基于矿冶固废的膏体充填工艺技术及其应用

张云韦 郭利杰 周光信 杨超

摘要：充填工艺参数的合理性，是保障采场充填质量的核心，充填质量是保障充填采矿安全回采的关键。基于冶炼渣、尾砂等一般工业固体废物制备膏体充填料浆，通过测试充填材料的基本特性，并结合充填料浆相关特性试验结果，确定了最佳的充填工艺参数：假底层充填体强度3.0 MPa，接顶层充填体强度1.0 MPa;冶炼渣和尾砂质量比（3∶7）～（5∶5）;充填料浆浓度74 %～78 %;假底层充填灰砂比1∶5，接顶层充填灰砂比1∶10;充填流量90～110 m3/h。结合矿山生产实际进行了充填系统方案设计，确定了核心工艺方案。最终经现场生产验证，所推荐充填工艺能够满足生产需求，且充填效果良好。

关键词：膏体充填;矿冶固废;充填参数;充填工艺;充填质量

中图分类号：TD853.34          文章编号：1001-1277（2021）08-0032-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20210807

充填是充填采矿法生产的关键工艺环节，充填质量与充填成本决定着矿山安全高效回采及企业的可持续发展[1]。新疆喀拉通克矿业有限责任公司（下称“喀拉通克矿”）自建矿以来，一直采用戈壁集料+水泥的粗骨料充填工艺，其存在充填成本高的问题，同时矿山生产的尾砂、冶炼渣等一般工业固体废物堆存于地表，未进行综合利用。为了降低充填成本，开展了利用一般工业固体废物冶炼渣、尾砂作为充填骨料代替戈壁集料的充填技术研究。本文通过试验研究确定了最佳的尾砂与冶炼渣的质量比及相关充填工艺参数，并结合矿山生产情况确定了相适应的充填系统工艺方案，最终在确保充填质量的前提下，大幅降低充填成本，实现了经济效益与社会效益最大化，确保了企业的可持续发展。

1 充填材料

1.1 尾 砂

1）化学成分。对充填所用尾砂进行了化学成分分析，结果见表1。

由表1可知：尾砂中SiO2、Al2O3及CaO含量较高，有利于充填体强度增长。另外，尾砂中S含量较高，尾砂浓缩过程中容易板结，且不利于强度增长。整体来看，充填所用尾砂属于一般工业固体废物，能够作为充填材料使用。

2）粒径组成。对充填所用尾砂粒径组成进行测定，结果见表2。由表2可知，充填所用尾砂属于极细尾砂，其浓缩性能较差。

1.2 冶炼渣

1）化学成分。对充填所用冶炼渣化学成分进行分析，结果见表3。由表3可知，冶炼渣中SiO2含量较高，尾砂中添加冶炼渣有利于提高充填体强度。

2）粒径组成。测定了充填所用冶炼渣的粒径组成，结果见表4。由表4可知：冶炼渣颗粒较粗，且分布比较集中，其与尾砂可形成互补，增加粗骨料含量，有利于提高充填体强度。

1.3 充填骨料物理参数

测定充填骨料基础物理参数，结果见表5。

1.4 其他材料

1）水泥。充填所用水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，密度3.000 g/cm3。

2）充填用水。对充填用水进行pH和常见阴离子检测，测定结果见表6。由表6可知，充填用水偏碱性。

2 充填工艺参数

2.1 充填体强度要求

在充填采矿过程中充填体首先需要保证一定的自立强度，否则将出现垮落现象[2]。当充填体作为自立性人工矿柱时，可将充填体高度和强度视为一对主要矛盾[3]。国内外研究人员在计算分析充填体自立强度方面做了大量的工作，提出了多个较为可靠实用的计算方法，具有代表性的主要有安庆铜矿公式、米切尔（Mitchell）法等[4]。喀拉通克矿采用下向进路充填采矿法开采，其采场进路尺寸为：宽×高×长=3.5 m×3.5 m×40.0 m。按照该尺寸，根据以上计算方法，计算得出充填体自立强度为0.444～1.571 MPa（安全系数FS=1.0）。根據经验类比法，结合下向进路充填采矿法的特点，考虑一定的安全系数得出：下向进路假底层充填体强度3.0 MPa，接顶层强度1.0 MPa。其中，假底层高2.0 m，接顶层高1.5 m。

2.2 充填骨料配比

膏体充填料浆具有不离析、不沉降及不脱水的优点[5]。由于冶炼渣密度大，所以基于冶炼渣与尾砂制备膏体时需确定最佳的添加比例，从而制备出具有膏体性能的充填料浆，且流动性能较好。同时，在保障制备合格的膏体充填料浆的前提下，应尽可能多地添加冶炼渣，从而提高充填体强度，保障充填质量。通过泌水试验及扩散度试验，最终确定冶炼渣与尾砂质量比为（3∶7）～（5∶5）时能够制备出各项指标较好的膏体充填料浆。

2.3 充填料浆浓度

充填料浆浓度是影响充填质量的关键因素，充填料浆浓度低易造成充填料浆沉降离析，导致充填强度低、充填体质量差等，从而影响回采的安全性[6]。因此，基于冶炼渣与尾砂制备的膏体充填料浆需达到均质的宾汉母体，即需要尽可能提高充填料浆浓度，同时其充填料浆还需保障具有一定的流动性及可输送性。通过流动性试验，最终确定在冶炼渣与尾砂质量比为（3∶7）～（5∶5）时，充填料浆浓度应控制在74 %～78 %。

2.4 充填灰砂比

充填灰砂比也是影响充填质量的关键因素，灰砂比越大充填体强度越高，但充填成本越高;反之灰砂比越小充填体强度越低，但充填成本较低[7]。因此，应在保障充填质量的前提下，选择适宜的灰砂比，从而降低充填成本。通过充填体强度试验，并结合下向进路充填采矿法对充填体强度需求，最终确定下向进路假底层充填灰砂比为1∶5，接顶层充填灰砂比为1∶10。

2.5 充填流量

充填流量是反映充填效率的一项重要指标，充填流量越大则充填效率越高，反之则越低。充填流量取决于充填系统制备及相应的输送管路。根据充填系统设计矿山充填流量为90～110 m3/h，对于充填倍线较小的采场采用自流输送的方式进行充填料浆输送，充填倍线较大的采场采用加压泵送的方式进行充填料浆输送。

3 充填系统方案

3.1 系统工艺流程

选矿厂尾砂通过渣浆泵输送至充填站深锥浓密机，深锥浓密机溢流清水通过渣浆泵再次输送回选矿厂浓密池，用于补充尾矿至尾矿库输送流量。深锥浓密机底流输送至立式砂仓进行存储，充填时通过立式砂仓放砂系统输送至搅拌系统。水泥通过水泥仓存储，采用微粉秤计量并输送至搅拌系统。调浓水采用流量计与电动阀门调节。冶炼渣及其他粗骨料采用皮带电子秤计量，通过皮带输送至搅拌系统。最终尾砂、冶炼渣、水泥及水通过两段卧式搅拌系统共同搅拌制备膏体料浆，制备完成的均质膏体料浆通过溜槽分别进入泵送系统或自流充填系统用于井下采场充填。具体工艺流程见图1。

3.2 尾砂供料、浓缩及回水

按照选矿厂尾砂排放浓度24 %、充填尾砂需求量1 420 t/d计算，所需尾矿料浆输送量为4 980.6 m3/d，采用每天24 h不间断输送，则每小时输送量为207.5 m3。据此按照250 m3/h供砂能力计算，设计采用16Mn无缝钢管进行尾砂输送，管道尺寸为203 mm×10 mm，此时对应输送流速为2.2 m/s。

充填供砂输送能力为250 m3/h，即进入浓密机内物料体积为250 m3/h，浓密机底流通过底流泵输送至立式砂仓，底流浓度按照68 %计算，排出尾砂干量为57.6 t，底流排出流量为47 m3/h。因此，溢流回水量为203 m3/h。设计回水管道为159 mm×6 mm，按此回水量，其回水流速为3.32 m/s。

3.3 计量与输送

1）冶炼渣计量与输送。采用配料斗+皮带电子秤的方式进行冶炼渣计量，采用输送皮带的方式进行物料输送，实现冶炼渣计量与输送。

2）胶凝材料计量与输送。矿山充填所用胶凝材料为水泥，水泥通过水泥罐车运输至充填站，采用水泥仓进行存储，水泥仓容积为400 m3。充填时通过微粉秤进行计量与输送，将水泥仓中水泥输送至搅拌系统。

3.4 料浆搅拌

由于膏体充填料浆浓度高，不易搅拌均匀，一般采用两段卧式搅拌方案进行搅拌，即一段采用浆叶式搅拌，二段采用螺旋式搅拌。但是，基于冶炼渣与尾砂共同制备的膏体料浆存在粗骨料，且冶炼渣密度较大，易沉降。针对该问题设计采用两段浆叶式卧式搅拌机进行料浆搅拌，从而达到增强搅拌的效果，保障料浆搅拌均匀。

4 充填效果

采用以上充填工艺参数进行充填，经过1年多的运行，充填系统运行可靠、工艺参数稳定，充填體强度较高，其进路假底层强度能够达到3.0 MPa，接顶层强度能够达到1.0 MPa，满足下向进路充填采矿法开采需求，充填整体质量较高。同时在充填过程中进行取样检测，冶炼渣能够在充填体中均匀分布（见图2），未出现沉积等现象，充填体均质性较好。

5 结 论

根据喀拉通克矿采用下向进路充填采矿法开采的实际，采用所确定的充填工艺参数及设计的充填系统方案，生产实践表明：

1）通过计算确定下向进路假底层充填体强度为3.0 MPa，接顶层强度为1.0 MPa的工艺参数能够满足下向进路充填采矿法开采的需求。

2）研究确定的冶炼渣与尾砂质量比（3∶7）～（5∶5），充填料浆浓度应控制在74 %～78 %及下向进路假底层充填灰砂比1∶5、接顶层充填灰砂比1∶10等工艺参数，能够满足下向进路开采所需的充填体强度，且充填体整体质量较高。

3）本文所确定充填工艺流程及系统方案，能够满足充填生产需求，充填系统运行可靠、工艺参数稳定、充填体强度较高。

4）通过生产取样检测，冶炼渣能够在充填体中均匀分布，未出现沉积等现象，充填体均质性较好，从而保障了充填体质量。

[参 考 文 献]

[1] 王新民.深井矿山充填理论与技术[M].长沙：中南大学出版社，2005：57-63.

[2] 杨小聪，郭利杰.尾矿和废石综合利用技术[M].北京：冶金工业出版社，2018.

[3] 李鑫，王炳文，游家梁，等.尾砂胶结充填体力学性能与微观结构研究[J].中国矿业，2016，25（6）：169-172.

[4] 李欣，郭利杰，许文远，等.某铁矿全尾砂胶结充填体力学性能研究[J].中国矿业，2019，28（增刊2）：402-424.

[5] 杨超，郭利杰，侯国权，等.细粒级尾矿膏体最佳排放浓度确定方法[J].金属矿山，2017（5）：29-32.

[6] 伊继申，孙素坤.三山岛金矿井下充填质量的分析[J].矿业研究与开发，2002，22（1）：26-27.

[7] 裴启涛.影响胶结充填体质量的主要因素及控制措施[C]∥中国冶金矿山企业协会.2009全国采矿新技术前沿论坛论文集.北京：中国冶金矿山企业协会，2009：99-102.

Research on paste backfill technique using mining

and smelting solid wastes and its application

Zhang Yunwei1，Guo Lijie2，3，Zhou Guangxin1，Yang Chao2，3

（1.Xinjiang Karatunk Mining Co.，Ltd.;

2.General Research Institute of Mining and Metallurgy;

3.National Center for International Research on Green Metal Mining）

Abstract：The rationality of filling process parameters is the core of ensuring the filling quality in stopes.The filling quality is the key to the safe extraction in filling mining process.Common industrial solid wastes such as smelting slag and tailings are used for the preparation of paste slurry.By testing the basic characteristics of filling materials，and based on the characteristics of paste slurry，the best filling process parameters were chosen：the filling body strength on artificial bottom layer is 3.0 MPa，the filling body strength on roof connection layer is 1.0 MPa;the mass ratio of smelting slag and tailings are （3∶7）-（5∶5）;filling slurry concentration is 74 %-78 %;filling cement-sand ratio on artificial bottom layer is 1∶5，filling cement-sand ratio on roof connection layer is 1∶10;filling flow is 90-110 m3/h.The filling system scheme is designed according to the production practice in the mine，and the core process scheme is decided.Proved in field production，the recommended filling process can meet the production requirement，and the filling effect is good.

Keywords：paste backfill;mining and smelting solid waste;filling parameter;filling process;filling quality