废石胶结充填工艺研究

郭文晶，徐辉

(1.矿冶科技集团有限公司， 北京 100160；2.西藏华钰矿业股份有限公司， 西藏 拉萨 851400)

0 引言

随着技术的发展和国家对环保要求的逐步提高，充填采矿法因其能够最大限度地回收矿产资源、保护地表环境和建（构）筑物，已成为金属矿山最主要的采矿方案之一[1-4]。充填体材料关系到 充填成本，在全尾砂不能满足充填需求时，矿山常用废石作为充填骨料来充填[5-7]。废石作为充填材料，因料浆强度高，凝结时间短，能实现井下采、充快速转换，满足井下充填采矿要求而受到广泛应用[8-9]。

某矿由于选矿尾砂含氰化物，无法用作充填材料，一直外购铁矿石尾砂充填，至使井下采空区逐年积累，地压活动显现，部分地区地表沉陷明显，亟需对老采空区进行充填处理，因此需要增加一套充填系统，充分利用矿山生产废石处理井下采空区。

根据某矿充填存在的问题及提出的相关技术要求，以解决废石破碎技术难题、提高充填体早期强度、满足矿山充填系统输送工艺、实现破碎废石全粒级充填应用、设计顺畅稳态的充填系统工艺流程为主要目标，开展研究设计工作。

1 废石破碎工艺方案

利用废石作为充填材料实现磨砂充填自流输送，必须对废石原样进行破碎、筛分和粉磨等工艺处理。破碎站站址初步确定为现有充填筛沙站东侧空地。布置破碎站设备设施后的空地用于建设充填骨料堆场，可存储5～10 t的充填骨料，能满足矿山充填采矿能力要求，且废石破碎站与筛沙站地势上存在高差，可为废石破碎站的设备布置提供天然的地势优势，节省能耗。

1.1 充填用碎石要求

充填是在地表将骨料和胶凝材料及水按一定比例制备成和易性良好的结构流体，通过管道输送至井下采场。破碎废石充填骨料要求如下：

（1）骨料中含有一定比例的极细细颗粒，镶嵌在粗骨料中，具有黏聚性，并在管道输送中形成管壁润滑层；

（2）骨料最大粒径＜输送管道内径的1/5； （3）成品骨料总含水率＜20%，以确保充填料浆制备浓度合理；

（4）在保证和易性条件下，成品骨料越粗，破碎及充填成本越低。

充填用全粒级废石破碎虽可借鉴选矿矿石破碎和建筑行业机制砂制备理念，但其要求远不相同，具体表现在工艺过程、设备配置和成品管理上。

针对矿山开采技术条件，尤其是充填系统工艺和井下废石含水、含泥情况，初步拟定干式破碎工艺和湿式破碎工艺两种废石破碎工艺方案。

1.2 干式破碎工艺

废石由装载机上料至料斗，经底部给料机输送至粗破破碎机，粗破后的废石再经中细破碎机破碎后制成充填骨料堆存待用。

该工艺适合于矿山废石含水含泥量较小时使用，在中细碎时不堵塞破碎机，不会形成泥质细骨料在破碎机中反复研磨的条件。为提高破碎效率并 避免物料反复研磨，在中细破前增加振动筛分，将粗破时制备的部分成品提前筛出。工艺流程如图1所示。

图1 干式破碎工艺流程

当物料含水、含泥量波动，可采用提前备料、加大筛网参数、调整破碎机及参数、局部水洗等 措施。

1.3 湿式破碎工艺

废石由装载机上料至料斗，经底部给料机输送至粗破破碎机，粗破后的废石经皮带进入振动筛分机加水湿式筛分，筛下产物进入高频振动筛脱水，筛上产物经闭路皮带进入圆锥破碎机进行二段破碎，二段破碎产物进入1#皮带与一段破碎产物混合。高频振动筛脱水后的骨料，输送至骨料堆场储存，溢流作为振动筛分机湿式筛分的洗砂水循环使用，待洗砂水循环至一定质量浓度时，输送至充填站搅拌系统当调浓水使用。

该工艺适合于矿山废石含水含泥量较大时采用，在中细破时严重堵塞破碎机，泥质细骨料在破碎机中反复研磨，破碎效率太低，成本极高。工艺流程如图2所示。

图2 湿式破碎工艺流程

1.4 破碎工艺的论证

采用井下掘进废石作为充填骨料，P.C42.5水泥作为胶凝材料。

对废石原样采用筛分称重法对其粒度进行分析，测试结果见表1。

表1 偏黄色废石原样粒级分布

干式破碎工艺简单，流程短，成本低，但对矿山废石含泥含水有一定要求；湿式破碎对含泥含水适应性强，将细颗粒泥浆用于调节充填料浆制备，确保料浆和易性，但工艺复杂，成本高。类比类似矿山充填用废石破碎工艺，综合考虑建设投资与破碎需求，选择干式破碎工艺作为某矿的废石破碎 方式。

2 充填材料试验

开展充填材料试验研究，充分掌握井下废石的物理化学特性，为粒级配比的设计、充填料浆质量浓度设计和充填配比设计提供理论依据，为废石胶结充填工程设计提供支撑。

将原样全部处理至粒径3 mm以下时反复进行了配料、搅拌和料浆塌落度测试，经过分析，认为料浆细粒级颗粒相对较少，料浆易沉降离析、和易性相对较差，不利于管道自流输送。然后对试样重新进行筛分和棒磨，将原样全部处理至粒径2 mm以下，并对破碎后的废石用1 mm和2 mm的塞子进行筛分分级为＜1 mm和1～2 mm废石试样。

2.1 废石试样物理性质

废石试样物理参数测定结果见表2～表3。

表2 细试样（＜1 mm）物理参数

表3 粗试样（1～2 mm）物理参数

2.2 充填料浆输送性能分析

决定充填料浆结构流输送性能的两个基本要素是充填料粒径组成及料浆质量浓度。为了确定充填材料配比参数，进行了试样的塌落度试验来确定料浆的流动特性。

试验测得的无水泥试样料浆坍落度试验结果见表4。由表4可知，试样配比为1:3、料浆质量浓度为80%及以上时，料浆状态较稠，不利于管道自流输送；当试样料浆质量浓度为78%以下时，塌落度均为27 cm以上，料浆流动性好，可实现管道自流输送；当浓度在72%及以下时，塌落度虽为28 cm以上，但料浆产生离析，容易堵管不利于管道的自流输送；试样配比为2:3时，料浆和易性相对较差，料浆容易离析，不利于管道的自流输送；试样配比为1:1时料浆极易离析且不能形成均质体。试验过程中粗颗粒沉降较快，为保证料浆的均质和易性，在料浆制备过程中不断搅拌。经过反复试验，认为将废石样全部处理至粒度2 mm以下，且1～2 mm废石粗试样与1 mm以下废石细试样配比为1：3及以下时，可以达到矿山充填料浆的自流输送要求。按照废石粗试样（1～2 mm）与废石细试样（＜1 mm）配比为1:3进行深入试验研究。

表4 无水泥试验料浆坍落度试验结果

2.3 充填料浆强度性能分析

利用既定的棒磨砂试样开展了充填料强度配比试验，结合试验过程和试验结果作出如下分析。

（1）从试块强度试验结果来看，在选定的充填材料组份条件下，实验室试块强度取决于灰砂比和充填料浆质量浓度。充填料浆质量浓度为80%和74%，灰砂比1:6时，3，7，28 d单轴抗压强度分别为2.013，0.986，2.481，1.245，4.145，2.382 MPa；灰砂比为1:20时，3，7，28 d单轴抗压强度分别为0.213，0.105，0.306，0.136，0.410，0.212 MPa。

（2）在相同条件下，灰砂比对充填试块强度的影响比充填料浆质量浓度大，如：灰砂比1:4、质量浓度74%的试块强度要比灰砂比1:8、质量浓度80%的试块强度大。

（3）充填料强度配比试验测试结果证明，水泥+棒磨砂充填料浆制备的充填体强度正常，能够满足矿山采矿方法对充填体提出的不同强度指标和要求。

2.4 充填料浆凝结性能分析

废石试样充填料浆凝结试验结果见表5。由表5可知，使用325水泥灰砂比1:4～1:16，质量浓度74%～80%的充填料浆，初凝最快为4.5 h、最慢为8.5 h，终凝最快为7 h、最慢为25.5 h；使用425水泥灰砂比1:6～1:20，质量浓度74%～80%的充填料浆，初凝最快为5 h、最慢为8 h，终凝最快为7.5 h、最慢为26 h。随着料浆质量浓度的增大，凝结时间相应减少；随着水泥的增加，凝结时间相应减少。

表5 试样充填料浆凝结试验结果

3 充填工艺

破碎后的废石堆存至充填骨料堆场待用，在水泥仓上部安装除尘器，仓底部周围安装高压风喷嘴破拱装置，漏斗下接螺旋输送机。

充填时，水从矿山高位水池直流至搅拌站水池，调浓水由潜水泵上至水称，定量计量后经增压泵给入搅拌机内。洗管和润管时，水直接由矿山高位水池直接给入充填混凝土拖泵的泵斗内。

破碎后的废石、水泥和水在强力搅拌机中充分搅拌后，经导流槽卸料至充填泵泵斗，由充填泵加压后经充填管道泵送至充填区域进行充填。

充填开始时，先行冲洗充填管道，见充填采场回复信号后，充填站内制浆系统再启动，采场充填预计将要结束时发出停止信号，充填站得到停止信号后，立即停止给灰和供砂，所剩砂浆流完后相继停车，用清水柱将管内剩余料浆泵送至采场。

根据设计的充填工艺，开展充填系统建设工作，充填系统的各个部分建设完成经过整体调试运行后均可正常运行。充填料浆进入采场后不脱水、不离析，且在采场中能够基本流平，整体性好。保障安全生产的同时实现了资源节约，具有显著的社会、经济和环境效益。

4 结论

（1）类比同类型废石破碎工艺，综合考虑建设投资与破碎需求，选择干式破碎工艺。

（2）通过开展充填材料试验，证明将废石样全部处理至粒度2 mm以下，且1～2 mm废石粗试样与1 mm以下废石细试样配比为1:3及以下时，可以达到矿山充填料浆的自流输送要求，其强度和凝结时间也能够满足矿山采矿方法对充填体的不同要求。

（3）设计的废石胶结充填，充填料浆进入采场后不脱水、不离析，且在采场中能够基本流平，整体性好，解决了尾砂含氰化物无法用于充填，充填站长期购买尾砂充填，运输成本高的难题。在保障安全生产的同时实现了资源节约，具有显著的社会、经济和环境效益。