劉豐韜 丁劍鋒 陳國平 李樹磊 王京生 周 波

深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)研究

劉豐韜1丁劍鋒2陳國平2李樹磊1王京生1周 波1

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東萊州，261441;2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司，山東萊州，261441)

新城金礦井下采用“豎井+輔助斜坡道”聯(lián)合開拓方式，機(jī)械化盤區(qū)上向分層充填采礦法回采。目前，井下生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到6 000 t/d。礦山深部充填采礦存在充填管線長、局部充填倍線高達(dá)12.5，且管路直角彎多，管路磨損嚴(yán)重，監(jiān)護(hù)困難，充填過程中堵管以及跑漏等難題。通過深入研究新城金礦充填倍線、充填濃度以及充填流量三者關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化充填線路，研究比較充填管材性能，合理選擇充填管道，降低管路阻抗。結(jié)果表明:在砂倉添加Minefill309，在副桶內(nèi)添加Minefill501新型化學(xué)試劑改善砂漿流動特性，充填濃度穩(wěn)定在75% ～78%之間，實現(xiàn)了穩(wěn)定自流輸送，防止了充填料漿離析，減少了管路磨損，管路使用壽命延長1倍以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。新城金礦深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)空白。

深井 長距離 大倍線 高濃度 自流充填技術(shù)

新城金礦地處膠東半島萊州灣畔，隸屬于山東黃金集團(tuán)，始建于1975年，1980年建成投產(chǎn)。截止到2012年底，累計生產(chǎn)黃金64.15 t，實現(xiàn)利潤33.95億元，黃金產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和礦山機(jī)械化程度在全國同行業(yè)中一直名列前茅。自建礦以來，為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展，歷經(jīng)3次大的改擴(kuò)建，由建礦初期的500 t/d擴(kuò)大到6 000 t/d生產(chǎn)規(guī)模。礦山井下采用“豎井+輔助斜坡道”聯(lián)合開拓方式，機(jī)械化盤區(qū)上向分層充填采礦回采［1-4］。

1 地質(zhì)與開采技術(shù)條件

新城金礦主要由I#和V#2個礦體組成。I#礦體位于－20～－630 m標(biāo)高，143#～193#線間，礦體進(jìn)入－480 m后，礦體由厚變薄，品位也變低，至－630 m水平尖滅。V#礦體為盲礦體，位于－430～－732 m標(biāo)高(深部見礦孔尚未尖滅)，159#～191#線間，走向長度短，礦體厚大，水平面呈橢圓形，傾角40°左右。由于I礦體上部各中段礦體基本采完，僅存少量殘柱和下部數(shù)個逐漸尖滅的分枝礦體。礦山目前主要回采礦體是V#礦體，主要開拓水平為－580 m。

新城金礦采掘深度至－730 m水平，同時上部閉坑中段兩翼采場重新安排復(fù)采，充填管路多被動布置在大巷和回風(fēng)巷中，增加了管線長度，充填管線長、倍線大，且管路直角彎多，管路磨損嚴(yán)重，監(jiān)護(hù)困難，充填過程中堵管以及跑漏現(xiàn)象時有發(fā)生。充填倍線超過6.5就不能實現(xiàn)自流充填，但新城金礦局部充填倍線最大12.5。因此，進(jìn)行深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)研究勢在必行。

2 深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)研究

2.1 充填添加劑作用機(jī)理

2.1.1 充填劑Minefill 309作用原理

(1)Minefill 309為一種高分子共聚的水溶性聚合物，摻入高濃度的尾砂流變阻力(屈服壓力值)平均降低幅度接近45%，如濃度為73%的尾砂不摻Minefill 309的屈服壓力值為159 Pa，摻0.5 kg/t的Minefill 309后尾砂的屈服壓力值僅為86 Pa。

(2)摻用Minefill 309后，砂倉的沉砂過程中粗細(xì)顆粒在網(wǎng)格狀分子結(jié)構(gòu)的作用下均勻混合，整體沉降，整體蠕動，形成一個流動的空間結(jié)構(gòu)，讓各種粒徑的顆粒物體和水分子形成一個均勻流動體。級配優(yōu)化劑(Minefill 309)使尾砂沉積速度加快50%以上。而且各種粒級的顆粒同時沉積，完全避免了自然沉降中所出現(xiàn)的粗細(xì)顆粒的分層現(xiàn)象，從而使砂倉底流能連續(xù)均勻放砂，并無需每3～4個月周期停工對砂倉進(jìn)行清理與維護(hù)。Minefill 309的工作原理如圖1所示。

2.1.2 充填劑Minefill 501作用原理

(1)該充填劑由聚合物分子鏈形式分散于充填料漿中，該分子鏈同時帶有電荷、通過電荷排斥工作原理，使膠結(jié)物顆粒相互排斥，達(dá)到顆粒均勻分布的效果，進(jìn)而提高了充填體的強(qiáng)度。Minefill 501的長鏈結(jié)構(gòu)讓充填料漿的穩(wěn)定性提高，達(dá)到無離析，流變阻力小。Minefill 501充填劑的分散原理如圖2所示。

(2)不摻Minefill 501的充填料漿出現(xiàn)離析，水泥漿液隨排水而流失(例如地表灰砂比按1∶6設(shè)計的料漿到達(dá)采場空區(qū)的充填體可能只有1∶8，顯然水泥比例流失了20%)，進(jìn)而降低了充填體的強(qiáng)度。摻用Minefill 501后，排干的水為清水，不帶出水泥顆粒，沒有水泥流失，充填體的強(qiáng)度得到保證。

圖1 Mill 309充填劑作用原理Fig.1 Action principle of Mill309 filling agent

(3)采用化學(xué)充填劑Minefill 501的充填料漿因其均勻、密實、高濃度、早濾干、無膠結(jié)細(xì)料流失而形成高的抗壓強(qiáng)度。通過提高充填濃度，達(dá)到提高充填體的力學(xué)指標(biāo)，加快分步采礦的循環(huán)，提高效率與產(chǎn)量。通過實驗，灰砂比為1∶4時，取多組不同濃度砂漿制作試塊，分別測定1 d強(qiáng)度和3 d強(qiáng)度;灰砂比為1∶10時，取多組不同濃度砂漿制作試塊，分別測定3 d和28 d充填體強(qiáng)度。具體數(shù)據(jù)如圖3～圖4所示。

2.2 未添加充填試劑時充填倍線、充填濃度以及充填流量關(guān)系研究

充填倍線指充填管線長度與垂高的比值，它是自留輸送的一個重要參數(shù)，它的大小標(biāo)志著自留輸送的范圍。管道自留輸送充填倍線一般不大于5～6，超過這個范圍一般需要加壓輸送［5-6］。

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，取代表性采場作為實驗地點，通過調(diào)整充填濃度變化，得出充填倍線、充填濃度以及充填流量三者曲線關(guān)系圖如圖5所示。

圖2 Minefill 501充填劑的分散原理Fig.2 Dispersion principle of Minefill 501 filling agent

圖3 充填體1、3 d強(qiáng)度關(guān)系曲線(灰砂比1∶4)Fig.3 Curve of paste concentration and 1，3 d filling strength(the ratio of cement and tailings 1∶4)

(1)在充填倍線一定時，充填流量隨著充填濃度的增加逐漸降低;當(dāng)充填濃度達(dá)到72%以上時，充填流量變化較大，是現(xiàn)有條件下的極限充填濃度。

(2)充填倍線越大，在同等充填濃度條件下，充填流量越小，充填效率越低。

(3)充填濃度最大為72%時，隨著充填倍線的增加，充填流量逐漸降低，變化范圍在70～88 m3/h之間，當(dāng)局部充填倍線超過10以上時，充填流量變化較大，堵管現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖4 充填體3、28 d強(qiáng)度關(guān)系曲線(灰砂比1∶10)Fig.4 Curve of paste concentration and 3，28 d filling strength(the ratio of cement and tailings 1∶10)

圖5 充填倍線、充填濃度以及充填流量三者關(guān)系曲線(未添加外加劑)Fig.5 Curve of filling times line，filling concentration and filling flow(without admixture)

(4)充填倍線對井下充填的影響是顯著的。在一定范圍內(nèi)可以通過適當(dāng)降低充填濃度來增大充填流量，保證正常充填;但當(dāng)充填倍線超過一定數(shù)值(10)時，充填效率會顯著降低，同時存在堵管隱患。

2.3 選擇充填外加劑，提高充填濃度，改善砂漿流變特性

選取添加劑水玻璃、Minefill 501、Minefill 309分別進(jìn)行實驗比對，水玻璃雖然在改善稠度、解決充填分層離析、提高充填穩(wěn)定性和充填強(qiáng)度方面有一定的效果，但是存在計量無法控制，添加量少效果不明顯，添加數(shù)量大，易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，且在充填體內(nèi)強(qiáng)度分布不均勻。

通過添加Minefill 501充填劑，提高充填料漿的濃度，進(jìn)而提升相應(yīng)流變性能與力學(xué)指標(biāo)。實驗表明，添加充填化學(xué)劑以后，充填濃度可以提高到75%～78%。采用Minefill 309流變助劑從砂倉頂部添加，改善沉砂的速度與整體性，達(dá)到砂倉底流的高濃度尾砂的持續(xù)供應(yīng)。添加充填試劑后實現(xiàn)連續(xù)充填，尾砂濃度一直穩(wěn)定在75% ～78%，操作工人無需頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)壓與水量，下砂過程平穩(wěn)。

實驗結(jié)果與結(jié)論如下:

(1)Minefill 309流變劑可使現(xiàn)有的砂倉沉降效率提高50%，沉砂速度加快，配合雙系列充填的有效實施，節(jié)省砂倉的建設(shè)投資費(fèi)用。

(2)充填濃度穩(wěn)定在75% ～78%之間，有效實現(xiàn)了長距離、大倍線、高濃度持續(xù)充填，填補(bǔ)國內(nèi)高濃度自流充填理論與實踐的空白。

(3)改善后的充填料漿的屈服壓力值僅為原來的充填料漿的55%，有效解決了深井高倍線充填面臨的一系列難題。

(4)濃度提高后，砂漿含水量明顯降低，平均充填濃度由68%提高到75%，每100 m3砂漿含水量減少9 m3，每天充填流量按2 200 m3計算，每天可有效節(jié)約排水200 m3，有效降低排水能源消耗。

(5)充填料漿的流變性能改善后，其流速提高，保證高濃度砂漿穩(wěn)定自流輸送，平均充填流量由90 m3/h提高到110 m3/h，提高幅度接近22%，充填生產(chǎn)效率提升。

(6)Minefill 309解決砂倉尾砂的高濃度與底流放砂難的問題，使得高濃度的充填料漿在Minefill 501充填劑的作用下施工順暢、效率提升，充填濃度穩(wěn)定在75%～78%。

(7)不加充填外加劑，管路正常輸送540 000 m3，添加充填外加劑以后，管路輸送1 200 000 m3，管路輸送增加1倍。

添加外加劑充填濃度、充填流量以及充填倍線三者關(guān)系如圖6所示。

圖6 充填倍線、充填濃度以及充填流量三者關(guān)系曲線(添加外加劑)●—充填倍線為6;■—充填倍線為8;▲—充填倍線為10;×—充填倍線為12Fig.6 Curve of filling times line，filling concentration and filling flow(with admixture)

2.4 充填管材選型和管路布置研究

對井下廢舊管路分段切割，發(fā)現(xiàn)管路磨損主要發(fā)生在接頭位置和轉(zhuǎn)彎位置，彎頭切割后會發(fā)現(xiàn)切割槽。彎頭角度越接近90°時，管路磨損越嚴(yán)重，為此適當(dāng)增大彎頭角度(135°～145°)，可有效降低管路磨損。通過研究耐磨管材的優(yōu)缺點，選用鋼壁復(fù)合管和雙金屬管道作為井下主管路。

3 應(yīng)用效果和作用

新城金礦通過在砂倉內(nèi)添加Minefill 309，可有效提高沉砂效率，為井下充填提供穩(wěn)定的高濃度砂漿，充填濃度可穩(wěn)定在75% ～78%之間;在副桶內(nèi)添加Minefill 501，可有效改善砂漿流變特性，保證高濃度充填的穩(wěn)定自流輸送，提供充填效率，保證充填穩(wěn)定性。

(1)充填料漿的流變性能改善后，其流速提高，保證高濃度砂漿穩(wěn)定自流輸送，單位時間的流量提高，充填生產(chǎn)效率提升。充填管道壓力的實測結(jié)果:管線壓力降低，流速加快。摻入化學(xué)充填劑管線壓力顯著減小，部分管線壓力由1 kN降低至0.65 kN，流量由60 m3/h提高到70 m3/h。

(2)充填料漿在管路中以層流/結(jié)構(gòu)流的形式流動，料漿均勻整體性提高后能在充填管壁形成潤滑層，保護(hù)管壁與砂的之間磨蹭進(jìn)而減少沖擊力與摩擦力，充填管道使用壽命延長1倍以上。

(3)提高尾砂的連續(xù)高濃度放砂、添加膠結(jié)物(水泥、細(xì)料等)、摻用充填劑Minefill 501，實驗結(jié)果顯示可將充填料漿的濃度提高到75% ～78%，相比原來的65%～68%的平均充填濃度，其優(yōu)勢體現(xiàn)如下:以65%濃度充填體計算，每立方米充填料中水的質(zhì)量為580 kg，固體干料1 092 kg(密度2.6 g/cm3計)，排出的水約200～250 kg。當(dāng)濃度提高到75%時，每立方米充填料漿水的質(zhì)量為460 kg，固體干料1 400 kg，排出的水約90 kg。故井下水倉的排水量減少60%以上，而且排出的水中不含水泥，對水泵的磨損也降低。以1 d充填1 500 m3計算，可減少排水200 t/d。

(4)雙系列充填的實施，節(jié)省了砂倉的建設(shè)投資費(fèi)用，實現(xiàn)了長距離、大倍線、高濃度持續(xù)充填。

(5)充填工藝改造前，新城金礦采場回采周期平均為30 d，充填周期為3 d，養(yǎng)護(hù)時間為1 d;工藝改造后，現(xiàn)今可實現(xiàn)零養(yǎng)護(hù)作業(yè)，在1個采充周期內(nèi)可增加1 d回采時間。

(6)經(jīng)濟(jì)效益估算:①充填強(qiáng)度的提高，降低了貧化損失率，每年可增加效益近5 000萬元;②添加充填外加劑以后，有效減少管路磨損，提高管路壽命近1倍;③以往管路每年更新2次，需要EVA礦用管近1 7000 m，需要?133 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管近3 000 m，需要?108 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管近3 000 m，管材費(fèi)用240萬元，人工費(fèi)為40萬元;④添加充填外加劑以后，EVA礦用管每年節(jié)約7 000余m，?133 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管節(jié)約1 300余m，?108 mm×6 mm超高分子量聚乙烯管節(jié)約1 500余m，管路每年更新1次可節(jié)約材料費(fèi)和人工費(fèi)160萬元;⑤砂倉內(nèi)添加充填外加劑，可有效降低溢流濃度，提高粗顆粒砂利用率，每年可降低尾砂排放費(fèi)用近100萬元;⑥每天可有效節(jié)約排水200 m3，有效降低排水能源消耗10萬元/a;⑦節(jié)省砂倉的建設(shè)投資費(fèi)用3 000萬元，為明年選礦處理量達(dá)6 300 t/d奠定了基礎(chǔ)。綜上所述，該技術(shù)每年可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益8 270萬元。

4 結(jié)語

新城金礦深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)通過添加Minefill 309、Minefill 501充填外加劑，有效提高了深井充填效率，避免了堵管爆管，保證了高濃度砂漿穩(wěn)定長距離輸送系統(tǒng)的安全性，有效提高了充填效率及充填體強(qiáng)度，解決了新城金礦深井充填的難題。國內(nèi)外很多礦山采掘深度超過500 m，有些礦山甚至延伸至1 000 m以下，充填倍線增大，砂漿自流速度慢，充填效率低，管路磨損快且維護(hù)困難。國內(nèi)膏體充填已有比較成熟經(jīng)驗，但該技術(shù)僅僅局限于泵壓輸送，新城金礦深井長距離大倍線高濃度自流充填技術(shù)實施簡單，實現(xiàn)了深井高倍線條件下膏體砂漿穩(wěn)定自流輸送，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)空白，使用范圍廣，可為國內(nèi)外其他礦山相關(guān)領(lǐng)域研究提供依據(jù)和借鑒。

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Study on the High-density Gravity-flow Backfilling Technology of Deep-well Long-distance with Large Time Line

Liu Fengtao1Ding Jianfeng2Chen Guoping2Li Shulei1Wang Jinsheng1Zhou Bo1
(1.Shandong Gold Group Co.，Ltd.Xincheng Gold Mine，Laizhou 261441，China;2.Shandong Gold Group Co.，Ltd.，Laizhou 261441，China)

Xincheng Gold Mine employ the shaft and auxiliary ramp development mode，and mechanized panel upward backfill mining.At present，the scale of production reaches 6 000 t/d.Many problems exit in the deep-well backfill mining of Xincheng Gold Mine，including long backfilling pipeline，partial filling times line up to 12.5，many pipeline quarter turns，serious pipe wear out，difficult guardianship，pipe blockage and mortar leakage in the backfilling process.Through the study of the relationship of filling times line，backfilling density and backfilling flux of Xincheng Gold Mine，we optimize the backfilling line;backfilling pipeline performance was studied comparatively and the backfilling pipe was choosed reasonably to reduce the pipeline impedance;through experimental research，Minefill309 was added in storehouse，and a new chemical reagent Minefill501 was added in vice bucket to improve mortar flow characteristics，which could prevent slurry segregation，reduce pipeline abrasion，increase service life of pipeline more than doubled，and achieve considerable economic benefit.The filling concentration is stable between 75%～78%.The technology fills in the blank of theory and practice of the high-density gravity-flow backfilling，which can provide promotion and guidance for the industries at home and abroad.

Deep-well，Long distance，Large times line，High density，Gravity-flow backfilling technology

TD323，TD407

A

1001-1250(2014)-02-040-05

2013-11-03

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2012BAB08B01)。

劉豐韜(1975—)，男，工程師。

(責(zé)任編輯 石海林)