全废料泵送充填系统在金川矿山的应用

刘洲基，李金利

（金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100）

金川镍矿是我国有色金属坑采矿山年生产能力最大、机械化程度较高的下向胶结充填采矿法矿山。作为长期以棒磨砂为充填骨料的充填方式，一方面棒磨砂的釆砂资源和加工费用成为制约矿山发展的一个因素，另一方面随着矿山生产能力提高，矿山掘进进度加快，掘进量与矿山废石量也连年增大。其中，仅金川二矿区，850米中段开采工程及今后700米中段的开拓工程，每年井下提出的废石达50多万吨。

本着降低充填成本，提高充填质量，充分合理的使用工业废料，保护矿山环境生态，实现无废开采的需要，金川公司通过与相关科研院所联合攻关，经十多年的努力，目前已成功的研发出了废石-全尾砂膏体充填泵送工艺，废石-细砂高浓度自流充填工艺、戈壁粗骨料高浓度自流充填、大流量高浓度自流充填系统等技术，并已全部在金川各矿山充填生产应用，在保证对下向采矿对充填体质量的前提下，极大降低了充填费用，保护了环境，促进了无废矿山、绿色矿山的建设，已成为当今矿山充填的主要发展方向。其中，利用了井下废石、废水和全尾砂的全废料泵送充填，具有较为特殊的意义。

1 全废充填物料的物理性能及质量标准

1.1 破碎废石集料及质量控制

井下废石破碎采用两段一闭路流程：废石经GZD1300＊4900振动给料机均匀地供给PE750＊1060鄂破，一段破碎废石（-176mm）由皮带机输运并经自动分料机直接送入PF1210型反击破（2台）进行细碎，碎料经皮带输送机送入SZZ1500＊4000振动筛进行筛分，筛上大块物料（+16/20mm）再由皮带机送入反击破进行再次破碎，形成闭路。筛下物（-16/20mm）则送至废石集料仓待充。

针对破碎废石存在喷浆反弹料，钢筋、导爆管等杂物多，质量不稳定的问题，为了不过多增加相应的投入，主要以人工分拣，电磁铁除铁，喷雾降尘等措施来确保破碎废石的质量及其生产应用。

废石破碎集料对于充填料浆配合比设计的影响主要包括颗粒形状、质构以及集料级配。通过对废石性能、配合比实验，及充填系统和管路的综合考虑，已成功将工程废石的破碎粒度为-16mm应用于废石-全尾砂充填料浆的制备。

表1 -16mm废石破碎集料（适用于与全尾砂混合）

1.2 全尾砂

金川集团股份有限公司全尾砂是一选厂与二选厂排放的尾砂混合物。全尾砂中不规则状、片状与块状居多，似圆形仅占一小部分，粒径分布也不均匀，极细粒级絮状物质粘附的粗粒表面。全尾砂平均粒度细,氧化镁含量高，渗透系数小(15mm/h),将会使采场充填脱水困难，要满足充填体强度R28≥5MPa，必须有很高的水泥添加量，这是不经济的。因此，要应用全尾砂，必须要加入一定量的粗粒级骨料。

表2 全尾砂粒级组成

1.3 水泥

金川集团股份有限公司矿山充填所用的胶结材料为32.5级增强复合水泥，其水泥中的混合材主要为粉煤灰，其添加量达20%～40%。比重3.1t/m3，密度1.1t/m3,其细度（用比表面积表示）为3100～3300cm2/g，初凝时间＞45min,终凝时间＜10h。

表3 废水化学成分检测分析结果

1.4 井下废水

矿山充填所使用的井下废水，为井下废水排出后，经多道拦坝自然流淌后沉淀，由水泵抽至充填水仓加以重复利用。

废水的PH值、不溶物含量（Ca、Fe、Si等）、CL含量、折算可溶物（Al2O3、MgO）含量、折算碱（CaOH）含量等指标均不超过《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）规定的范围。

2 废石-全尾砂充填料浆制备

2.1 泵送系统

废石-全尾砂泵送充填系统，其尾砂的添加方式有两种，一是尾矿库沉淀后的干尾砂拉运至充填站的充填砂仓与破碎废石按工艺配比混合后添加。另一种是选厂尾砂经泵送至充填站的尾砂仓，充填时，将尾砂放砂浓度以不低于55%质量浓度至泵送系统的ATDⅢ-Ф700型双螺旋搅拌输送机与破碎废石、水泥搅拌。井下废水则由泵打到充填站备用水仓。其工艺流程如图2。

图2 废石-全尾砂泵送充填工艺流程

2.2 料浆配合比参数

根据室内强度和流变试验数据结果，料浆重量浓度范围在77%～80%之间，水泥耗量为260kg/m3，废石和尾砂配比为6.0：4.0是最优配比，此种配比条件下料浆的可泵性满足要求。

2.3 充填料浆坍落度

充填料浆坍落度，可较好的反应泵送充填料的可泵性能。全废料泵送充填料浆测定的相应配合比条件下的料浆坍落度。

图3 废石—全尾砂料浆坍落度

由图可见，工业试验料浆的坍落度均较大（＞20cm），废尾比6：4条件下的料浆坍落度均大于废尾比5：5条件下的料浆坍落度，表明料浆的流动性很好，完全满足进路式充填对流动性的要求。根据我国及ASTM制定的混凝土稠度等级与坍落度范围、表明上述配合比条件下的高浓度充填料浆应属高流态范畴。

3 进路胶结体强度测定结果与分析

充填进路的胶结体强度采用SJY800型贯入仪进行现场测定，胶结体强度现场测定选取废石全尾砂比6：4和5：5各两条进路。测点采用网络式布置，进路长度方向采用5m～10m间距，高度方向采用0.5m间距，各测点附近随机选取5个样点。

绘制各进路各样条点的平均强度与进路长度、高度的关系如图4，5。

图4 废尾比5：5条件下进路内胶结强度分布

图5 废尾比6：4条件下进路内胶结强度分布

由图可见，进路内胶结体的强度分布规律为：由充填管口到进路隔墙处强度总体呈降低趋势，但降幅极小，这种强度的不均匀是由于进路内充填料浆的自流动造成的；沿进路高度方向强度总体呈下高上低趋势，这是由于进路内充填料浆的离析造成的。实际充填过程中还会出现洗管水没有排出进路，造成浓度降低的现象。且充填过程中也偶尔出现供料中断等情况。料浆的配合比、浓度、水泥添加量、废石—全尾砂混合料的均匀性等总是有波动的，因而造成料浆浓度降低和料浆的不均匀，引起胶结体强度变化。综上，采用废石—全尾砂高浓度充填工艺，充填进路的布置、下料点、挡墙、铺筋要求等应与膏体充填方式相同。

4 充填管径对废石料浆流变性质的影响

从理论上分析，料浆的流变参数应与管径无关，但试验结果却是不同管径条件下浆体流变参数变化很大。从统计层面看，总体趋势是管径越大，浆体初始屈服应力越大，粘性系数越大。显然单独解释这一现象是比较困难的，但若与“边界层”联系起来看则又是必然的。同一流量情况下，不同管径内的料浆流速不同，管径越小，流速越大。根据伯努里方程可知同一水平直管状态时浆体流速越大，管道内浆体压力越大，管输阻力越大。

表4 废石+全尾砂强度试验结果（废石：尾砂=5：5）

同一浆体在不同压力状态下的泌水效应是不同的，一般讲压力越大，泌水量越大。此外，料浆中存在粗骨料，管径越小，粒状物料的“管壁效应（边界处的空隙率大于中心空隙率）”越明显，导致管壁处的细粒浆体量增大。可见，在同一流量情况下，细管径中料浆的泌水效应更明显，导管壁处的细粒料多且浓度低，“润滑层”效果更明显，从而导致同一料浆同一流量条件下得出不同的流变参数。显然这一试验结果进一步解释了“环管试验获得的流变参数小于由流变仪得出的流变参数”的现象。如同一料浆由流变仪得出的是假塑性体，而环管得到的却是胀塑性体。原因是“边界层内具有层流和紊流两种流态”，层流时多为Bingham体，而紊流时多呈H-B体。

5 充填管路的管径与料浆管输流速

根据充填料浆管输平衡方程，并结合环管试验和工业试验结果，通过理论分析，列出推荐的废石充填料浆配合比、浓度条件下的对应流量时管路中料浆最大流速的与最小管径如表5(其中)。

表5 废石—全尾砂料浆浓度、沿程阻力与最大流速、最小管径关系表

考虑到废石—全尾砂高浓度充填的工艺特性，料浆需要泵压输送。显然，从相似条件角度讲，由液压泵至充填钻孔间存在一定长度的水平管道，该段水平管的设计与计算宜采用环管试验沿程阻力结果；由充填钻孔底部至采场充填管道的设计与计算宜采用工业试验沿程阻力结果。

在充填生产中，工业应用中要采取措施避免出现料浆输送的不满管流；同时管径取大可以降低管输沿程阻力。由于废石充填料浆中骨料粒级为-16/-20mm且具有连续性，应用中管径应大于粒径5～6倍。

6 结语

全废料充填对于合理有效利用矿山产出的毛石、井下废水和工业废料尾矿砂，达到保护环境，促进节能减排，建设绿色矿山具有积极的意义，社会效益显著。

随着市场经济的进一步发展，高充填成本越来越成为制约矿山经济效益及发展的重要因素。当前，在胶结充填采矿中，充填费用一般占矿山总成本费用的20%左右，有的甚至于高达40%。废石-全尾砂泵送充填工艺成本是矿山现用棒磨砂自流充填成本的66.25%，是尾砂-棒磨砂膏体充填成本的88%，成本优势明显，经济效益显著。