某矿尾砂胶结充填系统运行分析

邓代强，彭亮

（1.贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳550003；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙410012）

某矿尾砂胶结充填系统运行分析

邓代强1，彭亮2，3

（1.贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳550003；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙410012）

为更好地给矿床开采提供安全的工作场所，实现矿山绿色环保及可持续发展，进行了某矿充填系统的设计与应用研究。结果表明：全尾砂浆经气动液化搅拌均匀后，与水泥混合坍落度约250～270 mm、浓度为70%～72%的高浓度充填料浆，呈现出流态良好的结构流体，黏稠状料浆在管道中流动时对管道磨损很小，流入采场后充填料浆扩散良好，无局部堆积与水砂分离情况发生，分仓进砂后尾砂沉降效率大幅提高，制备出的合格充填料浆充入采空区后，围岩受力环境明显改善，原有的地压显现得到有效抑制，该技术的实施为矿山绿色开采提供了有力保障。关键词：黏稠状浆体；应力；采空区；管道输送；尾砂充填；胶结充填

0 引言

对于一些采用崩落法开采的金属矿山，随着矿体开采的不断进行，矿岩所受扰动也越来越大，久而久之，当达到一定规模，有时就会引起局部岩层滑移错动，发生采场垮塌或塌陷[1-2]，从而对地表构筑物及人员造成危害。为应对矿床开采而引发的地表塌陷等人为扰动地质灾害威胁，目前根据矿山具体工程条件，一些采用过崩落法的矿山正积极转改充填法开采矿床[3-5]，而充填的直接目的就是通过对采空区填实处理，从根本上解决塌陷隐患，力学机制上则是限制了采空区围岩运移，使围岩弱化速度减慢直至消失，充填体加入到地质构造行列，对维护地表的安全稳定起到积极作用[6-8]。对于钨行业来说，由于金属钨价值较高，一些围岩条件较好的钨矿井伴随着采空区规模的增大而逐渐将空场法转改充填法，以利于高价值钨资源充分利用[9]。针对某矿床开采实例，结合前期使用的崩落法开采已逐渐不适用之现状，为寻求更加安全高效的开采方式，本研究针对该矿进砂浓度低、冬季漫长、季节性大风的特殊条件下进行了充填系统设计与应用研究，通过一段时间的应用，充填法开采对于采空区治理及尾矿处置起到了重要作用，其生态友好型的运行模式能为当地矿山可持续发展起到良好的示范作用。

1 充填系统工艺概况

充填材料的选择通常应结合矿山当地充填物料来源及供应现状，需要充填材料能就地取材且价格低廉、同时具有良好的物理性能指标，以满足开采技术需求[10-12]。结合该矿工程实际，交通及气候条件等，由于矿区周边无广泛供应且价格低廉的戈壁料、破碎废石及河砂等材料，因此充填系统设计中采用可管道连续输送、供应稳定、无须外购的矿山选矿厂排出的全尾砂作为充填集料，少量掘进废石根据情况排入采空区，与水泥尾砂的混合料浆共同进行充填。

正常充填作业过程中，浓度为30%左右的尾砂浆源源不断地从选矿厂输送至充填站立式砂仓，经一段时间的沉降浓缩后采用排量为40 m3/min的螺杆式空压机进行压气造浆作业，添加水泥后均匀制备的充填料浆沿长距离管道自流输送至井下充填采场，充填料浆固结硬化后可起到控制围岩变形、防止地表塌陷的作用。该矿充填物料供应与充填料浆制备系统工艺流程如图1所示。

图1 充填物料供应与料浆制备系统Fig.1Filling material supply and slurry preparation system

2 充填系统试运行参数分析

2.1 选厂尾矿逐步浓密分析

矿山日常采、选生产过程中，进行充填系统的进砂与沉降浓缩调试，低浓度尾砂浆从选矿厂磁选车间排入到附近规格为直径30 m的浓密机中，初步浓缩后经过底流变频渣浆泵输送至充填站立式砂仓，低浓度尾砂浆在自重作用下沉降浓缩，达到最大沉降浓度后进行放砂，由于尾砂颗粒不断沉降，上部的澄清水逐渐变多，多余部分的澄清水流经溢流管不断排出到充填站内的水仓，再由渣浆泵输送至远处的尾矿库。

各生产环节运行协调妥善之后，随即运行了系统负荷调试，整个充填工艺系统调试期间，从选矿厂排至浓密机的尾砂浆浓度约为10%～15%，直径30 m的浓密机底流浓度约为24%～33%之间，流量约为240 m3/h左右，当尾砂仓进满尾砂浆后，仓顶部的溢流管开始溢流，通过不断取样并用浓度壶检测，溢流浓度约为3%～5%，此浓度在后期的生产过程中逐步降低。当进砂流程结束，经过一段时间自然沉降后即开始进行放砂试验，放砂浓度约为55%～63%，添加水泥后的充填料浆浓度约为66%～72%。经数天的调试，通过自动控制系统调节控制，逐渐减小了放砂与充填浓度的波动范围，使充填料浆的制备浓度更加稳定，基本上保持在68%～71%之间，流量则根据生产进度和流速要求进行校正。选矿车间尾砂浓密流程如图2所示。

图2 尾砂浓密流程Fig.2Tailings thickening process

2.2 浓度与流量运行参数分析

系统调试期间对放砂浓度与充填料浆浓度进行了取样测试，得到了相应的运行参数，部分数据经分析后得到其变化曲线如图3所示。在试运行期间对空压机的排风压力进行了检测与记录，对于相同高度的尾砂浆所对应的空气压力进行跟踪监测，分析后得到其变化趋势见图4所示，从图4中可以直观看出，随着立式砂仓中的尾砂浆料位不断降低，空压机风包的排气压力也逐渐降低，由此说明了当尾砂仓料位变化，其对砂仓底部的静水压力也在不断发生变化，即料位较高时，其所需的压气造浆的空气压也较大，如砂仓料位为9.5 m时，所需的空气压力为0.58 MPa；当砂仓料位为5.7 m时，所需的空气压力为0.51 MPa；当砂仓料位为降为2.8 m时，所需的空气压力则降为0.47 MPa。

图3 生产环节各浓度参数Fig.3Concentration parameters

图4 风包压力参数记录值Fig.4Recording values of pressure parameters

通过对整个充填系统运行的基本参数及情况进行深入分析，影响运行参数的重要原因在于从选厂输送至充填站的低浓度尾砂浆流量与浓度的波动，充填过程为了保持管道输送流速和避免堵管，低浓度尾砂浆的供给流量需达到200～260 m3/h，对于单仓进砂时，尾砂难以在短时间内有效沉降，而低浓度尾砂浆浓度波动较大时，尾砂难以正常供应，因此就造成了充填料浆浓度的大幅波动，充填质量难以保证。通过分仓进砂与大量的取样测试，验证了分仓进砂可以提高尾砂的沉降效率，同时保证了充填料浆浓度与流量的稳定，充填系统能够制备出合格的充填料浆。

2.3 充填料浆取样效果分析

在充填系统调试阶段与正常生产时，对制备好的充填料浆进行了取样，浇筑充填体试块并进行模拟井下条件恒温保湿养护，当到达一定龄期后测试充填体试块的单轴抗压强度。从大量的取样过程观察到，充填料浆较为黏稠，虽然充填料浆坍落度约为250～270 mm，但料浆之中的水砂并无明显的分层离析现象发生，浇筑的70.7 mm3充填体试块凝结硬化正常，浇筑试模24 h后拆模，形成的充填体试块强度正常，表面规整平滑，基本无稀软与挂模现象，手感充填体强度尚可，密实性较好且质量较大。通过实验室普通压力机测试，获得充填体试块的单轴抗压强度参数，养护龄期为28天的试验结果显示，1∶4充填体试块强度为2.0～2.8 MPa，1∶6充填体试块强度为1.2～1.7 MPa，并且随着养护龄期的增长，充填体试块强度还有一定的增长，同时从井下揭露的充填体情况来看，充填体强度满足了矿柱开采的技术要求。

3 结语

该矿尾砂经过采空区的充填处理，将约45%～55%左右的尾砂有效地存积封固于井下深处，极大地降低了因大量地表堆存而存在的尾矿库溃坝等危害隐患，也减小了尾矿库干滩扬尘的不利影响，日常生产过程中，地表尾矿库只需排入少部分的尾砂，因此矿山的排污及相关运营管理等费用也有所降低，尾矿库的服务年限大大增加。

充填料浆随长距离管道输送至井下采空区后，料浆的扩散范围覆盖整个采空区的平面范围，从充填料浆下料点直至远处的采场境界，各处的充填料浆基本无明显的高差存在，料浆流平性较好，料浆之中的自由沉降水能够顺利从敷设于采空区内部的滤水管排出，因此为充填料浆的正常固结及充填体早期强度的提高创造了良好条件。

地下大体积采空区经过充填，从根本上改善了矿床开采围岩应力条件，围岩的运移及岩层变形受到抑制，岩体结构得到加固、受力由单轴变为三轴，消除了采空区连接成片的不利情况，通过填实采空区，为相邻矿柱的开采创造了安全条件，从而使矿山生态环境与经济效益整体上得到稳步提高，该项目的投产使用为当地矿山企业的可持续发展模式创新起到了极大的带动作用，并已获得了显著地综合效益。

[1]曾令义，潘冬.崩落法转充填法隔离层安全厚度的确定[J].矿冶工程，2015，35（4），17-20. ZENG Lingyi，PAN Dong.Determination of safety thickness of isolation layer during transition from caving to cut-and-fill stoping [J].Mining and Metallurgical Engineering，2015，35（4）：17-20.

[2]梅甫定，王如坤，夏鸿.崩落法和充填法联合开采在金山店铁矿的应用研究[J].金属矿山，2015，448（10）：21-24. MEI Fuding，WANG Rukun，XIA Hong.Application study of caving method and filling method combined mining in Jinshandian iron mine[J].Metal Mine，2015，448（10）：21-24.

[3]曹帅，杜翠凤，母昌平，等.崩落法转充填法采矿地表移动二维离散元程序数值模拟及其规律验证[J].岩土力学，2015，36（6）：1737-1743，1751. CAOShuai，DUCuifeng，MUChangping，etal.UDEC-basedmodelling of mining surface movement due to transforming from block caving to sublevel filling and its law verification[J].Rock and Soil Mechanics，2015，36（6）：1737-1743，1751.

[4]张亚东，蔡嗣经，徐泰松，等.罗河铁矿开采由崩落法改为充填法的效益分析[J].金属矿山，2013，439（1）：11-14. ZHANG Yadong，CAI Sijing，XU Taisong，et al.Analysis of benefits in the transition from caving method to backfill method in Luohe iron mine[J].Metal Mine，2013，439（1）：11-14.

[5]张群，刘艳章，柯丽华，等.程潮铁矿崩落法转充填法试验段采矿方法优选[J].矿业研究与开发，2013，35（10）：1-5. ZHANG Qun，LIU Yanzhang，KE Lihua，et al.Optimization of mining method for the test stage from caving method to filling method in Chengchao iron mine[J].Mining Research and Developmen. 2013，35（10）：1-5.

[6]曾凡珍，石求志，郑建新.某黑钨矿采空区废石充填研究[J].中国钨业，2015，30（4）：32-36，52. ZENG Fanzhen，SHI Qiuzhi，ZHENG Jianxin.Waste rock filling for the mined-out area in a wolframite mine[J].China Tungsten Industry，2015，30（4）：32-36，52.

[7]于世波，杨小聪，董凯程，等.空场嗣后充填法充填体对围岩移动控制作用时空规律研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31（3）：430-434. YU Shibo，YANAG Xiaocong，DONG Kaicheng，et al.Space-time rule of the control action of filling body for the movement of surrounding rock in method of the delayed filling open stoping[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2014，31（3）：430-434.

[8]万林海.全尾砂胶结充填在某白钨矿山的应用[J].中国钨业. 2014，29（2）：1-4. WAN Linhai.Application of whole tailings backfill in a scheelite mine[J].China Tungsten Industry，2014，29（2）：1-4.

[9]胡细荣.某钨矿山采空区探测与治理研究[J].中国钨业，2014，29（4）：11-15. HU Xirong.Detection and treatment of the gobbing area of a tungsten mine[J].China Tungsten Industry，2014，29（4）：11-15.

[10]马明辉，谭云亮，朱明德.三山岛金矿充填材料配比与强度试验[J].有色金属工程.2015，5（6）：60-63. MAMinghui，TANYunliang，ZHUMingde.Fillingmaterials strength test with various ratio in sanshandao gold mine[J]. Nonferrous Metals Engineering，2015，5（6）：60-63.

[11]许文远，杨小聪，郭利杰.充填体不均匀性相似模拟实验研究[J].金属矿山，2011，419（5）：8-22，69. XU Wenyuan，YANG Xiaocong，GUO Lijie.Experimental research on inhomogeneous simulation of fill-body[J].Metal Mine，2011，419（5）：8-22，69.

[12]徐飞，褚洪涛，刘晓亮.某铜矿全尾砂充填体强度研究[J].金属矿山，2013，450（12）：37-39. XUFei，CHUHongtao，LIUXiaoliang.Onthefull-tailings backfilling strength of a copper mine[J].Metal Mine，2013，450（12）：37-39.

Operation Analysis of Cemented Tailings Filling System in a Mine

DENG Daiqiang1,PENG Liang2,3
（1.Institute of Mining Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550003,Guizhou,China;2.Changsha Institute of Mining Research Co.,Ltd., Changsha 410012,Hunan,China;3.National Engineering Research Center for Metal Mining,Changsha 410012,Hunan,China)

This paper studies the design and application of the cemented tailings filling system to realize green environmental protection and sustainable mining development.The results show that a high concentration filling slurry when the whole tail mortar is uniformly stirred by pneumatic liquefaction,with slump and concentration reaching 250～270 mm and 70%～72%respectively.In a state of well structured fluid,the viscous slurry flows through the pipe and wears very little against the pipe.After is inflow to the stope,the filling slurry is well dispersed and no local accumulation occurs.When the qualified filling slurry is filled into the mined out area,the surrounding rock force environment is obviously improved,and the original ground pressure appearance is effectively suppressed. The implementation of this technology provides a powerful guarantee for green mining.

viscous slurry;stress;goaf;pipeline transportation;tailing filling technology;cemented filling

TD327

A

（编辑：刘新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.003

2017-05-27

“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAB02B04）

邓代强（1974-），男，新疆石河子人，博士，高级工程师，主要从事矿山充填系统设计与优化、充填集料与胶凝材料开发、采空区充填工艺研究。