某钨矿空场法转充填法可行性研究

胡天寿,江 科,仵锋锋

(1．江西铜业股份有限公司永平铜矿, 江西 上饶市 334000;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)

0 前 言

近年来国家大力提倡充填采矿法,相继出台了相关的环保与安全的法律法规,其中国家安监总局〔2014〕48号规定:新建地下矿山必须首选充填采矿法,不能采用需经过论证并出具材料;财政部和国家税务总局联合发出财税改革通知,对某些特殊情况下通过充填方式采出的矿产资源减免50%资源税;且已实施的环境保护税法开始对各种类型的污染物征税,其中尾矿作为固体废物的污染排放税是15元/t,而采用充填于井下的尾砂则可免征此种税费[1-5]。综上所述,采用充填采矿法、固废尽量充填至井下而不堆存于地表是矿山今后发展的主流方向[6-8]。

空场法作为一种较早应用,具有对复杂薄矿脉适用性强、矿块生产能力较大、工艺简单、工人易于操作、管理方便等优点,在有色金属行业、特别是中小型矿山的使用率较高。但在实际的应用中空场法存在难以实现机械化、工人劳动强度大、矿石损失贫化大等缺陷,且当围岩或矿体工程性质较差时,采场在大放矿时往往因片帮的大块废石堵住出矿巷导致存留的矿石无法回收利用、矿石损失率远大于设计工艺指标的现象。因矿石的损失贫化、大量废石的混入,致使选厂入选品位较低,在相同采选能力下,获得的金属量较少,影响企业效益;同时留在采场内无法出矿的矿石是矿山资源的浪费,长此以往将极大地缩短矿山服务年限,于企业和社会造成巨大的损失,本文基于江西某钨矿的实际生产情况,对其空场法转充填法进行研究,进而提出短流程、低成本模块化充填站的建设方案,从技术和经济角度论述其必要性和可行性[9-15]。

1 矿山概况

江西某钨矿矿区内矿脉多且分散,倾角一般为60°~80°,水平厚度较小,一般为0．25~2．87 m、最大8．82 m,平均厚度1．56 m,大部分属于极倾斜极薄至薄矿体,有少部分中厚矿体,矿体一般稳固性较好,但由于矿体属构造控矿,其顶底板部位多存在强蚀变现象,如绿泥石化、高岭土化等,其工程物理力学性质较差,开采过程中易出现片帮、冒顶等不良工程地质现象,矿床内断层构造较发育。矿石和岩石均无自燃性、无结块性,矿床开采技术条件中等。经过多年建设,该矿的采选规模为33万t/a,主要采矿方法为空场法,少量高品位极薄矿体采用削壁充填法,矿山设计采矿矿石损失率为15%,贫化率为10%,但实际生产当中,矿石的贫化率达26%,且在最后大放矿时大量矿石经常因大块废石卡住出矿结构最终导致已凿岩爆破的矿石永久性损失、资源大量的浪费。矿山的开拓方式为平峒＋斜坡道,多年的生产及早前的民采遗留了大量采空区有待处理。

2 空场法转充填法可行性研究

2．1 降低矿石损失贫化率

将空场法改为充填采矿法对矿体进行回采将大幅地降低损失贫化率,通过对产能布局规划、薄矿脉出矿设备选型与作业周期优化等进行研究,可以使上向水平分层充填法在该钨矿得到很好的应用,严格控制矿石的损失贫化、杜绝矿房凿岩爆破后无法顺利出矿的现象,延长矿山的服务年限,提高矿石的入选品位以及企业的整体盈利能力。充填采矿法能顺利实施的先决条件是在保证充填体质量的同时降低充填成本,先进的充填工艺与完善的设施配置是实现井下充填采矿的关键,国内外当前的充填工艺发展趋势是全尾砂胶结充填技术,相应的工程案例很多,不仅应用于高价值的矿石资源开采,其成熟的工艺与先进的设备也已在部分低价值矿山(如低品位大型铁矿)顺利应用,在生产中取得了良好的技术经济效益。

2．2 降低尾砂处理成本

该钨矿总尾经压滤形成尾砂滤饼由皮带廊道转运至露天尾矿干堆场,上述过程的尾砂处理成本约18元/t,后续还有尾矿干堆场内的整平、碾压、日常维护以及复绿等工序,总费用达45元/t·尾砂,该钨矿现有的尾砂处置成本偏高,是企业运营的一大负担。若采用压滤车间的全尾砂滤饼充填时,将一部分尾砂充填于井下而不需进行干堆,有利于降低尾砂干堆工艺的成本,国内外已有大量利用尾砂滤饼预制浆后进行充填的案例,在技术上可行,系统投入使用后运行效果好,为企业取得了巨大的经济效益。

2．3 处理井下空区

自该钨矿基建以来,数年的开采已在井下形成了较多空区,且矿区早期有较多的民采活动,截止目前井下存在约30万m3的空区有待处理,如若置之不理,随着时间的推移井下空区体积将进一步增加,会对井下采矿作业构成潜在的威胁,且国家对矿山采空区的治理问题越来越重视,尽早地处置空区将是企业稳步发展的正确选择。空场法采空区处置的传统方式有废石充填以及崩落上覆围岩等方式,将采矿废石充填于空区不出窟是合理的方式,但由于废石量有限,只能部分处理采空区,而崩落覆岩可能会导致地表塌陷,这是国家安全环保部门所明令禁止的,目前国内外流行的处置方式是利用集料充填空区,起到对围岩和顶板的支撑作用,其中尾砂是一种理想的充填集料,也是传统的矿山固废,全尾砂充填技术既处置了固废又处理了空区,符合国家政策且利于矿山的可持续发展。

2．4 延长尾矿干堆场的服务年限

目前该钨矿的尾矿干堆库上升速度较快,按现有的采选规模及运行模式,预计尾矿干堆场未满服务年限即已满库,未来新建尾矿库的申报工作将极其困难,矿山极有可能因无处堆放尾砂而停产,因而采用全尾砂充填采矿法是矿山的最佳选择,可以部分处置尾砂,有效延长尾矿干堆场的服务年限,是企业可持续发展的合理路径。

2．5 提高资源有效利用率

该钨矿脉薄且分支多,采用空场法作为主要的开采方法,但实际应用中发现,空场法虽然矿块生产能力较大、采场结构简单以及易于管理,但也存在着损失贫化率大、围岩片帮等缺陷,致使矿石资源的损失极大,部分矿房出矿不及一半即无法继续放矿,造成了永久性损失,采矿成本高的同时快速消耗储量,导致矿山设计服务期限后段可能面临无矿可采的局面。通过对井下进行整体布局优化后的充填采矿法的整体生产能力同样可以达到矿山现在的规模,该钨矿可以尽快建设全尾砂充填系统并在井下逐步实施充填采矿法,然后才能减缓矿石储量的消耗速度,延长矿山的服务年限。

3 全尾砂滤饼充填技术可行性研究

为使该钨矿顺利实现充填采矿法,必须保证能达到:

(1)充填系统建设投资省,在企业可承受范围内;

(2)建设周期短,配合井下采场的准备工作尽快投入使用;

(3)充填质量高,保证矿石的出矿品位和回收率,使多回收的金属量能抵消甚至超过充填系统的投资与运行成本。

基于以上几点考虑,该钨矿考虑采用全尾砂滤饼充填系统,通过研究与设计,采用先进的设备和成熟的工艺,在保证系统稳定可靠的前提下,尽可能利用现有设施,降低充填系统投资,缩短建设周期,使充填系统尽快投入使用,为井下实现充填采矿打下坚实的基础,该全尾砂滤饼充填系统工艺流程见图1。

3．1 全尾砂预处理

全尾砂是经球磨、选矿后多余的全粒级尾矿废渣,多以低浓度浆体形式排出,将全尾砂作为充填集料是当前科研的主流,而如何获得高浓度的全尾砂浆是关键所在,常用的尾砂浓缩设施有靠尾砂自重沉降的立式砂仓、卧式砂池及浓密机;也有依靠能耗使水分快速脱去的过滤机、压滤机等。该钨矿前期建有尾矿压滤车间和尾矿干堆场,利用空压机提供的高压风和板框式压滤机使低浓度的尾砂浆脱水变成滤饼,并由转运皮带廊道送至尾矿干堆场。若改变尾砂的预处理工艺则会出现以下问题:一是尾砂处理流程复杂;二是因井下充填无法完全利用全部尾砂,部分尾砂仍需处理后进入尾矿干堆场。若采用其他尾砂预处理设施,则总尾的输送与分配问题将凸显,现场的组织管理难度加大,容易出现问题的环节增多。根据该矿山实际情况,应尽可能地利用现有尾砂的处理工艺,在压滤车间皮带廊下料口处取全尾砂滤饼,通过挖掘机上料、自卸式汽车转运、堆场临时储存等实现尾砂的供应。

图1 全尾砂滤饼充填系统工艺流程

3．2 集成化制浆工艺

全尾砂滤饼呈干硬性,与常规的尾砂浆性态不同,可以应用固体物料的称重方式和输送模式,避免了管道输送检测设备准确性和耐用性差的问题。同时考虑到矿山的资金压力和工期要求,选择成品搅拌站这种集成化的设备进行充填料浆的制备,其工艺流程为:存储在中转设施内的全尾砂滤饼通过铲车上料给计量秤的受料斗,受料斗计重后下料至皮带,再通过转运皮带给搅拌主机供料,完成全尾砂的给料计量工作;外购水泥经水泥罐车运送至现场,压气存储至水泥仓内,制备工作开始后给料至水泥仓秤斗,达到设定值后停止给料;同时添加适量的调浓水,关闭搅拌主机的进料口,按设定时间进行搅拌,制备成高浓度的全尾砂充填料浆。

3．3 充填能力匹配及质量保障措施

该钨矿年产矿石33万t,年工作时间330 t,尾砂产率95%,日产尾砂950 t,而通过充填物料试验可知,每形成1 m3充填体需消耗尾砂1．265 t,由式(1)可知,每天需充填的空区体积为359 m3,则消耗尾砂454．1 t/d,尾砂利用率可达47．8%,充填制备站的能力设计为60~80 m3/h,只需安排6 h的充填时间即可满足要求。

式中,Qd为日平均充填料浆体积,m3/d;C为每年矿石生产能力,t/a;k1为沉缩比,取1．10;k2为流失系数,取1．05;Z为采充比,m3/m3,取1;T为年工作天数,330 d;γ为矿石容重,t/m3。

但由于集成化的充填料浆成品制备站为间断工作制度,制备好的料浆是按一定的间隔时间定量排出,所以无法和井下充填相匹配,如果直接间断向充填钻孔中供料,则极易发生堵管事故,风险极大。经过研究,设计了一座充填料浆缓冲池,间断地将制备好的料浆注入中转池,并使料浆中转池内的料位始终保持在一定范围之内,以匹配模块化充填制备系统的间断生产工序与连续的井下充填能力,中转池中布置有少量的造浆喷嘴,在充填作业过程之中持续对充填料浆活化,保持其良好的和易性。同时为了提高充填质量,充分发挥水泥的效用,料浆通过阀门控制、按设定流量值自流进入高速活化搅拌机,通过高速运转的搅拌轴使尾砂颗粒与水泥颗粒充分混合,然后进入充填钻孔和井下管网,最终充填至采场。

3．4 充填料浆的输送

该矿充填站选址标高为＋335 m,打竖向充填钻孔至＋200 m中段,并施工充填联络巷与已有巷道联通,布置充填管道后形成井下充填管网,其中充填钻孔中的套管为双金属耐磨管,规格为Φ150 mm×20 mm(耐磨层10 mm),至各采场的为耐压等级满足要求的钢编管,规格为Φ125 mm×8 mm,快速卡箍连接。选址场地位于岩石移动带外,选址符合规范要求。通过地表充填钻孔及井下充填天井,充填站制备好的高浓度充填料浆自流输送至采场,各中段充填倍线如表1所示。

表1中＋200 m中段和＋150 m中段远端采场倍线较大,可以考虑适当降低浓度输送或采用废石充填,下部各中段充填倍线可以保证料浆的自流输送。

表1 该钨矿各中段充填倍线

4 分析与结论

通过空场法转充填法的必要性和全尾砂滤饼胶结充填技术的研究、设计建设适合江西某钨矿的充填系统,配合充填采矿法的应用,能为企业取得以下的技术经济效益:

(1)通过对全尾砂滤饼的性质进行分析,选择合适的计量、输送方式,精简作业流程,保证工艺稳定;对搅拌站的间断作业和充填料浆的管道连续输送作业之间的匹配关系进行研究,设计了合适的中转设施,满足了两者各自的作业模式,同时在中转池中布置有一定量的造浆喷嘴持续对料浆活化,之后利用高速活化搅拌机充分混合水泥颗粒和尾砂颗粒,制备出高质量的充填料浆。

(2)提高矿石的回收率。该矿现有空场法及削壁充填法的综合损失率约为20%,采用高质量全尾砂充填技术后,损失率可以降低至10%,按目前30万t/a的矿石生产能力,每年可多回收矿石30000 t。

(3)降低矿石的贫化率。该矿目前的矿石贫化率为26%,选厂入选品位为0．3%,运用高质量的充填工艺和充填采矿法后,矿石的损失率可降至10%以内,则选厂入选品位提高至0．365%,按当前的采选能力30万t/a、选矿综合回收率85%计算,年多回收的金属量为165．75 t,按照现有市场价,能为企业增加效益近2800万元。

(4)空场法转充填法符合国家政策,减缓资源消耗速度,有利于企业长期发展,可以为类似小型有色金属矿山实施充填采矿法提供借鉴,形成建设周期短、投资少的模块化充填系统。