高建峰

（新橋礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244132）

1 概述

新橋礦業(yè)公司是一座以銅硫礦為主的露天地下聯(lián)合開采的大型礦山，采用兩步回采的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法［1］。礦山每年井下采礦形成的空區(qū)約26萬m3，充填26萬m3空區(qū)需采購江砂約24萬t，充填材料成本1 912萬元／a。同時(shí)新橋礦業(yè)公司從2013年開始走精品之路，開展為客戶創(chuàng)造附加效益的產(chǎn)業(yè)鏈，為了提高產(chǎn)品品質(zhì)，將原先含硫28%～32%的硫礦進(jìn)行選硫作業(yè)，使精礦中的硫富集達(dá)到42%以上，新建選廠選硫處理能力為150萬t／a，年尾礦實(shí)物量約27.63萬t，但是面對(duì)這么大的尾礦量怎么辦？新建一座尾礦庫，既要花費(fèi)一筆不菲的投資，又沒有合適的堆放地點(diǎn)，如能用尾礦替代江砂進(jìn)行井下充填，其效益將是十分巨大的，為此該公司進(jìn)行了全尾礦替代江砂充填試驗(yàn)研究和應(yīng)用，目前該公司已針對(duì)礦山采場(chǎng)實(shí)際完成全尾砂、粉煤灰、水泥膠結(jié)充填2萬多m3，取得了非常滿意的效果。

2 尾礦的物化性能

首先對(duì)所取尾礦樣進(jìn)行了理化分析，其化學(xué)成分見表1；物理性能見表2。通過理化分析可以掌握其中的有害成分和尾礦的力學(xué)性質(zhì)。

2.1 化學(xué)成分

表1 尾礦的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of tailings／%

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

1）從表2中可以看出，含硫尾礦粒度組成較細(xì)，0.05mm以下顆粒占60%以上，滲透系數(shù)小，黏性很大，不利于充填體脫水和快速硬化，影響充填體的強(qiáng)度。

表2 尾礦的物理性能Table 2 The physical properties of tailings

2）尾礦的一個(gè)主要特征就是黏結(jié)性較大，經(jīng)壓濾機(jī)脫水后的尾礦常常黏結(jié)成餅狀，難以分散進(jìn)入下料孔，并且進(jìn)入攪拌桶后難以充分?jǐn)噭?，室?nèi)全尾礦漿體（質(zhì)量濃度70%）測(cè)定其黏度為2～3.5Pa·s。黏性較大的尾礦在堆放過程中隨著水分的逐漸揮發(fā)，在自重作用下容易結(jié)塊。

3）粒級(jí)組成較均勻：尾礦是均勻性黏土類，制漿時(shí)容易混合，便于管道輸送，充入采場(chǎng)后將有利于減少水泥的離析。

4）尾礦的另一個(gè)主要特點(diǎn)是含硫較高，殘留的硫會(huì)與水泥中的成分發(fā)生反應(yīng)，生成膨脹性硫酸鹽晶體，降低充填體強(qiáng)度。

總體上看，含硫尾礦不是理想的充填骨料，但如果改變輸送工藝和解決膠結(jié)體膨脹的難題，仍可用來替代江砂作充填骨料［2］。

3 配比試驗(yàn)（水泥全尾礦膠結(jié)充填）

因?yàn)榉勖夯揖哂休^強(qiáng)的吸水能力，所以采取添加適量粉煤灰來改善膠結(jié)體的膨脹問題。為此采用在水泥、尾礦的混合體內(nèi)添加不同量粉煤灰，分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)確定最優(yōu)相互比例（見表3）。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The experimental results

從表3可以看出，含硫尾礦添加粉煤灰后，其后期強(qiáng)度降低不明顯，表明粉煤灰確實(shí)能夠解決高硫尾礦膠結(jié)充填體易膨脹的難題［3］?？紤]到經(jīng)陶瓷過濾機(jī)脫水后的含硫尾礦易黏結(jié)成塊，影響輸送和攪拌效果，特別進(jìn)行了低濃度試驗(yàn)，即模擬通過濃密機(jī)濃縮后的礦漿（質(zhì)量濃度40%，可通過泵送入充填站攪拌桶內(nèi)），直接添加水泥和粉煤灰，濃度為53%時(shí)的試塊，但結(jié)果表明強(qiáng)度達(dá)不到要求，而且大幅度增加井下脫水量和水泥流失量，不符合要求［4］。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決定采用水泥∶粉煤灰∶尾礦之比為1∶2∶6，質(zhì)量濃度為70%的配比參數(shù)作為生產(chǎn)中的實(shí)際數(shù)據(jù)。粉煤灰是具有一定活性的火山灰質(zhì)材料，其化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和未燃盡的炭粒，作為混凝土中的摻合料已被很多工程實(shí)踐證明：添加粉煤灰不僅可以節(jié)約水泥，降低成本，而且能夠改善混凝土性能，提高其后期強(qiáng)度，增加混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性，提高其彈性模量和減少壓縮，因此也同樣可用于礦山充填，能夠改善管道輸送漿體的流動(dòng)性和充填固料的懸浮性能，有效提高充填體后期強(qiáng)度，降低水泥單耗和充填成本。

4 充填實(shí)踐與分析

在試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，由長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，礦業(yè)公司投資2 000多萬元進(jìn)行充填站建設(shè)。設(shè)計(jì)采用的流程為選硫尾礦經(jīng)濃密機(jī)濃縮后由渣漿泵排至充填站立式砂倉內(nèi)；同時(shí)向砂倉內(nèi)加入絮凝劑以加速尾砂沉降，上部清水可用潛水泵抽出；對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行膠結(jié)充填時(shí)，將砂倉內(nèi)尾砂放入攪拌桶內(nèi)，同時(shí)按配比要求加入固結(jié)料（水泥、粉煤灰），充分?jǐn)嚢韬蠼?jīng)充填管道下放至采空區(qū)。

整個(gè)充填站按設(shè)計(jì)要求建成后，2013年9月，在選礦廠選硫設(shè)計(jì)、改造、試生產(chǎn)正常后［5］，礦業(yè)公司組織相關(guān)部門對(duì)井下空區(qū)E103＃、W205＃采場(chǎng)進(jìn)行了試充填。由于本次充填是礦柱充填，為確保質(zhì)量，調(diào)整充填物料質(zhì)量比為水泥∶全尾砂（干量）＝1∶4，充填料漿質(zhì)量濃度為70%，立式尾砂倉出料濃度大于等于60%，攪拌桶液位控制在2m高度，充填輸送能力設(shè)為100m3／h。在充填正常1h后制作兩組0.7m×0.7m×0.7m的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模塊，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示抗壓強(qiáng)度達(dá)1.3～3.2MPa。礦柱充填經(jīng)脫水養(yǎng)護(hù)后，充填體強(qiáng)度較好，工人可在上面行走，效果見圖1。但也發(fā)現(xiàn)存在干縮開裂的問題，見圖2。局部地方強(qiáng)度不足，工人在上面行走有下陷現(xiàn)象，見圖3。

圖1 充填效果Fig.1 The filling effect

圖2 微小裂縫Fig.2 Tiny cracks

圖3 下陷現(xiàn)象Fig.3 Subsidence phenomenon

對(duì)此，我們經(jīng)過技術(shù)分析認(rèn)為充填體干縮開裂及強(qiáng)度不足的原因應(yīng)為：1）選礦廠濃密機(jī)底流濃度較低，有時(shí)未能達(dá)到40%；2）充填現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)定尤其是自動(dòng)配比測(cè)定的精度和時(shí)間的及時(shí)性不足；3）干縮開裂的原因是未加粉煤灰，致使水分流失較快；4）更重要的是尾礦含細(xì)泥較多，沒有進(jìn)行脫泥分級(jí)，使得骨料相對(duì)不足引起強(qiáng)度下降。

在充分汲取經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)不斷完善配比，來指導(dǎo)今后的充填工作，在實(shí)際充填中對(duì)參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整，可將充填料的質(zhì)量比例調(diào)整為水泥∶粉煤灰∶全尾砂＝1∶2∶6。充分發(fā)揮粉煤灰在改造殘留硫元素中的作用。

通過試驗(yàn)和實(shí)踐證明，經(jīng)過粉煤灰改性后的全尾礦是能夠取代江砂進(jìn)行膠結(jié)充填的。這對(duì)新橋礦業(yè)公司的意義是巨大的，因?yàn)樵摴镜牡V體特點(diǎn)是緩傾斜中厚難采礦體，采用的是上向水平分層充填采礦法，大面積充填體條件下要做到安全、均衡、高效連續(xù)開采是非常困難的，解決這一難題的首要因素就是充填體的質(zhì)量，該礦充填系統(tǒng)也曾經(jīng)歷多次改造，從塊石充填、尾砂充填、高水材料充填［5］，到添加粉煤灰的尾礦充填，再到江砂膠結(jié)充填［6］等等，走了不少彎路，雖然添加粉煤灰的尾礦充填曾經(jīng)也試驗(yàn)過，但沒有獲得成功，更沒有大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。而現(xiàn)在則不同，自己的選硫裝置已經(jīng)開機(jī)生產(chǎn)，自產(chǎn)尾礦量較大，試驗(yàn)和實(shí)踐表明了充填體質(zhì)量是可靠的，能夠大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)，這不但可以解決尾礦堆放問題，還可以取代江砂可謂一舉多得。

本次試驗(yàn)與實(shí)踐的最大特點(diǎn)不是以尾礦替代江砂，而是含硫達(dá)8%的尾礦經(jīng)粉煤灰改性后，中和了酸性和改善了充填體后期強(qiáng)度，這也可以說是本次研究的核心技術(shù)突破，具有一定的自主原創(chuàng)性。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

按井下90萬t／a的生產(chǎn)能力計(jì)算，每年需要充填的空?qǐng)鰹?6.8萬m3，按上述比例進(jìn)行全尾礦充填，需混合固體物料36.019萬t，其中水泥4.002萬t，粉煤灰8.004萬t，尾礦24.012萬t。以散裝水泥250元／t、粉煤灰60元／t、尾礦運(yùn)輸8元／t計(jì)算，則充填成本為1 672.836萬元／a，比江砂作骨料充填要節(jié)約成本240.12萬元／a（江砂按18元／t計(jì)）。在對(duì)現(xiàn)有充填站進(jìn)行改造后即可投入生產(chǎn)，既解決了尾礦堆存問題，又節(jié)約了成本，為創(chuàng)造綠色礦山做出實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。

［1］ 王湘桂，唐開元 .礦山充填采礦法綜述［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008（12）：18.

［2］ 中南大學(xué)，新橋礦業(yè)公司.新橋礦業(yè)有限公司選廠改造尾礦處理方案優(yōu)化研究［R］.2010.

［3］ 長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院 .銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［R］.長(zhǎng)沙，2010.

［4］ 中南大學(xué)，新橋礦業(yè)公司 .大面積充填體下緩傾斜中厚難采礦體安全、均衡、高效開采工藝技術(shù)研究［R］.2012.

［5］ 孫恒虎，劉文永，楊寶貴，等 .充填采礦新模式——高水固結(jié)充填采礦法［J］.有色金屬（礦山部分），1996，48（3）：7－8.

［6］ 趙 勇，張 花，張兆林，等 .上向分層膠結(jié)充填采礦法在侯莊礦區(qū)的應(yīng)用［J］.山東冶金，2006（3）：37.