谦比希铜矿东南矿体大流量膏体自流充填技术及应用*

张兵，王勇，吴爱祥，胡国斌，王洪江，王贻明，郑学敏

(1.中色非洲矿业有限公司， 赞比亚 基特韦；2.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

0 引言

谦比希铜矿东南矿体是中色非洲矿业有限公司开采的三大矿体之一，矿山于 2018年投产。该矿床埋藏较深，埋深在445 m～1230 m之间，矿体呈舒缓波状，平面投影呈不规则条带状。N1矿体赋存在一套浅变质的泥质、砂质板岩中，呈层状产出[1]。矿体走向北西，倾向北东，沿走向长2700 m，沿倾向宽569 m～1237 m，延伸较稳定。矿体厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m。倾角5°～20°，局部有变化[2]。

N1工业矿体总体上看是南高北低，南部矿体倾角较陡，北部倾角较缓，南薄北厚，西薄东厚，以880 mL为界分为南北2个采区。北采区首先探采1080 mL至980 mL之间的矿体，该处矿体的控制程度较高，厚度大，矿体倾角小（倾角0～10°），品位高，估算资源量约为1330万t，运输水平设在1100 mL和1000 mL。南采区首采地段为780 mL至880 mL的矿体。该部分矿体厚度较大，品位高，资源量约1220万t，运输水平设在900 mL和800 mL。

矿体属薄至中厚缓倾斜矿体，矿体底板以下的基底岩石和长石石英岩地层稳固性良好。矿体本身稳固性中等，矿体顶板岩石稳固性较差，矿石铜品位较高[3]。矿山建设规模为10 000 t/d，根据开采工程技术条件和矿体赋存情况，设计以预切顶下向中深孔分条空场法、分条进路充填法和房柱采矿法为主，矿山采用智能机械化采矿作业。

为保证东南矿体采矿作业安全，降低围岩遇水泥化危害影响，实现安全、环保、经济、高效采矿[4]，该矿于2015年6月开始启动膏体充填系统建设工作，经历基础条件试验、初步设计、施工设计、系统建设、单机运行、联动试车等多个阶段，于2019年 12月系统成功投入使用，建成的谦比希铜矿东南矿体膏体充填系统如图1所示。本文从充填工艺、关键技术、工业试验情况等方面对谦比希铜矿东南矿体膏体充填系统进行介绍，为同类矿山膏体充填技术应用提供参考。

1 膏体充填工艺

谦比希铜矿东南矿体膏体充填工艺最大的特点就是兼顾井下充填和地表高浓度排尾，建成了全新的全尾砂膏体充填系统和尾砂排放系统。该膏体充填系统以全尾砂为主，选厂全部尾砂由渣浆泵输送到膏体充填制备站的2台浓密机。浓密机的直径为18 m、总高16.6 m、锥角30°，每台浓密机的处理能力为5000 t/d，最大底流流量165 m3/h，最大底流浓度72%。水泥仓采用2套容积832 m3的矩形断面、锥形底部结构的储存仓，计量采用微粉称。浓密机制备的高浓度尾砂由底流泵输送进入搅拌机与水泥混合，制成全尾砂胶结膏体充填料，然后采用内径 175 mm的管道自流输送到采场进行充填。多余的高浓度尾砂由3套隔膜泵（2用1备）通过管道输送到尾矿库，输送距离约15 km，每台隔膜泵输送能力265 m3/h，输送压力7 MPa。整个工艺通过中控室远程自动控制，流量和浓度关键参数测量采用核密度计和声呐流量计。

图1 谦比希东南矿体膏体充填系统外观

谦比希铜矿东南矿体膏体充填工艺流程如图2所示。

图2 谦比希铜矿东南矿体膏体充填工艺流程

2 膏体充填关键技术

中色非洲矿业有限公司是我国企业“走出去”的成功典范，谦比希铜矿东南矿体大流量膏体充填系统成功应用是我国膏体技术“走出国门”的又一次突破。本系统的成功应用，是基于多个关键技术的突破，主要有以下几个方面。

2.1 基于深锥浓密的膏体充填与排尾联合处置技术

尾矿是矿山生产排弃量最大的固废之一，全尾砂膏体充填可以最大限度的利用全尾砂[5]，但即使这样，矿山依然会产生多余尾矿，如若直接堆存地表，会造成生态破坏和安全隐患[6]。为此，需要对现有膏体充填系统高效利用，使得深锥浓密机发挥井下充填和地表排尾的双重功效。目前基于深锥浓密的膏体充填与排尾联合处置工艺在国内外应用很少，谦比希东南矿体通过攻克深锥大范围底流浓度（55%～72%）快速柔性调控技术、开发大流量匀质供料自稀释进料系统、构建压力-高度协同互馈及底流浓度稳定技术，实现了对现有深锥浓密机的高效利用，既满足了千米深井膏体充填的要求，又实现了15 km长距离高浓度地表排尾，建立了基于深锥浓密的膏体充填与排尾联合处置技术示范工程。

2.2 细粒级全尾砂膏体大能力均质搅拌技术

随着矿山机械化程度的不断提高，矿山的开采规模也在逐渐增大，与之对应的充填能力要求也越来越高。目前国内外膏体充填能力大部分在 120 m3/h以下，从膏体充填工艺技术来讲，浓密机脱水能力和泵压输送能力在200 m3/h以上，大流量膏体充填在某种程度上受限于膏体搅拌技术[7]。针对膏体搅拌的技术瓶颈，谦比希铜矿东南矿体膏体充填系统首次采用了容积10 m3、搅拌能力180 m3/h的双轴卧式搅拌机，是目前国内外所公开报道的能力最大的卧式搅拌机；通过采用具有自主知识产权的液位提升稳定装置，实现了细粒全尾膏体高液面逆向围流均质搅拌技术；针对传统卧式搅拌机轴承漏浆、更换频繁的问题，研发了轴承油压密封防漏浆耐磨技术。这些技术的突破保证了谦比希东南矿体细粒全尾膏体大能力均质搅拌。

2.3 势能负压联合作用下膏体长距离自流输送技术

对于膏体充填来讲，由于充填料浆浓度高、输送阻力大，一般需要借助泵压输送[8]。谦比希铜矿的东南矿体由于埋藏较深，经过多次理论计算和验证，大胆采用自流输送，在充填浓度72%、屈服应力100 Pa以上时，在自重势能和“负压虹吸”联合作用下，实现了距离超过2000 m的膏体自流输送。此外，谦比希东南矿体在680 m钻孔施工时，弃用南非国际知名钻孔施工公司技术，采用自主技术，成功解决了深井充填钻孔通过2个大含水层一次成

型施工的技术难题。为了确保挡墙的安全性，每个采场充填一定高度需要间隔一定时间，为了提升充填效率，研制了具有自主知识产权的多采场快速切换连续充填装置，实现了多个采场快速切换免洗管连续输送技术，大幅提升了矿山充填效率，为矿山高效生产提供了保障。

2.4 基于膏体充填的缓倾斜复杂矿体高效开采技术

谦比希铜矿东南矿体厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m，倾角5°～20°[2]，属于典型的缓倾斜复杂难采矿体，灵活使用多种采矿方法，但矿体高效安全开采的前提在于膏体充填体的力学性能[9]。鉴于赞比亚水泥价格高、赞方员工管理难度大，在膏体材料配伍优化研究时，尽量简化充填材料、降低水泥单耗。系统开展了全尾砂膏体、添加粗骨料膏体、全尾砂+分级尾砂膏体、添加泵送剂膏体等多种配合比实验，最终选择全尾砂膏体充填，可以实现一步骤开采充填灰砂比 1:8、二步骤开采充填灰砂比1:24～1:48。由于谦比希铜矿东南矿体采用可重复利用的低成本柔性充填挡墙，为了确保挡墙的安全性，研发了一种采场多次充填间隔时间确定简易装置，已在现场得到了推广使用。基于采矿方法的灵活使用和多项关键技术的攻克，最终形成了基于膏体充填的谦比希铜矿缓倾斜复杂矿体高效开采技术。

3 系统工业试验情况

3.1 试验思路

膏体充填系统建成后，在经历单机和联动空载试车后，确保设备的正常运转，在正式投入使用前，需要首先进行工业试验。在整个工艺打通、相关技术达标稳定后，方可进行大范围充填使用。谦比希东南矿体膏体充填系统在井下充填前，由于选矿生产已经开始进行，地表高浓度排尾工艺已经打通。为此，本文工业试验主要针对井下充填。

本次工业试验思路为“三步走”分步充填，整个采场分为3次充填完毕，但每次充填的侧重点和目标各不相同：首次充填的目的是打通工艺、第二次充填的目的是提升浓度、第三次充填的目标是提高强度。充填前需要做好地表、管路和井下充分的准备工作，比如地表操作流程、管道密封性、采场挡墙结构以及井下通讯等。

3.2 试验采场

本次工业试验选择与正常生产相似、具有代表性的一个完整采场进行。具体为756水平3号盘区的3号采场（756ML-3MU-3#），该试验采场长123 m，宽9 m，高度7 m～9 m不等，实测空区体积约7652 m3。如图3所示。

图3 膏体充填工业试验采场位置

3.3 试验结果

本系统设计充填能力 160 m3/h，充填浓度70%～72%，灰砂比为1:8时的充填体28 d强度为1 MPa。本次工业试验从准备到整个采场充填结束经历约2个月，最终实现了技术指标的全面达标。试验采场3次充填的主要技术指标统计见表1，其中每次充填的深锥底流浓度统计不少于 10次、间隔时间不少于 1 h；充填量为采场实测值，平均流量为每次充填量与充填时间的比值；实际灰砂比为总的水泥消耗量与尾砂干量的比值；为了确保浓度的准确性、同时验证浓度计的可靠性，充填浓度为每次充填时搅拌槽取样烘干浓度，每次充填取样不少于6次；搅拌槽取样测量烘干浓度的同时，进行28 d单轴抗压强度测试。

如试验思路所述，第一次充填目标是打通工艺，由于充填浓度低、水泥添加少，所以28 d强度只有0.18 MPa～0.39 MPa；第二次较第一次充填浓度有了较大提升，但水泥添加没有达到设置的1:8，所以强度为0.45 MPa～0.90 MPa，没有达到1 MPa；第三次充填的主要目的是提强度，此次充填时充填浓度稳定在70%～72%，灰砂比与设置值1:8接近，为此，28 d强度均在1 MPa以上。3次累计充填7652 m3，充填时间45 h 10 min，平均充填流量170 m3/h，实际使用水泥770 t（设计水泥1210 t），主要是因为前两次充填实际灰砂比小于设计的1:8所致。

表1 工业试验三次充填主要技术指标统计

经历一个完整的采场工业试验之后，该膏体充填系统已在谦比希铜矿东南矿体井下采空区充填中全面使用，服务矿山正常生产。

3.4 试验期间存在的问题

总体来讲，此次工业试验是成功的，但也发现了一些问题，比如部分仪表不准确、井下三通闸阀损坏、挡墙漏浆、通讯故障、深锥底流流量和浓度波动、实际灰砂比小于设置值、搅拌机液面低等，通过每次充填不断的总结和改进，上述问题得到了较好的解决，但在今后的充填中也要高度重视，避免类似问题再次出现。

4 结论

（1）简要介绍了谦比希铜矿东南矿体膏体充填工艺，概括了谦比希铜矿东南矿体膏体充填系统的4大关键技术，即基于深锥浓密的膏体充填与排尾联合处置技术、细粒级全尾砂膏体大能力均质搅拌技术、势能负压联合作用下膏体长距离自流输送技术、基于膏体充填的缓倾斜复杂矿体高效开采技术。

（2）提出了膏体充填系统“打通工艺—提升浓度—提高强度”三步走的工业试验思路。通过试验采场的分次充填，逐步达到目标浓度和强度，从而实现了最后一次充填浓度70%～72%，实际灰砂比1:8.6的情况下，28 d充填强度1.15 MPa～2.11 MPa。

（3）中色非洲矿业有限公司作为我国企业“走出去”的成功典范，谦比希铜矿东南矿体大流量膏体充填系统成功应用是我国膏体技术“走出国门”的又一次突破。该系统目前已在矿山全面使用，为谦比希铜矿东南矿体产能达标、安全高效开采提供有力支撑。