劉洲基，李金利

（金川集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737100）

金川鎳礦是我國有色金屬坑采礦山年生產(chǎn)能力最大、機(jī)械化程度較高的下向膠結(jié)充填采礦法礦山。作為長期以棒磨砂為充填骨料的充填方式，一方面棒磨砂的釆砂資源和加工費(fèi)用成為制約礦山發(fā)展的一個(gè)因素，另一方面隨著礦山生產(chǎn)能力提高，礦山掘進(jìn)進(jìn)度加快，掘進(jìn)量與礦山廢石量也連年增大。其中，僅金川二礦區(qū)，850米中段開采工程及今后700米中段的開拓工程，每年井下提出的廢石達(dá)50多萬噸。

本著降低充填成本，提高充填質(zhì)量，充分合理的使用工業(yè)廢料，保護(hù)礦山環(huán)境生態(tài)，實(shí)現(xiàn)無廢開采的需要，金川公司通過與相關(guān)科研院所聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)十多年的努力，目前已成功的研發(fā)出了廢石-全尾砂膏體充填泵送工藝，廢石-細(xì)砂高濃度自流充填工藝、戈壁粗骨料高濃度自流充填、大流量高濃度自流充填系統(tǒng)等技術(shù)，并已全部在金川各礦山充填生產(chǎn)應(yīng)用，在保證對下向采礦對充填體質(zhì)量的前提下，極大降低了充填費(fèi)用，保護(hù)了環(huán)境，促進(jìn)了無廢礦山、綠色礦山的建設(shè)，已成為當(dāng)今礦山充填的主要發(fā)展方向。其中，利用了井下廢石、廢水和全尾砂的全廢料泵送充填，具有較為特殊的意義。

1 全廢充填物料的物理性能及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.1 破碎廢石集料及質(zhì)量控制

井下廢石破碎采用兩段一閉路流程：廢石經(jīng)GZD1300＊4900振動(dòng)給料機(jī)均勻地供給PE750＊1060鄂破，一段破碎廢石（-176mm）由皮帶機(jī)輸運(yùn)并經(jīng)自動(dòng)分料機(jī)直接送入PF1210型反擊破（2臺(tái)）進(jìn)行細(xì)碎，碎料經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入SZZ1500＊4000振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，篩上大塊物料（+16/20mm）再由皮帶機(jī)送入反擊破進(jìn)行再次破碎，形成閉路。篩下物（-16/20mm）則送至廢石集料倉待充。

針對破碎廢石存在噴漿反彈料，鋼筋、導(dǎo)爆管等雜物多，質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，為了不過多增加相應(yīng)的投入，主要以人工分揀，電磁鐵除鐵，噴霧降塵等措施來確保破碎廢石的質(zhì)量及其生產(chǎn)應(yīng)用。

廢石破碎集料對于充填料漿配合比設(shè)計(jì)的影響主要包括顆粒形狀、質(zhì)構(gòu)以及集料級配。通過對廢石性能、配合比實(shí)驗(yàn)，及充填系統(tǒng)和管路的綜合考慮，已成功將工程廢石的破碎粒度為-16mm應(yīng)用于廢石-全尾砂充填料漿的制備。

表1 -16mm廢石破碎集料（適用于與全尾砂混合）

1.2 全尾砂

金川集團(tuán)股份有限公司全尾砂是一選廠與二選廠排放的尾砂混合物。全尾砂中不規(guī)則狀、片狀與塊狀居多，似圓形僅占一小部分，粒徑分布也不均勻，極細(xì)粒級絮狀物質(zhì)粘附的粗粒表面。全尾砂平均粒度細(xì),氧化鎂含量高，滲透系數(shù)小(15mm/h),將會(huì)使采場充填脫水困難，要滿足充填體強(qiáng)度R28≥5MPa，必須有很高的水泥添加量，這是不經(jīng)濟(jì)的。因此，要應(yīng)用全尾砂，必須要加入一定量的粗粒級骨料。

表2 全尾砂粒級組成

1.3 水泥

金川集團(tuán)股份有限公司礦山充填所用的膠結(jié)材料為32.5級增強(qiáng)復(fù)合水泥，其水泥中的混合材主要為粉煤灰，其添加量達(dá)20%～40%。比重3.1t/m3，密度1.1t/m3,其細(xì)度（用比表面積表示）為3100～3300cm2/g，初凝時(shí)間＞45min,終凝時(shí)間＜10h。

表3 廢水化學(xué)成分檢測分析結(jié)果

1.4 井下廢水

礦山充填所使用的井下廢水，為井下廢水排出后，經(jīng)多道攔壩自然流淌后沉淀，由水泵抽至充填水倉加以重復(fù)利用。

廢水的PH值、不溶物含量（Ca、Fe、Si等）、CL含量、折算可溶物（Al2O3、MgO）含量、折算堿（CaOH）含量等指標(biāo)均不超過《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-2006）規(guī)定的范圍。

2 廢石-全尾砂充填料漿制備

2.1 泵送系統(tǒng)

廢石-全尾砂泵送充填系統(tǒng)，其尾砂的添加方式有兩種，一是尾礦庫沉淀后的干尾砂拉運(yùn)至充填站的充填砂倉與破碎廢石按工藝配比混合后添加。另一種是選廠尾砂經(jīng)泵送至充填站的尾砂倉，充填時(shí)，將尾砂放砂濃度以不低于55%質(zhì)量濃度至泵送系統(tǒng)的ATDⅢ-Ф700型雙螺旋攪拌輸送機(jī)與破碎廢石、水泥攪拌。井下廢水則由泵打到充填站備用水倉。其工藝流程如圖2。

圖2 廢石-全尾砂泵送充填工藝流程

2.2 料漿配合比參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)強(qiáng)度和流變試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，料漿重量濃度范圍在77%～80%之間，水泥耗量為260kg/m3，廢石和尾砂配比為6.0：4.0是最優(yōu)配比，此種配比條件下料漿的可泵性滿足要求。

2.3 充填料漿坍落度

充填料漿坍落度，可較好的反應(yīng)泵送充填料的可泵性能。全廢料泵送充填料漿測定的相應(yīng)配合比條件下的料漿坍落度。

圖3 廢石—全尾砂料漿坍落度

由圖可見，工業(yè)試驗(yàn)料漿的坍落度均較大（＞20cm），廢尾比6：4條件下的料漿坍落度均大于廢尾比5：5條件下的料漿坍落度，表明料漿的流動(dòng)性很好，完全滿足進(jìn)路式充填對流動(dòng)性的要求。根據(jù)我國及ASTM制定的混凝土稠度等級與坍落度范圍、表明上述配合比條件下的高濃度充填料漿應(yīng)屬高流態(tài)范疇。

3 進(jìn)路膠結(jié)體強(qiáng)度測定結(jié)果與分析

充填進(jìn)路的膠結(jié)體強(qiáng)度采用SJY800型貫入儀進(jìn)行現(xiàn)場測定，膠結(jié)體強(qiáng)度現(xiàn)場測定選取廢石全尾砂比6：4和5：5各兩條進(jìn)路。測點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)式布置，進(jìn)路長度方向采用5m～10m間距，高度方向采用0.5m間距，各測點(diǎn)附近隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)。

繪制各進(jìn)路各樣條點(diǎn)的平均強(qiáng)度與進(jìn)路長度、高度的關(guān)系如圖4，5。

圖4 廢尾比5：5條件下進(jìn)路內(nèi)膠結(jié)強(qiáng)度分布

圖5 廢尾比6：4條件下進(jìn)路內(nèi)膠結(jié)強(qiáng)度分布

由圖可見，進(jìn)路內(nèi)膠結(jié)體的強(qiáng)度分布規(guī)律為：由充填管口到進(jìn)路隔墻處強(qiáng)度總體呈降低趨勢，但降幅極小，這種強(qiáng)度的不均勻是由于進(jìn)路內(nèi)充填料漿的自流動(dòng)造成的；沿進(jìn)路高度方向強(qiáng)度總體呈下高上低趨勢，這是由于進(jìn)路內(nèi)充填料漿的離析造成的。實(shí)際充填過程中還會(huì)出現(xiàn)洗管水沒有排出進(jìn)路，造成濃度降低的現(xiàn)象。且充填過程中也偶爾出現(xiàn)供料中斷等情況。料漿的配合比、濃度、水泥添加量、廢石—全尾砂混合料的均勻性等總是有波動(dòng)的，因而造成料漿濃度降低和料漿的不均勻，引起膠結(jié)體強(qiáng)度變化。綜上，采用廢石—全尾砂高濃度充填工藝，充填進(jìn)路的布置、下料點(diǎn)、擋墻、鋪筋要求等應(yīng)與膏體充填方式相同。

4 充填管徑對廢石料漿流變性質(zhì)的影響

從理論上分析，料漿的流變參數(shù)應(yīng)與管徑無關(guān)，但試驗(yàn)結(jié)果卻是不同管徑條件下漿體流變參數(shù)變化很大。從統(tǒng)計(jì)層面看，總體趨勢是管徑越大，漿體初始屈服應(yīng)力越大，粘性系數(shù)越大。顯然單獨(dú)解釋這一現(xiàn)象是比較困難的，但若與“邊界層”聯(lián)系起來看則又是必然的。同一流量情況下，不同管徑內(nèi)的料漿流速不同，管徑越小，流速越大。根據(jù)伯努里方程可知同一水平直管狀態(tài)時(shí)漿體流速越大，管道內(nèi)漿體壓力越大，管輸阻力越大。

表4 廢石+全尾砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（廢石：尾砂=5：5）

同一漿體在不同壓力狀態(tài)下的泌水效應(yīng)是不同的，一般講壓力越大，泌水量越大。此外，料漿中存在粗骨料，管徑越小，粒狀物料的“管壁效應(yīng)（邊界處的空隙率大于中心空隙率）”越明顯，導(dǎo)致管壁處的細(xì)粒漿體量增大?？梢姡谕涣髁壳闆r下，細(xì)管徑中料漿的泌水效應(yīng)更明顯，導(dǎo)管壁處的細(xì)粒料多且濃度低，“潤滑層”效果更明顯，從而導(dǎo)致同一料漿同一流量條件下得出不同的流變參數(shù)。顯然這一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步解釋了“環(huán)管試驗(yàn)獲得的流變參數(shù)小于由流變儀得出的流變參數(shù)”的現(xiàn)象。如同一料漿由流變儀得出的是假塑性體，而環(huán)管得到的卻是脹塑性體。原因是“邊界層內(nèi)具有層流和紊流兩種流態(tài)”，層流時(shí)多為Bingham體，而紊流時(shí)多呈H-B體。

5 充填管路的管徑與料漿管輸流速

根據(jù)充填料漿管輸平衡方程，并結(jié)合環(huán)管試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，通過理論分析，列出推薦的廢石充填料漿配合比、濃度條件下的對應(yīng)流量時(shí)管路中料漿最大流速的與最小管徑如表5(其中)。

表5 廢石—全尾砂料漿濃度、沿程阻力與最大流速、最小管徑關(guān)系表

考慮到廢石—全尾砂高濃度充填的工藝特性，料漿需要泵壓輸送。顯然，從相似條件角度講，由液壓泵至充填鉆孔間存在一定長度的水平管道，該段水平管的設(shè)計(jì)與計(jì)算宜采用環(huán)管試驗(yàn)沿程阻力結(jié)果；由充填鉆孔底部至采場充填管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算宜采用工業(yè)試驗(yàn)沿程阻力結(jié)果。

在充填生產(chǎn)中，工業(yè)應(yīng)用中要采取措施避免出現(xiàn)料漿輸送的不滿管流；同時(shí)管徑取大可以降低管輸沿程阻力。由于廢石充填料漿中骨料粒級為-16/-20mm且具有連續(xù)性，應(yīng)用中管徑應(yīng)大于粒徑5～6倍。

6 結(jié)語

全廢料充填對于合理有效利用礦山產(chǎn)出的毛石、井下廢水和工業(yè)廢料尾礦砂，達(dá)到保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)節(jié)能減排，建設(shè)綠色礦山具有積極的意義，社會(huì)效益顯著。

隨著市場經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，高充填成本越來越成為制約礦山經(jīng)濟(jì)效益及發(fā)展的重要因素。當(dāng)前，在膠結(jié)充填采礦中，充填費(fèi)用一般占礦山總成本費(fèi)用的20%左右，有的甚至于高達(dá)40%。廢石-全尾砂泵送充填工藝成本是礦山現(xiàn)用棒磨砂自流充填成本的66.25%，是尾砂-棒磨砂膏體充填成本的88%，成本優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。