張兵，王勇，吳愛祥，胡國斌，王洪江，王貽明，鄭學敏

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋；2.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

謙比希銅礦東南礦體是中色非洲礦業(yè)有限公司開采的三大礦體之一，礦山于 2018年投產。該礦床埋藏較深，埋深在445 m～1230 m之間，礦體呈舒緩波狀，平面投影呈不規(guī)則條帶狀。N1礦體賦存在一套淺變質的泥質、砂質板巖中，呈層狀產出[1]。礦體走向北西，傾向北東，沿走向長2700 m，沿傾向寬569 m～1237 m，延伸較穩(wěn)定。礦體厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m。傾角5°～20°，局部有變化[2]。

N1工業(yè)礦體總體上看是南高北低，南部礦體傾角較陡，北部傾角較緩，南薄北厚，西薄東厚，以880 mL為界分為南北2個采區(qū)。北采區(qū)首先探采1080 mL至980 mL之間的礦體，該處礦體的控制程度較高，厚度大，礦體傾角?。▋A角0～10°），品位高，估算資源量約為1330萬t，運輸水平設在1100 mL和1000 mL。南采區(qū)首采地段為780 mL至880 mL的礦體。該部分礦體厚度較大，品位高，資源量約1220萬t，運輸水平設在900 mL和800 mL。

礦體屬薄至中厚緩傾斜礦體，礦體底板以下的基底巖石和長石石英巖地層穩(wěn)固性良好。礦體本身穩(wěn)固性中等，礦體頂板巖石穩(wěn)固性較差，礦石銅品位較高[3]。礦山建設規(guī)模為10 000 t/d，根據(jù)開采工程技術條件和礦體賦存情況，設計以預切頂下向中深孔分條空場法、分條進路充填法和房柱采礦法為主，礦山采用智能機械化采礦作業(yè)。

為保證東南礦體采礦作業(yè)安全，降低圍巖遇水泥化危害影響，實現(xiàn)安全、環(huán)保、經濟、高效采礦[4]，該礦于2015年6月開始啟動膏體充填系統(tǒng)建設工作，經歷基礎條件試驗、初步設計、施工設計、系統(tǒng)建設、單機運行、聯(lián)動試車等多個階段，于2019年 12月系統(tǒng)成功投入使用，建成的謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)如圖1所示。本文從充填工藝、關鍵技術、工業(yè)試驗情況等方面對謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)進行介紹，為同類礦山膏體充填技術應用提供參考。

1 膏體充填工藝

謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝最大的特點就是兼顧井下充填和地表高濃度排尾，建成了全新的全尾砂膏體充填系統(tǒng)和尾砂排放系統(tǒng)。該膏體充填系統(tǒng)以全尾砂為主，選廠全部尾砂由渣漿泵輸送到膏體充填制備站的2臺濃密機。濃密機的直徑為18 m、總高16.6 m、錐角30°，每臺濃密機的處理能力為5000 t/d，最大底流流量165 m3/h，最大底流濃度72%。水泥倉采用2套容積832 m3的矩形斷面、錐形底部結構的儲存?zhèn)}，計量采用微粉稱。濃密機制備的高濃度尾砂由底流泵輸送進入攪拌機與水泥混合，制成全尾砂膠結膏體充填料，然后采用內徑 175 mm的管道自流輸送到采場進行充填。多余的高濃度尾砂由3套隔膜泵（2用1備）通過管道輸送到尾礦庫，輸送距離約15 km，每臺隔膜泵輸送能力265 m3/h，輸送壓力7 MPa。整個工藝通過中控室遠程自動控制，流量和濃度關鍵參數(shù)測量采用核密度計和聲吶流量計。

圖1 謙比希東南礦體膏體充填系統(tǒng)外觀

謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝流程如圖2所示。

圖2 謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝流程

2 膏體充填關鍵技術

中色非洲礦業(yè)有限公司是我國企業(yè)“走出去”的成功典范，謙比希銅礦東南礦體大流量膏體充填系統(tǒng)成功應用是我國膏體技術“走出國門”的又一次突破。本系統(tǒng)的成功應用，是基于多個關鍵技術的突破，主要有以下幾個方面。

2.1 基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術

尾礦是礦山生產排棄量最大的固廢之一，全尾砂膏體充填可以最大限度的利用全尾砂[5]，但即使這樣，礦山依然會產生多余尾礦，如若直接堆存地表，會造成生態(tài)破壞和安全隱患[6]。為此，需要對現(xiàn)有膏體充填系統(tǒng)高效利用，使得深錐濃密機發(fā)揮井下充填和地表排尾的雙重功效。目前基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置工藝在國內外應用很少，謙比希東南礦體通過攻克深錐大范圍底流濃度（55%～72%）快速柔性調控技術、開發(fā)大流量勻質供料自稀釋進料系統(tǒng)、構建壓力-高度協(xié)同互饋及底流濃度穩(wěn)定技術，實現(xiàn)了對現(xiàn)有深錐濃密機的高效利用，既滿足了千米深井膏體充填的要求，又實現(xiàn)了15 km長距離高濃度地表排尾，建立了基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術示范工程。

2.2 細粒級全尾砂膏體大能力均質攪拌技術

隨著礦山機械化程度的不斷提高，礦山的開采規(guī)模也在逐漸增大，與之對應的充填能力要求也越來越高。目前國內外膏體充填能力大部分在 120 m3/h以下，從膏體充填工藝技術來講，濃密機脫水能力和泵壓輸送能力在200 m3/h以上，大流量膏體充填在某種程度上受限于膏體攪拌技術[7]。針對膏體攪拌的技術瓶頸，謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)首次采用了容積10 m3、攪拌能力180 m3/h的雙軸臥式攪拌機，是目前國內外所公開報道的能力最大的臥式攪拌機；通過采用具有自主知識產權的液位提升穩(wěn)定裝置，實現(xiàn)了細粒全尾膏體高液面逆向圍流均質攪拌技術；針對傳統(tǒng)臥式攪拌機軸承漏漿、更換頻繁的問題，研發(fā)了軸承油壓密封防漏漿耐磨技術。這些技術的突破保證了謙比希東南礦體細粒全尾膏體大能力均質攪拌。

2.3 勢能負壓聯(lián)合作用下膏體長距離自流輸送技術

對于膏體充填來講，由于充填料漿濃度高、輸送阻力大，一般需要借助泵壓輸送[8]。謙比希銅礦的東南礦體由于埋藏較深，經過多次理論計算和驗證，大膽采用自流輸送，在充填濃度72%、屈服應力100 Pa以上時，在自重勢能和“負壓虹吸”聯(lián)合作用下，實現(xiàn)了距離超過2000 m的膏體自流輸送。此外，謙比希東南礦體在680 m鉆孔施工時，棄用南非國際知名鉆孔施工公司技術，采用自主技術，成功解決了深井充填鉆孔通過2個大含水層一次成

型施工的技術難題。為了確保擋墻的安全性，每個采場充填一定高度需要間隔一定時間，為了提升充填效率，研制了具有自主知識產權的多采場快速切換連續(xù)充填裝置，實現(xiàn)了多個采場快速切換免洗管連續(xù)輸送技術，大幅提升了礦山充填效率，為礦山高效生產提供了保障。

2.4 基于膏體充填的緩傾斜復雜礦體高效開采技術

謙比希銅礦東南礦體厚度2.32 m～23.73 m，平均厚度9.63 m，傾角5°～20°[2]，屬于典型的緩傾斜復雜難采礦體，靈活使用多種采礦方法，但礦體高效安全開采的前提在于膏體充填體的力學性能[9]。鑒于贊比亞水泥價格高、贊方員工管理難度大，在膏體材料配伍優(yōu)化研究時，盡量簡化充填材料、降低水泥單耗。系統(tǒng)開展了全尾砂膏體、添加粗骨料膏體、全尾砂+分級尾砂膏體、添加泵送劑膏體等多種配合比實驗，最終選擇全尾砂膏體充填，可以實現(xiàn)一步驟開采充填灰砂比 1:8、二步驟開采充填灰砂比1:24～1:48。由于謙比希銅礦東南礦體采用可重復利用的低成本柔性充填擋墻，為了確保擋墻的安全性，研發(fā)了一種采場多次充填間隔時間確定簡易裝置，已在現(xiàn)場得到了推廣使用?；诓傻V方法的靈活使用和多項關鍵技術的攻克，最終形成了基于膏體充填的謙比希銅礦緩傾斜復雜礦體高效開采技術。

3 系統(tǒng)工業(yè)試驗情況

3.1 試驗思路

膏體充填系統(tǒng)建成后，在經歷單機和聯(lián)動空載試車后，確保設備的正常運轉，在正式投入使用前，需要首先進行工業(yè)試驗。在整個工藝打通、相關技術達標穩(wěn)定后，方可進行大范圍充填使用。謙比希東南礦體膏體充填系統(tǒng)在井下充填前，由于選礦生產已經開始進行，地表高濃度排尾工藝已經打通。為此，本文工業(yè)試驗主要針對井下充填。

本次工業(yè)試驗思路為“三步走”分步充填，整個采場分為3次充填完畢，但每次充填的側重點和目標各不相同：首次充填的目的是打通工藝、第二次充填的目的是提升濃度、第三次充填的目標是提高強度。充填前需要做好地表、管路和井下充分的準備工作，比如地表操作流程、管道密封性、采場擋墻結構以及井下通訊等。

3.2 試驗采場

本次工業(yè)試驗選擇與正常生產相似、具有代表性的一個完整采場進行。具體為756水平3號盤區(qū)的3號采場（756ML-3MU-3#），該試驗采場長123 m，寬9 m，高度7 m～9 m不等，實測空區(qū)體積約7652 m3。如圖3所示。

圖3 膏體充填工業(yè)試驗采場位置

3.3 試驗結果

本系統(tǒng)設計充填能力 160 m3/h，充填濃度70%～72%，灰砂比為1:8時的充填體28 d強度為1 MPa。本次工業(yè)試驗從準備到整個采場充填結束經歷約2個月，最終實現(xiàn)了技術指標的全面達標。試驗采場3次充填的主要技術指標統(tǒng)計見表1，其中每次充填的深錐底流濃度統(tǒng)計不少于 10次、間隔時間不少于 1 h；充填量為采場實測值，平均流量為每次充填量與充填時間的比值；實際灰砂比為總的水泥消耗量與尾砂干量的比值；為了確保濃度的準確性、同時驗證濃度計的可靠性，充填濃度為每次充填時攪拌槽取樣烘干濃度，每次充填取樣不少于6次；攪拌槽取樣測量烘干濃度的同時，進行28 d單軸抗壓強度測試。

如試驗思路所述，第一次充填目標是打通工藝，由于充填濃度低、水泥添加少，所以28 d強度只有0.18 MPa～0.39 MPa；第二次較第一次充填濃度有了較大提升，但水泥添加沒有達到設置的1:8，所以強度為0.45 MPa～0.90 MPa，沒有達到1 MPa；第三次充填的主要目的是提強度，此次充填時充填濃度穩(wěn)定在70%～72%，灰砂比與設置值1:8接近，為此，28 d強度均在1 MPa以上。3次累計充填7652 m3，充填時間45 h 10 min，平均充填流量170 m3/h，實際使用水泥770 t（設計水泥1210 t），主要是因為前兩次充填實際灰砂比小于設計的1:8所致。

表1 工業(yè)試驗三次充填主要技術指標統(tǒng)計

經歷一個完整的采場工業(yè)試驗之后，該膏體充填系統(tǒng)已在謙比希銅礦東南礦體井下采空區(qū)充填中全面使用，服務礦山正常生產。

3.4 試驗期間存在的問題

總體來講，此次工業(yè)試驗是成功的，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如部分儀表不準確、井下三通閘閥損壞、擋墻漏漿、通訊故障、深錐底流流量和濃度波動、實際灰砂比小于設置值、攪拌機液面低等，通過每次充填不斷的總結和改進，上述問題得到了較好的解決，但在今后的充填中也要高度重視，避免類似問題再次出現(xiàn)。

4 結論

（1）簡要介紹了謙比希銅礦東南礦體膏體充填工藝，概括了謙比希銅礦東南礦體膏體充填系統(tǒng)的4大關鍵技術，即基于深錐濃密的膏體充填與排尾聯(lián)合處置技術、細粒級全尾砂膏體大能力均質攪拌技術、勢能負壓聯(lián)合作用下膏體長距離自流輸送技術、基于膏體充填的緩傾斜復雜礦體高效開采技術。

（2）提出了膏體充填系統(tǒng)“打通工藝—提升濃度—提高強度”三步走的工業(yè)試驗思路。通過試驗采場的分次充填，逐步達到目標濃度和強度，從而實現(xiàn)了最后一次充填濃度70%～72%，實際灰砂比1:8.6的情況下，28 d充填強度1.15 MPa～2.11 MPa。

（3）中色非洲礦業(yè)有限公司作為我國企業(yè)“走出去”的成功典范，謙比希銅礦東南礦體大流量膏體充填系統(tǒng)成功應用是我國膏體技術“走出國門”的又一次突破。該系統(tǒng)目前已在礦山全面使用，為謙比希銅礦東南礦體產能達標、安全高效開采提供有力支撐。