王建棟 吳愛祥 王貽明 王洪江 王 勇 周 勃

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

某金礦全尾膏體充填與排放聯(lián)合處置技術(shù)

王建棟1,2吳愛祥1,2王貽明1,2王洪江1,2王 勇1,2周 勃1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

針對國內(nèi)某金礦原分級尾砂膠結(jié)充填存在的采場充填料濃度低、水泥耗量高以及尾礦庫庫容不足等諸多問題，對充填系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，提出了一種基于深錐濃密機的全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案。改造后的充填系統(tǒng)運行過程中，選廠全尾砂經(jīng)泵站打入深錐濃密機。需要充填時，深錐底流經(jīng)兩段臥式攪拌機與水泥混合，制備出膏體自流或泵送至采場。不需要充填時，底流由柱塞泵泵送至尾礦庫進行膏體堆存。通過計算和實踐證明：改造后的方案可節(jié)約充填成本1 399萬元/a，節(jié)約尾礦排放成本1 040萬元/a；尾礦排放濃度由35%提高至68%以上，增加了尾礦的堆積角，提高了尾礦庫服務(wù)年限。全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案可以很好地同時解決采空區(qū)充填和尾礦堆存2個`會效益，符合“綠色礦山”的建設(shè)理念。

充填系統(tǒng) 全尾膏體充填 尾礦膏體堆存 聯(lián)合處置 優(yōu)化改造

2012年，安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局等五部委在《關(guān)于進一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見》中明文規(guī)定：新建金屬非金屬地下礦山必須對能否采用充填采礦法進行論證，并優(yōu)先推行充填采礦法[1]。在此條件下，充填采礦法在礦山中的應(yīng)用比重不斷增加，其工藝技術(shù)近年來也得到了迅猛發(fā)展[2-3]。

某金礦儲量前景可觀，現(xiàn)已探明地質(zhì)儲量3 200多萬t，金屬量105 t。自1981年建礦至今，生產(chǎn)規(guī)模已達到6 000 t/d，礦石采出品位為3.18 g/t[4]。目前，礦山采用上向水平充填采礦方法開采厚度5 m以上的礦體，采用無底柱分段崩落法開采厚度小于5 m的礦體，前者占礦量比例約60%，后者占礦量比例約40%。充填法損失率為7%，貧化率為9%；崩落法損失率為9%，貧化率為12%。然而，隨著礦山開采深度不斷增加，崩落法將逐漸被充填法所取代。

1 充填系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有充填工藝

目前，該礦山采用分級尾砂膠結(jié)充填，其充填站擁有主要設(shè)施有:2個立式砂倉、1座水泥倉、1套喂料設(shè)施和攪拌設(shè)施、料漿輸送管路以及砂倉頂部的1套旋流器組。礦山現(xiàn)在使用的充填工藝如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有充填方案Fig.1 Existing filling system

選廠尾砂通過一級泵站和二級泵站，需要充填的尾砂由砂漿泵泵送至旋流器分級(2個砂倉共用1組旋流器)，尾砂底流進入砂倉自由沉降。沉淀砂在砂倉內(nèi)經(jīng)過風(fēng)水聯(lián)合造漿后，通過放砂管道進入攪拌槽，與膠結(jié)材料充分攪拌形成充填料漿。料漿通過流量計和濃度計檢測后進入充填井內(nèi)的下料管，靠重力自流輸送至充填采場。水力旋流器溢流與砂倉溢流通過自流至充填站附近溢流輸送泵房，由渣漿泵輸送至尾礦庫。不需要充填的尾砂直接從二級泵站泵送至尾礦庫排放。

攪拌槽內(nèi)濃度采用濃度計測量，料漿流量采用電磁流量計和電動調(diào)節(jié)閥進行控制和調(diào)節(jié)，立式砂倉和攪拌槽液位均采用超聲波液位計和電動調(diào)節(jié)閥進行控制和調(diào)節(jié)，灰砂比采用計算機程序進行定量控制和調(diào)節(jié)。

1.2 充填強度要求

根據(jù)所選采礦方法要求，為滿足上中段底柱回采的安全，在每個采場的底部8～10 m(前3個分層)需要膠結(jié)充填，充填體強度要求達到2.0 MPa。其余每一分層回采完畢后，立即進行采場充填準備工作，充填管由充填回風(fēng)天井下放到采場，封閉分段聯(lián)絡(luò)道。先用分級尾砂充填2.6 m高，剩下的0.6 m用膠結(jié)尾砂進行膠面充填，充填體強度要求達到1 MPa以上，以利于回采上一分層時鏟運機鏟裝和行走。

1.3 現(xiàn)有充填系統(tǒng)問題

(1)充填濃度低。礦山采用立式砂倉風(fēng)水聯(lián)合造漿進行膠結(jié)充填，充填濃度為60%～65%。根據(jù)尾礦物理性能來看，該充填濃度明顯偏低。同時，立式砂倉還存在造漿濃度較低、底流濃度不穩(wěn)的問題，連續(xù)充填時間長會導(dǎo)致濃度的較大波動，必然造成采場強度不均[5]。

(2)充填成本高。因為充填濃度無法保證，所以必須通過保守的水泥添加量來確保充填空區(qū)安全。礦山目前灰砂比為1∶4，水泥耗量很高，充填綜合成本達到85.6元/m3。

(3)充填質(zhì)量差。由于充填濃度較低，充填料中過多的水造成粗細顆粒的離析，致使尾礦粗顆粒和細顆粒分層，水泥浮于充填料上層，最終導(dǎo)致充填體強度不均。同時，尾礦中的超細顆粒和水泥堵塞充填擋墻濾布，造成充填空區(qū)脫水困難，巷道污染嚴重。

(4)尾礦庫庫容不足。該礦尾礦庫位于選礦廠以北約2 000 m處，尾礦庫南北約900 m，東西約 1 000 m。一期尾礦庫總標高180 m，總庫容531.8萬m3，有效庫容為425.4萬m3，能夠服務(wù)7 a?，F(xiàn)在壩頂標高為166.0 m，剩余庫容為228.56萬m3，服務(wù)年限約2 a。因此，該礦尾礦庫庫容已然很小，服務(wù)年限較短。一旦庫存飽和，則需要新征尾礦庫用地進行尾礦庫建設(shè)，這將是一筆不小的投資。

2 充填系統(tǒng)改造優(yōu)化計算

根據(jù)井下充填與地表尾礦庫排放2個工藝，提出一種全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案，即2個工藝共用1個深錐濃密機進行尾礦濃密，再根據(jù)現(xiàn)場需求決定尾礦去向的方案。

2.1 充填配比確定

采用全尾膏體充填方案，預(yù)計充填濃度可以穩(wěn)定在70%左右。根據(jù)礦山充填強度實際測試結(jié)果(如圖2所示)，灰砂比1∶9可滿足1 MPa強度，1∶7的灰砂比即可滿足2 MPa強度。

2.2 充填系統(tǒng)運行參數(shù)計算

(1)日平均充填采空區(qū)體積。

圖2 不同灰砂比漿體質(zhì)量分數(shù)對28 d單軸抗壓強度的影響Fig.2 Effect of slurry concentration on 28 d uniaxialcompressive strength at different cement-sand ratios■—1∶10；●—1∶8；▲—1∶6；▼—1∶4

(1)

式中,Vr為日平均充填采空區(qū)體積，m3/d；Vk為采用充填法回采的礦石日產(chǎn)量，Vk=6 000 t/d；Z為充采比，取Z=1；γk為礦石密度，γk=2.75 t/m3。

計算可得Vr=2 181.82 m3/d。

(2)日平均充填料漿需用量。

Qr=VrK1K2K3,

(2)

式中,Qr為日平均充填料漿需用量，m3/d；K1為流失系數(shù)，K1=1.05；K2為沉縮比，K2=1.05，K3為料漿充填比例，K3=1。

計算可得Qr=2 405.46 m3/d。

(3)新舊充填方案原材料單耗對比。根據(jù)Qr值以及充填材料比例參數(shù)(如表1所示)，可確定全尾砂膏體充填方案原材料單耗如表2所示。

表1 膏體方案充填材料比例參數(shù)Table 1 Scale parameters of filling material of paste scheme

表2 膏體方案充填材料單耗Table 2 Filling material consumption of paste scheme

根據(jù)現(xiàn)有充填方案濃度、灰砂比以及干料密度等參數(shù)，可計算現(xiàn)有充填方案材料單耗如表3所示。

表3 現(xiàn)有方案充填材料單耗Table 3 Filling material consumption of existing scheme

(4)選廠尾砂日產(chǎn)量。

(3)

Qmax為選廠礦石日處理量，Qmax=6 000 t/d；Ψ為選廠尾砂產(chǎn)率，Ψ=94.97%。

計算可得Qmax=5 698.2 t/d。由表2、表3中新舊方案的尾砂日耗量可得，膏體方案每天用于充填的尾砂占到整個產(chǎn)量的47.06%，剩余52.94%的尾砂需要排到尾礦庫中?，F(xiàn)有方案用于充填的尾砂占到整個產(chǎn)量的35.74%，剩余64.26%的尾砂需要排到尾礦庫中。

3 全尾膏體聯(lián)合處置方案

3.1 方案具體實施

利用全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進行改造：保留原充填系統(tǒng)的一、二級泵站，采用脫水效率高、底流濃度高的深錐濃密機對全尾砂進行脫水，脫水后經(jīng)兩段臥式攪拌機攪拌，再用2臺柱塞泵送至采空區(qū)。改造后的膏體充填系統(tǒng)如圖3(a)所示，充填流程如圖3(b)所示。

圖3 全尾砂膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案Fig.3 Co-disposal scheme of unclassified-tailings paste filling and stockpiling

具體實施過程如下：

(1)將來自選礦廠的全尾砂稀釋至濃度為5%～15%，然后經(jīng)一級泵站、二級泵站泵送至深錐濃密機。深錐濃密機配套絮凝劑制備添加系統(tǒng)，通過計量泵控制絮凝劑的添加比例，從而對全尾砂進行絮凝沉降、濃縮脫水。

(2)采空區(qū)需要充填時，將深錐濃密機制備出的膏狀底流泵送至膏體攪拌系統(tǒng)的二級臥式攪拌機中，同時采用微粉稱對攪拌機進行水泥給料輸送。水泥和全尾砂漿體的混合料漿黏稠度較大，臥式高濃度攪拌機可實現(xiàn)強力攪拌、連續(xù)制備以及攪拌均勻的性能和效果。最后，經(jīng)攪拌機充分攪拌后的膏體被泵送至采場空區(qū)進行充填。

(3)當無需充填時，深錐濃密機的底流自流或被泵送至尾礦庫進行堆存，尾礦排放濃度可達68%。深錐濃密機的溢流水輸送至高位水池，再由高位水池輸送至二級臥式攪拌機進行膏體濃度調(diào)整或管路沖洗。

3.2 改造方案成本估算

膏體改造方案雖然增加了濃密機、柱塞泵、絮凝劑系統(tǒng)，但是卻減去了水力旋流器、充填站渣漿泵(泵送水力旋流器和立式砂倉溢流)的運營成本，電費可視為相等；現(xiàn)有充填方式濃度低，用水量大，現(xiàn)有方案用水成本應(yīng)該大于膏體方案，但為方便比較，水費忽略其差異也可視為相等。同時，新舊兩種方案都是充填采礦法，充填管、備品備件以及工人工資等成本均可視為相等；絮凝劑成本只在膏體方案計算。根據(jù)表2和表3的計算結(jié)果，新舊方案每立方米充填料漿成本估算對比如表4所示。

表4 新舊方案充填料漿成本對比

Table 4 Comparison of filling slurry costbetween old and new schemes ￥/m3

膏體改造方案不僅能夠節(jié)約充填料漿成本，也能減少尾礦排放成本。根據(jù)內(nèi)蒙某礦高濃度排放工程實例，單位尾礦處理成本只有1.685元/t。而傳統(tǒng)的尾礦處理成本在10～40元/t。按照最低排放成本10元/t來計，膏體排放可節(jié)約成本8.3元/t[6]，則每天可節(jié)約尾礦排放成本3.15萬元。

另一方面，對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進行改造需要新增設(shè)備，主要新增設(shè)備有1臺深錐濃密機、2臺HGBS280/10-800柱塞泵(一用一備)、ATDφ600一段臥式攪拌機和ATD-ALφ700二段臥式攪拌機，預(yù)計投資1 500萬元。綜上，根據(jù)330 d的年工作制度，新舊方案綜合經(jīng)濟效益對比如表5所示。

3.3 改造方案優(yōu)越性

根據(jù)表5中新舊充填方案綜合效益的對比可知，雖然膏體充填方案設(shè)備投入方面要多一些，但是從長遠發(fā)展角度考慮，膏體充填方案經(jīng)濟效益要遠遠優(yōu)于現(xiàn)有方案。對比現(xiàn)有充填方案，膏體充填和排放聯(lián)合處置方案的優(yōu)越性得以體現(xiàn)：

表5 新舊方案綜合經(jīng)濟效益對比Table 5 Comparison of comprehensive economicbenefits between old and new schemes

(1)水泥單耗降低，降低充填成本?；疑氨扔?1∶4降低至1∶7到1∶9，水泥用量大大降低，為礦山帶來可觀的經(jīng)濟效益。

(2)離析降低，充填強度均勻。由于充填濃度高，充填料離析現(xiàn)象降低，充填強度均勻性好[7]。同時，井下脫水少，降低了井下環(huán)境污染。采用膏體充填，年充填量79.4萬m3，濃度從60%提高到70%，減小井下排水量約23.8萬m3。

(3)增加尾礦庫庫容，降低征地成本。尾礦排放濃度由35%提高至68%以上，尾礦堆存角度可以由1°提高至3°[8]，增加了尾礦庫服務(wù)年限。根據(jù)工程類比，相同尾礦庫占地，保守估計，庫容可以提高3倍。同時，提高了尾礦庫的安全等級，節(jié)約了尾礦庫的建設(shè)成本[9-10]。

4 結(jié) 論

(1)改造后的全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案特點在于深錐濃密機兼顧充填和尾礦堆存2個功能。全尾砂由一級或多級泵送系統(tǒng)送至深錐濃密機脫水，并根據(jù)需要，由深錐濃密機底流輸送管道中的三通轉(zhuǎn)化閥控制底流送至充填或堆存。

(2)膏體充填方案也存在一定的不利因素，即該方案技術(shù)含量高，對技術(shù)人員操作要求較高。同時，該方案一次性投資大，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)運行成本較高。

(3)保留現(xiàn)有充填系統(tǒng)的部分配置，通過技術(shù)改善和新設(shè)備投資，全尾膏體充填和堆存聯(lián)合處置方案是合理的，可實現(xiàn)的。對比現(xiàn)有方案，膏體充填方案在降低水泥單耗、提高充填體質(zhì)量以及增加尾礦庫庫容方面具有巨大的優(yōu)勢。從長遠發(fā)展角度考慮，膏體方案可以同時很好地解決采空區(qū)充填和尾礦堆存2個難題，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益，符合“綠色礦山”建設(shè)理念。

[1] 國家安全監(jiān)管總局，國家發(fā)展改革委，工業(yè)和信息化部，等.關(guān)于進一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見[EB/OL].(2012-03-20)[2015-01-15].http:∥www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5330/2012/0320/167048/content_167048.htm. The State Administration of Work Safety，National Development and Reform Commission，Ministry of Industry and Information Technology，Ministry of Land and Resources，et al.Guiding opinions on further strengthening the supervision and management of tailings pond[EB/OL].(2012-03-20)[2015-01-15].http:∥www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5330/2012/0320/167048/content_167048.htm.

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(責任編輯 徐志宏)

Co-disposal Technology Reconstruction of Paste Backfilling and Tailing Discharge in a Gold Mine

Wang Jiandong1,2Wu Aixiang1,2Wang Yiming1,2Wang Hongjiang1,2Wang Yong1,2Zhou Bo1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryoftheMinistryofEducationforHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines，Beijing100083，China)

For some problems such as low filling slurry concentration，high cement consumption and lack of tailings capacity of classified tailings cemented backfill in a gold mine in China，a co-disposal scheme of unclassified-tailings paste filling and stockpiling based on the deep cone thickener was proposed to improve and optimize existing filling system.During the operation of filling system post-improvement，all unclassified tailings from dressing plant were pumped into the deep cone thickener by first or multistage pumping station.When filling is required，thickener underflow is mixed with cement by two-stage horizontal mixer to produce paste which flow by gravity or pumped to stope.When filling is not required，underflow is transported to tailing pond for paste stockpiling by piston pump.The calculation and practice showed that the reforming scheme can save 13.99 million yuan filling cost and 10.4 million yuan tailings discharge cost per year.And，tailings discharge concentration was increased from 35% to 68% which contributes to increase the tailings stockpiling angle and prolong the service life of tailings pond.The co-disposal scheme of unclassified-tailings paste filling and stockpiling，according with the conception of “Green Mining”，can simultaneously realize goaf filling and tailings stockpiling.

Filling system，Unclassified-tailings paste backfill，Tailing paste stockpiling，Co-disposal，Optimized reform

2015-08-21

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51374034，51304011，51374035)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02)。

王建棟(1993—)，男，碩士研究生。通訊作者 吳愛祥(1963—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-11-012-05