(wěn)，增加了生產(chǎn)組織難度。由于全尾砂粘性大，采用高壓水造漿，使放砂流量和濃度始終不穩(wěn)定，由此帶來(lái)井下漫水多、跑砂多、充填料凝固時(shí)間拉長(zhǎng)，影響正常采充

5、循環(huán)等，使整個(gè)井下與地表充填生產(chǎn)組織協(xié)調(diào)難度加大。此外，礦山現(xiàn)有充填系統(tǒng)最早是按年采選10萬(wàn)噸礦石量設(shè)計(jì)的，后來(lái)經(jīng)改造擴(kuò)建到20萬(wàn)噸/年礦石量的充填能力，實(shí)際已挖潛運(yùn)行到年采選25萬(wàn)噸礦石量的充填能力。而目前礦山已完成35萬(wàn)噸/年采選能力擴(kuò)建改造，原有的系統(tǒng)也已不能滿足改擴(kuò)后的生產(chǎn)需要。為解決上述問(wèn)題，我們共同合作進(jìn)行了膏體充填技術(shù)與工藝流程的試驗(yàn)研究工作。3. 全尾砂膏體充填試驗(yàn)研究3.1 全尾砂實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與試驗(yàn)3.1.1 全尾砂充填料性質(zhì)通過(guò)測(cè)定和分析，礦山全尾砂的物理性質(zhì)、粒級(jí)組成及化學(xué)成份分別如表1、表2與表3。表1 全尾砂物理性質(zhì)材料名稱比重/（g/cm3）容重（g/cm3）孔隙率（

6、%）全尾砂3.131.6347.92表2 全尾砂粒度分布粒徑（m）-5-10-15-20-25-30-36-40-50-71-100-150-200-300-400-500分計(jì)（%）16.437.574.764.584.073.443.782.355.3110.0311.7211.275.215.072.601.81累計(jì)（%）16.3424.0028.7633.3437.4140.8544.6346.9852.2962.3274.0485.3190.5295.5998.19100表3 全尾砂化學(xué)成份分析結(jié)果材料名稱主要化學(xué)成份所占百分比（%）SiO2Al2O3MgOCaOFe2O3全尾砂26.

7、791.722.1520.1515.113.1.2 全尾砂沉降試驗(yàn)為了了解礦山全尾砂自然沉降特性，我們進(jìn)行了全尾砂自由沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得沉降濃度與沉降時(shí)間對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系如圖二。表4 全尾砂自由沉降試驗(yàn)結(jié)果沉降時(shí)間料漿容積（ml）清水量（ml）料漿濃度（%）料漿容重（g/cm3）13200501.51510分鐘118014053.761.57628分鐘90042063.291.75640分鐘84048065.791.8152分鐘82050066.671.8291小時(shí)14分80052067.571.851小時(shí)30分78054068.491.8722小時(shí)37分76056069.

8、441.8953小時(shí)18分75856269.541.8976小時(shí)33分75656469.641.8998小時(shí)56分75456669.741.90224小時(shí)75256869.931.904結(jié)果表明，全尾砂料漿最大自由沉降濃度為69.93%，其達(dá)到最大沉降濃度所需的時(shí)間為6小時(shí)左右，說(shuō)明南京棲霞山礦全尾砂沉降速度比較快。3.1.3 全尾砂試塊強(qiáng)度試驗(yàn)圖二 全尾砂料漿沉降曲線為了研究全尾砂不同濃度、不同灰砂比與不同齡期對(duì)強(qiáng)度的影響，我們進(jìn)行了多組試塊試驗(yàn)，結(jié)果如表5。表5 全尾砂試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 試塊編號(hào)灰砂比濃度（%）濕容重（g/cm3）試塊抗壓強(qiáng)度（Mpa）R3R7R280410-011:462

9、1.970.280.421.170410-02661.980.390.611.290719-01721.961.362.213.200719-02742.001.802.823.810719-03762.032.042.944.080417-101:6621.990.220.280.570417-11662.010.250.300.710719-04721.920.691.081.970719-05742.030.971.542.870719-06762.041.152.053.270410-041:8621.960.090.160.310410-05662.040.170.260.50071

10、9-07721.940.490.741.360719-08742.000.630.971.840719-09762.040.781.192.170410-071:12622.020.150.190410-08662.060.130. 210410-09702.060.160.290410-101:15622.040.140.200410-11662.050.120.130410-12702.080.150.16圖三 不同配比濃度抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線試驗(yàn)獲得同灰砂比全尾砂充填料在28天齡期條件下濃度強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖三，它表明：相同灰砂比時(shí)，試塊同齡期強(qiáng)度隨全尾砂濃度提高而提高，在灰砂比為1:4、1:

11、6與1:8時(shí)，當(dāng)濃度62%提高到74后，各齡期強(qiáng)度則提高到原來(lái)的35倍。說(shuō)明，全尾砂充填料濃度對(duì)于提高充填體的強(qiáng)度非常重要。從表5還可看出，灰砂比為1:8，濃度為74的試塊各齡期強(qiáng)度均高于灰砂比為1:4，濃度為66%的試塊同齡期強(qiáng)度，說(shuō)明同等強(qiáng)度要求下提高全尾砂充填料濃度可以大大降低充填水泥成本。3.1.4 全尾砂流變性能測(cè)試為了了解礦山全尾砂流變特性，我們還進(jìn)行了塌落度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6表6 全尾砂塌落度測(cè)試結(jié)果質(zhì)量濃度（%）807674727068塌落度（Cm）17.526.52828.5攤開(kāi)攤開(kāi)3.2全尾砂膏體充填（半）工業(yè)試驗(yàn)通過(guò)對(duì)全尾砂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們看到了全尾砂料

12、漿充填存在的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提高充填質(zhì)量的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)膏體條件下的充填。為了確定適合礦山實(shí)際的膏體充填技術(shù)工藝與流程，選取合理設(shè)計(jì)參數(shù)，我們又進(jìn)行了一系列工業(yè)試驗(yàn)。3.2.1 全尾砂陶瓷過(guò)濾機(jī)脫水試驗(yàn)考慮到全尾砂脫水配制膏體充填料的可能，我們進(jìn)行了陶瓷過(guò)濾機(jī)全尾砂脫水試驗(yàn)。試驗(yàn)采用南京銀興機(jī)械設(shè)備修造廠生產(chǎn)的陶瓷過(guò)濾機(jī)，其真空度為0.98MPa。試驗(yàn)獲得了全尾砂脫水水份及過(guò)濾機(jī)脫水能力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)得知，礦漿濃度對(duì)全尾砂脫水水份及陶瓷過(guò)濾機(jī)過(guò)濾能力影響很大。3.2.2 全尾砂膏體壓氣造漿試驗(yàn)為了研究選擇合理的全尾砂料漿的造漿與制備方式，我們?cè)群筮M(jìn)行了兩次壓氣造漿試驗(yàn)。一次是利用漏斗進(jìn)行壓氣造漿，

13、第二次是利用原臥式粗砂放砂池進(jìn)行壓氣造漿。漏斗壓氣造漿試驗(yàn)采用自制的總?cè)莘e1.33m3、上部敞口立方形、下部四邊錐形（錐角60°）的漏斗進(jìn)行全尾砂自然沉降脫水。自現(xiàn)充填站排尾管上取的全尾砂在料斗內(nèi)經(jīng)16小時(shí)沉降后，先排除上部積水，然后，開(kāi)啟最底部錐體內(nèi)的壓氣造漿噴咀，經(jīng)35分鐘造漿后即放砂。造漿后放出的全尾砂經(jīng)取樣測(cè)定其濃度為70.6673.77%，平均濃度為72.11%。臥式砂池全尾砂壓氣造漿工業(yè)試驗(yàn)中砂池容積400m3，池底部裝有15排75個(gè)造漿噴咀。來(lái)自選礦廠的低濃度全尾砂（濃度為2540%）經(jīng)泵送到放砂池，經(jīng)過(guò)近24小時(shí)自然沉降脫水后，先排除上部積水，然后進(jìn)行壓氣造漿，均勻造

14、漿后的全尾砂經(jīng)取樣后濃度結(jié)果如表7。表7 全尾砂砂池壓氣造漿濃度測(cè)定結(jié)果樣品號(hào)1234平均濃度（%）69.0171.6472.1472.1471.233.2.3 全尾砂膏體充填料環(huán)管泵送半工業(yè)試驗(yàn)為了研究全尾砂膏體泵送情況下管道輸送阻力及泵壓輸送特性，確定今后膏體充填工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，我們進(jìn)行了全尾砂膏體充填料環(huán)管泵送試驗(yàn)。試驗(yàn)中，進(jìn)行了兩組配料：一組是單一的全尾砂膏體；另一組是水泥全尾砂膏體，水泥為325#硅酸鹽水泥，灰砂比為1:8。試驗(yàn)中采用125mm與150mm兩種管徑的鋼管，環(huán)型敷設(shè)，配管總長(zhǎng)度194.63m，折算管道總長(zhǎng)度295.1m。試驗(yàn)采用HBT70混凝土拖車泵。試驗(yàn)結(jié)果如表8。表8

15、 全尾砂膏體充填料環(huán)管試驗(yàn)結(jié)果（參數(shù)）參數(shù)名稱與單位第一次配料（全尾砂膏體）第二次配料（水泥全尾砂膏體，灰砂比1:8）工況1工況2工況3工況4工況1工況2工況3工況4工況5膏體重量濃度（%）79.6677.5676.86/78.2877.2075.5674.9073.31膏體塌落度（cm）12.018.522.523.515.520.522.823.5攤開(kāi)泵主油路油壓（MPa）22.017.013.512.018.015.012.09.08.0換向閥周期（S）4.64.22.72.24.52.92.72.72.7換向閥頻率（次/分）13.0414.322.217.313.3320.722.22

16、2.222.2膏體輸送量（m3/h)32.435.555.267.033.151.3755.255.255.26英寸管流速（m/s）0.5100.5580.8681.0500.5210.8080.8680.8680.8685英寸管流速（m/s）0.7340.8041.2501.5200.7501.1631.2501.2501.250各壓力表讀數(shù)（MPa）13.42.41.81.352.61.91.41.00.622.31.7832.62.21.6942.181.951.4152.131.690.54各壓力表讀數(shù)（MPa6/70.980.6681.41.150.8090.720.630.356英

17、寸管阻力（KPa/m）100.350.260.205英寸管阻力（KPa/m）10.427.355.514.147.965.824.293.061.8412.508.826.624.989.566.985.153.682.21試驗(yàn)得出以下結(jié)論：全尾砂膏體與水泥全尾砂膏體均具有良好的管道輸送性能。試驗(yàn)中，膏體濃度自73.31%至79.66%均順利實(shí)現(xiàn)了泵送循環(huán)。在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，膏體濃度是影響管道阻力與輸送質(zhì)量的首要因素，濃度越高，管道阻力越大。膏體充填料具有良好的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中全尾砂充填料在待料停泵14小時(shí)情況下，管道料漿仍未出現(xiàn)離析現(xiàn)象。3.2.4 全尾砂膏體充填料自流輸送試驗(yàn)為了研究不同灰砂

18、比、不同濃度的全尾砂膏體在不同充填倍線條件下的自流輸送特性，我們進(jìn)行了水泥全尾砂膏體充填料L型管道自流輸送半工業(yè)試驗(yàn)和單一全尾砂膏體井下自流輸送工業(yè)試驗(yàn)。 水泥全尾砂膏體充填料L型管道地表自流輸送試驗(yàn)試驗(yàn)中，采用灰砂比為1:12的水泥全尾砂膏體，共完成六組試驗(yàn)。試驗(yàn)采用125mm鋼管，第一、二組充填倍線N=3.2，第三至第六組充填倍線加大至N=4.2。第六組充填料漿添加了減水劑，在同一濃度下料漿流動(dòng)性顯著提高。試驗(yàn)結(jié)果為：充填倍線N=3.2的ZL1、ZL2試驗(yàn)組，76%的料漿輸送濃度難于實(shí)現(xiàn)自流輸送，而73.6%的濃度卻可實(shí)現(xiàn)理想自流，膏體流量達(dá)到了66.888.2m3/h，完全可滿足生產(chǎn)能力

19、要求。當(dāng)充填倍線加大至N=4.2時(shí)，無(wú)論是否添加水泥，料漿重量濃度73.6%的ZL3、ZL4試驗(yàn)組的料漿流速極低，不能實(shí)現(xiàn)自流輸送。僅當(dāng)濃度降低到71.5%或添加減水劑（實(shí)際重量濃度為74.62%，減水劑摻量為0.037%）后，才可實(shí)現(xiàn)較為理想的自流輸送，膏體流量達(dá)到52.277.76m3/h. 單一全尾砂膏體井下自流輸送試驗(yàn)結(jié)合壓氣造漿工業(yè)試驗(yàn)，利用現(xiàn)粗砂井下充填系統(tǒng)進(jìn)行了單一全尾砂膏體經(jīng)充填鉆孔與井下管道自流輸送試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選廠泵送的全尾砂進(jìn)400m3砂池經(jīng)自然沉降后，先排除上部積水，即進(jìn)行壓氣造漿，均勻造漿后的全尾砂膏體經(jīng)地表充填鉆孔與井下充填管道完全自流輸送到采場(chǎng)空區(qū)。試驗(yàn)全尾砂料漿

20、平均濃度71.23%，自流輸送流量經(jīng)計(jì)算為88.74m3/h。3.2.5 水泥全尾砂膏體充填料試驗(yàn)強(qiáng)度測(cè)定在水泥全尾砂地表泵送試驗(yàn)及L型自流輸送試驗(yàn)中，我們均取試塊樣對(duì)水泥全尾砂膏體充填料的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)得其3天、7天與28天各齡期單軸抗壓強(qiáng)度如表9。 表9 水泥全尾砂膏體輸送試驗(yàn)試塊強(qiáng)度試塊編號(hào)膏體濃度（%）塌落度（cm）灰砂比試塊容重（g/cm3）試塊抗壓強(qiáng)度（MPa）3d7d28d178.2815.51:82.030.580.600.590.591.021.141.161.114.024.063.603.89277.2020.51:81.990.610.460.480.521.201

21、.161.181.183.403.904.003.77375.5622.81:81.970.440.440.440.440.820.820.840.82.902.563.082.85475.91211:122.050.200.200.200.200.460.420.460.451.801.601.601.67573.6231:121.970.190.190.180.190.380.380.420.391.280.921.481.23671.4924.51:121.930.180.190.190.190.380.300.360.350.920.700.720.78774.62211:122.01

22、0.180.180.180.180.360.360.390.370.961.060.960.99874.6223.51:122.020.180.180.180.180.390.460.380.411.000.961.000.993.3 試驗(yàn)結(jié)論以上全尾砂及全尾砂膏體的試驗(yàn)研究表明： 南京棲霞山礦全尾砂-20m含量達(dá)到33.34%，高于國(guó)內(nèi)外充填通常的-20m含量不小于15%的要求，無(wú)論是全尾砂還是水泥全尾砂都能制備成輸送性能良好的膏體充填料。 全尾砂自然沉降最大沉降濃度約為70%，按水灰比1:41:12添加水泥后，可制備成濃度為71.47%74.47%的全尾砂水泥膏體充填料，且壓氣造漿方式可靠

23、，膏體濃度均勻。 提高全尾砂充填料濃度有利于提高充填體強(qiáng)度，并減少膠結(jié)水泥用量，降低充填成本。 全尾砂膏體及全尾砂水泥膏體均具有良好的管道輸送特性。4. 全尾砂膏體充填工藝流程4.1 全尾砂膏體充填系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)方案由試驗(yàn)得知，要進(jìn)一步提高礦山充填質(zhì)量，必須實(shí)現(xiàn)膏體充填。我們認(rèn)為膏體充填系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的問(wèn)題是： 選擇適合礦山實(shí)際的全尾砂膏體充填料濃度； 全尾砂脫水及膏體充填料的制備方式； 輸送方式。經(jīng)過(guò)分析與研究并反復(fù)論證，我們確定了相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則是： 全尾砂膏體充填輸送濃度控制在72%-73%，過(guò)高會(huì)增加管阻，提高充填成本。由此，設(shè)計(jì)全尾砂自然沉降濃度為70%，水砂比按1:61:

24、81:10控制。 全尾砂采用自然沉降脫水，膏體制備采用壓氣造漿； 制備好的膏體經(jīng)強(qiáng)力高速二段攪拌后，采用自流輸送到井下充填。由此，我們?cè)O(shè)計(jì)建造了全尾砂膏體充填系統(tǒng)，其工藝流程方案如圖四所示。選廠低濃度全尾砂用渣漿泵或4PNJ泵長(zhǎng)距離輸送到充填站臥式儲(chǔ)砂池，經(jīng)過(guò)自然沉降并排去上部積水后做濃度測(cè)試，然后壓氣造漿。經(jīng)均勻造漿的全尾砂充填料開(kāi)啟放砂閥直接經(jīng)管道進(jìn)入雙臥軸連續(xù)攪拌機(jī)，同時(shí)水泥由雙管螺旋給料機(jī)也送入該攪拌機(jī)，經(jīng)初步攪拌后的全尾砂水泥再通過(guò)連接器進(jìn)入高速攪拌機(jī)進(jìn)行活化攪拌被制備成膏體。最后全尾砂水泥膏體充填料進(jìn)入充填鉆孔及井下充填管網(wǎng)自流輸送到井下采區(qū)進(jìn)行充填。 圖四 全尾砂膏體充填系統(tǒng)工藝流程圖4.2 南京棲霞山礦全尾砂膏體充填系統(tǒng)的特點(diǎn)：在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，新設(shè)計(jì)建造的全尾砂膏體充填系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外一些大型礦山膏體充填系統(tǒng)相比，具有自己的特點(diǎn)： 尾礦不分級(jí)，膏體充填料直接為選礦全尾砂。這使