萬林海,江 科,劉冬春

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

鎢金屬是現(xiàn)代國防和高精尖技術(shù)不可或缺的材料，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、合金等領(lǐng)域，近年來我國鎢的整體消費持續(xù)快速增長，生產(chǎn)量和消費量均居世界首位，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和供給側(cè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，對高精材料的需求與日俱增，能否合理開發(fā)利用鎢資源將直接影響國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展[1-3]。我國早期鎢資源開采方式中空場法的比例較大，具有開采成本較低、簡單易實行等優(yōu)點，但其遺留空區(qū)經(jīng)過長年的開采擾動及地應(yīng)力變化的影響，已成為重大的危險源，同時大量礦柱無法回采，造成資源浪費，不利于企業(yè)乃至行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

安全是礦山發(fā)展的先決條件，在保證安全環(huán)保的前提下提高資源的有效利用率是企業(yè)追求的核心目標(biāo)，鎢礦山采用充填采礦法是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段，充填法能最大限度地回收金屬資源、保證井下采礦安全、有效減少固體廢物的排放。充填成本較高是企業(yè)推廣應(yīng)用充填法的阻礙因素之一，如何合理地降低成本是充填工藝研究的重點，國內(nèi)外針對充填成本的影響因素研究較多，主要是膠凝材料的研發(fā)及對灰砂比的優(yōu)化，減少充填中膠凝材料的用量以達(dá)到降低成本的目的，這些研究工作應(yīng)用于具體礦山的充填作業(yè)中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。但上述研究中大多未考慮除灰砂比外的其他影響因素，如未考慮充填濃度的影響，均建立在高濃度充填的假設(shè)之上，與某些礦山的實際情況有所出入。本文結(jié)合香爐山鎢礦充填系統(tǒng)的優(yōu)化改造，探究料漿濃度對充填成本的影響，進(jìn)行定量分析，使結(jié)果有別于定性分析的簡單描述而形成直觀的對比，并最終提出提高充填料漿濃度的工藝方案，可供類似礦山充填系統(tǒng)優(yōu)劣指標(biāo)分析和優(yōu)化設(shè)計借鑒。

1 礦山概況

香爐山鎢礦開采技術(shù)條件好、礦石品位高，是國內(nèi)為數(shù)不多的高價值白鎢礦山之一，前身為數(shù)個民采礦山企業(yè)，后經(jīng)整合形成目前的采選規(guī)模，但早期民營企業(yè)空場法開采遺留有大量空區(qū)未處理，當(dāng)前鎢資源的戰(zhàn)略地位已不允許空場法所導(dǎo)致的資源浪費，香爐山鎢礦2010年開展充填采礦法的研究及充填系統(tǒng)的建設(shè)工作[10-13]。2013年充填系統(tǒng)正式建成投產(chǎn)服務(wù)井下，充填系統(tǒng)工藝為三、四選廠總尾泵送至立式砂倉，立式砂倉通過沉砂、溢流濃縮儲存尾砂，散裝水泥由水泥罐車運至現(xiàn)場，氣卸進(jìn)入水泥倉，井下準(zhǔn)備充填后砂倉放砂、水泥計量給料至立式攪拌桶，攪拌桶制備后的料漿通過地表充填鉆孔和井下管網(wǎng)自流至空區(qū)完成充填，充填制備站配備有自動集成系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制。該系統(tǒng)在后期生產(chǎn)運行過程中顯露出較多問題，致使充填工作難以順暢運行，主要為溢流固含量高，充填用尾砂利用率低；尾砂漿在砂倉內(nèi)易起泡，泡沫發(fā)黏難消除；砂倉放砂濃度低且波動性大，制備的充填料漿質(zhì)量較差等。針對充填系統(tǒng)的弊端，香爐山鎢礦與科研院所聯(lián)合展開了大量的攻關(guān)工作，研制開發(fā)了尾砂漿消泡沉降關(guān)鍵技術(shù)的藥劑制度，解決難處理尾砂的沉降難題，但充填濃度較低的問題仍有待解決。

2 全尾砂充填料漿性能研究

充填料漿濃度越高對充填體強(qiáng)度的形成越有利，但濃度過高會導(dǎo)致料漿流動性變差，在實際生產(chǎn)中無法應(yīng)用；濃度過低則會導(dǎo)致輸送過程中的沉降離析及膠凝材料耗用大等弊端，所以特定礦山充填存在一個最佳的料漿濃度范圍值[14-16]。為探究料漿濃度對香爐山鎢礦充填成本的影響，首先需弄清適合香爐山鎢礦全尾砂充填的最佳料漿濃度范圍值。通過對香爐山鎢礦全尾砂漿流動性能進(jìn)行試驗研究，得到其在不同濃度下的塌落度值和流變參數(shù)，結(jié)果如表1和圖1所示。塌落度值是評判料漿流動性的重要指標(biāo)，同時可以通過塌落度試驗直觀地觀察料漿的粘聚性和保水性；屈服剪切應(yīng)力τ0的物理意義為料漿在靜止?fàn)顟B(tài)下抵抗變形的能力，由試驗結(jié)果可知全尾砂料漿屈服剪切應(yīng)力τ0值隨著濃度的降低而逐漸降低，與料漿濃度具有直接的關(guān)系，τ0值過大，料漿管道輸送時靜摩擦阻力大，τ0值過小說明料漿抵抗離析沉降的能力較弱，增大料漿輸送過程中的堵管風(fēng)險；粘性系數(shù)η指料漿在運動狀態(tài)下所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的能力，其值大小與料漿濃度、顆粒級配、顆粒形狀等因素有關(guān)，在充填物料選定的情況下，其影響主要因素為料漿濃度，η值越大，料漿越難以輸送，如料漿濃度為75%時，η值達(dá)到15.01 Pa·S，由此而引起的阻力使得料漿無法在管道中自流輸送，而當(dāng)料漿濃度降低時，粘性系數(shù)η也逐漸降低。由上述香爐山鎢礦料漿流動性能的測試結(jié)果可知，料漿最適宜的自流輸送充填濃度為69%～71%(見圖1、表1)，此時料漿和易性好、無離析沉降現(xiàn)象，流動阻力小，可順利實現(xiàn)正常充填倍線采場的充填作業(yè)。

表1 香爐山鎢礦全尾砂料漿流動性參數(shù)

圖1 全尾砂料漿流動性參數(shù)曲線

3 不同濃度料漿配比強(qiáng)度試驗研究

3.1 試驗?zāi)康募皟?nèi)容

香爐山鎢礦全尾砂最佳的充填濃度為69%～71%，但實際生產(chǎn)中由于立式砂倉易形成放砂漏斗等固有缺陷導(dǎo)致充填料漿濃度長期維持在65%左右、甚至更低，為了滿足井下采礦及空區(qū)處理對充填體強(qiáng)度的要求，生產(chǎn)中水泥添加量大，充填成本居高不下。通過對不同濃度料漿進(jìn)行配比強(qiáng)度試驗，探究料漿濃度對充填體強(qiáng)度及膠凝材料消耗量的影響，試驗選取香爐山鎢礦全尾砂及選廠原漿水，膠凝材料為現(xiàn)場生產(chǎn)使用水泥，經(jīng)計量后按特定的灰砂比和濃度進(jìn)行配制，試驗濃度為71%,69%和65%，灰砂比為1∶4， 1∶6, 1∶8和1∶12，最終制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，并進(jìn)行相應(yīng)的保濕保溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期時進(jìn)行單軸抗壓試驗，同時對上述各組充填料漿進(jìn)行泌水率測試，通過試驗數(shù)據(jù)計算各充填物料的消耗量。

3.2 試驗結(jié)果及分析

香爐山鎢礦全尾砂配比強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2，各齡期不同配比條件下強(qiáng)度值對比曲線見圖2。

表2 配比試驗強(qiáng)度值

圖2各齡期不同配比條件下強(qiáng)度值對比曲線

由表2及圖2可以直觀地得出：充填體強(qiáng)度與齡期、水泥的添加量和料漿濃度成正比。65%濃度下充填體強(qiáng)度與69%或71%有較大差別，例如灰砂比1∶6、齡期為28 d時，65%，69%，71%濃度下的充填體強(qiáng)度值分別為1.417, 1.844 MPa和1.938 MPa，69%和71%充填體較65%濃度的強(qiáng)度值增長30.1%和36.8%，當(dāng)水泥添加量更大、齡期更長時，濃度值高低對充填體強(qiáng)度的影響更大。表3為不同配比條件下通過泌水率試驗測試結(jié)果計算出的充填物料消耗量，可知其他條件不變的情況下，料漿濃度越高，水泥的消耗量越大，但增幅很小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是高濃度料漿形成的充填體較密實，單位體積含有的尾砂和水泥越多，而在實際生產(chǎn)中，低濃度料漿由于離析嚴(yán)重，大量泌水的過程中帶走較多的水泥顆粒，致使水泥的消耗量反而多于高濃度料漿。

綜合表2、表3，當(dāng)井下需要充填體28 d強(qiáng)度為1.5 MPa時，料漿濃度為71%和65%的全尾砂充填體的灰砂比分別為1∶7.83， 1∶5.55，水泥單耗為176.3 kg/m3、219.1 kg/m3，因而每形成1 m3充填實體，71%濃度料漿可比65%料漿少消耗水泥42.8 kg，按每年35萬m3空區(qū)需28 d強(qiáng)度值達(dá)到1.5 MPa計算，由濃度值的提高可節(jié)省水泥用量14980 t，可節(jié)省充填材料成本599.2萬元，此項是礦山節(jié)流提效的重要可實行途徑。

表3 各配比條件下形成1 m3充填體消耗的物料量

4 充填系統(tǒng)工藝優(yōu)化方案

為實現(xiàn)香爐山鎢礦高濃度料漿充填，應(yīng)對充填系統(tǒng)工藝進(jìn)行改造，并結(jié)合尾砂消泡沉降藥劑制度的應(yīng)用，選擇新增高效深錐濃密機(jī)作為全尾砂的預(yù)處理設(shè)備，該優(yōu)化改造工藝如圖3所示，全尾砂經(jīng)選廠泵送至深錐濃密機(jī)進(jìn)料箱，在進(jìn)料過程中完成消泡沉降藥劑的添加混合工作，深錐濃密機(jī)可加大尾砂的沉降面積，同時保證壓縮段的高度，為持續(xù)供給高濃度底流提高保證，濃密機(jī)底流可自流至現(xiàn)有立式攪拌桶或泵送至立式砂倉作緩沖調(diào)節(jié)、分配，再進(jìn)入制備流程制備成高濃度充填料漿服務(wù)于井下。

圖3優(yōu)化改造后的工藝流程

5 結(jié) 論

(1) 香爐山鎢礦資源價值高，實行充填采礦法采礦能最大化地發(fā)揮資源效益，但充填系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)尾砂難沉降、充填濃度低、成本居高不下等問題。本文通過對全尾砂料漿流動性參數(shù)的試驗確定其最佳的充填濃度范圍為69%～71%；為探究充填濃度對成本的影響，進(jìn)行了最佳濃度與現(xiàn)場運行濃度條件下不同灰砂比充填體的強(qiáng)度配比試驗，對比試驗結(jié)果分析濃度值高低對強(qiáng)度配比的影響，如灰砂比1∶6、齡期為28 d時，69%和71%濃度下充填體28 d強(qiáng)度值較65%濃度增長30.1%和36.8%。

(2) 經(jīng)料漿泌水率試驗計算得到不同配比條件下充填物料的消耗量，根據(jù)井下充填要求，每年有35萬m3空區(qū)需28 d強(qiáng)度為1.5 MPa的充填體，計算達(dá)到此要求的71%和65%料漿中水泥單耗為176.3 kg/m3、219.1 kg/m3，因而可節(jié)省水泥42.8 kg/m3、合14980 t/a，香爐山鎢礦充填濃度的提高可為企業(yè)每年節(jié)省599.2萬元的充填運營成本。

(3) 以上研究確定香爐山鎢礦的優(yōu)化改造方向，通過添加高效深錐濃密機(jī)作為全尾砂預(yù)處理的裝置，可解決尾砂難沉降問題，同時保證充填供砂濃度，實現(xiàn)全尾砂的高濃度充填。

(4) 下一步可通過膠凝材料研發(fā)工作選擇更適合香爐山鎢礦全尾砂的新型膠結(jié)劑，進(jìn)一步降低充填成本，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。