袁世倫 陳金平 程戰(zhàn)明 徐剛 劉守安
摘要:對銅山銅礦全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)投入運(yùn)行存在的系列問題進(jìn)行分析,采取有針對性的優(yōu)化和完善改造措施,解決了極細(xì)顆粒尾砂難以沉降、充填濃度低且極不穩(wěn)定等問題。實施后的生產(chǎn)運(yùn)行表明:改造后,獲得了較好的生產(chǎn)指標(biāo),下砂濃度穩(wěn)定在63 %~67 %,下漿濃度穩(wěn)定在65 %~70 %,放漿流量為100~120 m3/h,充填綜合成本為75~80元/m3;充填體質(zhì)量得到了保證,改善了二步驟采場回采環(huán)境,節(jié)約了充填成本,充填系統(tǒng)優(yōu)化效果顯著,對同類礦山具有借鑒和示范作用。
關(guān)鍵詞:極細(xì)顆粒;全尾砂;膠結(jié)充填;充填濃度;充填成本
中圖分類號:TD853.34????????? 文章編號:11001-1277(2022)05-0043-05
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi:10.11792/hj20220508
引 言
銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司銅山銅礦分公司(下稱“銅山銅礦”)位于安徽省銅陵市,于1959年建成投產(chǎn),日處理礦石1 500 t,主要從事銅金屬的采選生產(chǎn)。礦山經(jīng)過多年開采,前期資源逐漸枯竭,為實現(xiàn)企業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),銅山銅礦積極實施二輪找礦,新探明銅礦石資源2 189.92萬t,銅金屬量235 378 t。新礦山于2009年開始建設(shè),于2014年進(jìn)入試生產(chǎn)階段,采用分段空場充填采礦法開采,順利實現(xiàn)了新老礦山平穩(wěn)接替。目前,銅山銅礦年采選礦量66萬t,年產(chǎn)銅5 000 t、硫精砂(35 %)15萬t、鐵精砂(63 %)5萬t。
銅山銅礦新充填站建成后,委托銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心從選礦廠磁尾等多點取全尾砂樣品進(jìn)行尾砂特性分析,發(fā)現(xiàn)尾砂顆粒極細(xì)且含硫高,粒徑-37 μm占60 %左右,屬于細(xì)—極細(xì)顆粒尾砂。使用普通的硅酸鹽水泥,即使是高強(qiáng)度等級、高配比,充填體都難以膠結(jié)固化。而分級后的尾砂量(一般剔除掉37 μm以下顆粒尾砂)不能滿足井下采充平衡要求,遂采用全尾砂膠結(jié)充填[1]。在原充填系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對新充填系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,以實現(xiàn)采充平衡,為礦山安全高效開采提供技術(shù)支撐。
1 充填材料物理化學(xué)特性分析
對銅山銅礦尾砂進(jìn)行多次取樣,對其化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。
由表1可知:銅山銅礦尾砂中Fe、Al2O3、MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,分別為10.80 %、3.65 %、0.86 %和25.75 %,K、Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.23 %和0.086 %,Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.052 %。尾砂中主要非金屬成分為SiO2和S,分別為24.42 %和9.92 %,硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對全尾砂充填體強(qiáng)度有重要影響,銅山銅礦尾砂中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,對充填體強(qiáng)度非常不利。其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.23 %。
對銅山銅礦T4#尾砂樣進(jìn)行粒徑分析,結(jié)果見圖1。由圖1可知:銅山銅礦T4#尾砂樣d10為1.081 μm,d50為23.85 μm,d60為39.66 μm,d90為118.0 μm,+74 μm的尾砂占比24 %,尾砂中粗顆粒含量較少,屬于細(xì)—極細(xì)尾砂,T4#尾砂樣泥化現(xiàn)象明顯。根據(jù)計算公式求得銅山銅礦尾砂顆粒不均勻系數(shù)為36.68,結(jié)合粒徑分布曲線可認(rèn)為T4#尾砂樣顆粒級配不均勻。
對尾砂進(jìn)行沉降試驗,由試驗結(jié)果可知:初始濃度較低的砂漿,開始時沉降高度變化較快,初始沉降界線較明顯,上部細(xì)粒較多,30~60 min后變化明顯趨緩,濃度10 %的砂漿3 h沉降濃度可達(dá)56 %,24 h沉降濃度58.2 %~58.6 %;初始濃度較高的砂漿初始沉降變化慢,前30 s內(nèi)沉降變化很小,界線不清晰,50 s后界線逐漸清晰,上部細(xì)粒較少,60~90 min后變化明顯趨緩,濃度35 %~40 %砂漿6 h沉降濃度可達(dá)60.0 %,24 h沉降濃度可達(dá)63.0 %~66.6 %。
全尾砂沉縮的實質(zhì)是一個沉降過程,表現(xiàn)出3種狀態(tài)特征:①全尾砂分級,在沉降開始后的一段時間內(nèi),粗重顆??焖傧侣洌^細(xì)顆粒緩慢下移,更細(xì)的顆粒則懸浮于上部,漿面與液面界線渾濁不清;②粗粒沉縮,粗重顆粒沉降壓縮到相互緊密接觸的狀態(tài);③細(xì)粒沉縮,懸浮于上部的細(xì)顆粒沉降壓縮到顆粒緊密接觸的狀態(tài),達(dá)到最大沉降濃度[2-3]。自然沉降速度太慢,上部液面渾濁,不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。
2 全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)及其存在的問題
銅山銅礦全尾砂輸送流程見圖2,新充填系統(tǒng)工藝流程見圖3。根據(jù)礦山的充填現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)新的全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)在實施過程中存在如下問題:
1)新充填系統(tǒng)安裝存在缺陷?;覀}內(nèi)除塵器四周有積水,鋼筋條焊接不密實,水易滲入灰倉,灰倉出現(xiàn)膠凝材料結(jié)塊現(xiàn)象;濃密池輸送流量400 m3/h,進(jìn)入砂倉時,溢流管管徑過小,造成砂倉滿溢;膠凝材料輸送管道水平管過長,管道易堵死或輸送膠凝材料的能力變小;砂倉絮凝劑添加管道安裝位置過低,易出現(xiàn)回流水。
2)生產(chǎn)用水水質(zhì)的影響。生產(chǎn)用水用來造漿和稀釋攪拌桶內(nèi)的膠結(jié)充填料,但是礦區(qū)的生產(chǎn)用水含泥重、雜質(zhì)多,不僅對攪拌后充填料漿的性能起到抑制作用,還會堵塞水泵和造漿管道,腐蝕砂倉,對充填體的指標(biāo)有很大的影響。
3)儀器儀表需要調(diào)試和校核。在啟用新設(shè)備前,各種儀器儀表都是原裝出廠設(shè)置,部分參數(shù)需要根據(jù)銅山銅礦尾砂、膠凝材料和砂倉儲料特性進(jìn)行設(shè)置,且在使用前需要對各種儀器儀表進(jìn)行重新校核。這主要包括濃度計計量前的校核、雙螺旋給料器計量的校核、攪拌桶轉(zhuǎn)速的校核、操作系統(tǒng)的表單和聯(lián)動數(shù)據(jù)的更新和設(shè)置、料位儀的校核等。
4)現(xiàn)行工藝條件難以實現(xiàn)全尾砂充填。目前,銅山銅礦的沉降措施只有一個防擾動的格槽,很難將 -37 μm 的顆粒進(jìn)行沉降,這樣60 %的尾砂將從溢流槽外溢,尾砂量將難以滿足井下采空區(qū)的采充平衡。因此,需強(qiáng)化尾砂沉降,保證溢流濃度在5 %以內(nèi)。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846
5)工作人員對操作工藝不熟悉。新充填工藝操作系統(tǒng)分手動和自動2套系統(tǒng)。整個流程工藝較復(fù)雜,開啟的閘閥和控制的指標(biāo)量較多,具體流程見圖4。在此過程中遇到下砂濃度不夠時需及時調(diào)整下漿管閘閥的大小,同時調(diào)整下灰量,必要時可能還需要調(diào)換下料砂倉。在這個過程中需要隨時注意下砂濃度、下砂流量、下灰量、下漿濃度、下漿流量和流速、攪拌桶液位高度、地表下漿口的漿液流動狀況,盡量控制各項指標(biāo)在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
3 充填系統(tǒng)優(yōu)化及效果
3.1 充填材料
3.1.1 尾砂特性研究
分別對尾砂的粒徑、滲透性、流動性、密度、孔隙率等特性進(jìn)行了細(xì)致分析,相關(guān)試驗結(jié)果見表2~4。
3.1.2 絮凝劑添加試驗研究
采用聚丙烯酰胺系列絮凝劑,共有N345陰離子型、A756陰離子型、A556陰離子型、A245弱陰離子型和N134非離子型5種。將絮凝劑配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1 %的溶液進(jìn)行沉降試驗。料漿濃度為20 %,沉降記錄時間為1 h,絮凝沉降基本在3 min內(nèi)完成,剩下基本是沉降尾砂在自重下的自我壓縮與上部細(xì)小未絮凝沉降顆粒的自然沉降過程[4-5]。因此,為反映絮凝沉降過程,進(jìn)行沉降試驗,試驗結(jié)果表明:
1)N345陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t,在對溢流澄清要求不高,有充足時間(1 h以上)沉降時,可以考慮20 g/t添加量。A756陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t,在對溢流澄清要求不高,有充足時間沉降時,可以考慮15 g/t添加量。A556陰離子型絮凝劑添加量為30 g/t,在對溢流澄清要求不高,有充足時間沉降時,可以考慮20 g/t添加量。A245弱陰離子型絮凝劑添加量為25 g/t,在對溢流澄清要求不高,有充足時間沉降時,可以考慮10 g/t添加量。N134非離子型絮凝劑添加量為15 g/t,在對溢流澄清要求不高,有充足時間沉降時,可以考慮10 g/t添加量。
2)絮凝劑沉降效果排序:N134非離子型>A245弱陰離子型>A756陰離子型>N345陰離子型>A556陰離子型。
3)工業(yè)試驗中,料漿濃度為10 %~20 %時,絮凝劑添加量可以在建議用量的基礎(chǔ)上向下浮動5 g/t。
3.1.3 膠凝材料選擇
針對銅山銅礦全尾砂特性,選擇了多種新型膠凝材料進(jìn)行室內(nèi)試驗,在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上,篩選了2種進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗,研究分析新型膠凝材料在新充填系統(tǒng)應(yīng)用的效果。在-568 m中段選擇了西1#和西3# 2個采場,采用2種新型膠凝材料分別進(jìn)行充填試驗,充填結(jié)束28 d后分別對西1#和西3#采場充填體進(jìn)行鉆孔取樣(見圖5),對所取鉆樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗。由鉆孔取樣結(jié)果可知,2個采空區(qū)充填體均存在離析現(xiàn)象,采空區(qū)下部充填體巖心較好,上部較差。充填體取樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如下:
1)西1#采場充填體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度大小不一,質(zhì)量較大的試樣單軸抗壓強(qiáng)度在2.70 MPa以上,也有個別試樣單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.89 MPa。質(zhì)量較小的試樣單軸抗壓強(qiáng)度大部分在2.00 MPa以下,其中最低僅為1.12 MPa,單軸抗壓強(qiáng)度差異明顯,平均單軸抗壓強(qiáng)度為2.78 MPa。
2)西3#采場充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)5.70 MPa,最小僅為0.95 MPa,平均單軸抗壓強(qiáng)度為2.66 MPa。
2種膠凝材料均能完整取出充填體巖心,其單軸抗壓強(qiáng)度平均值均超過2.50 MPa,滿足銅山銅礦充填系統(tǒng)的要求,最終選擇其中一種性價比高的膠凝材料作為全尾砂膠結(jié)充填的膠凝材料。
3.2 工藝流程完善
3.2.1 添加尾砂減速緩沖裝置
由于系統(tǒng)砂倉進(jìn)砂管沒有安裝在砂倉中心位置,進(jìn)砂偏向一側(cè),從而導(dǎo)致該側(cè)的尾砂在砂倉中停留時間較短,來不及沉降;進(jìn)砂速度較快或砂漿過于集中,對倉內(nèi)尾砂漿沖擊較大,導(dǎo)致沉降下來的尾砂被沖起,引起返渾。因此,將出砂口挪至砂倉的中心位置;同時,對出砂口進(jìn)行改造,采用多孔溢流方式,降低出砂口料漿速度,分散砂漿的入倉點,避免進(jìn)入的料漿由于速度過快或過于集中對砂倉內(nèi)尾砂漿的沖擊而引起返渾。多孔溢流結(jié)構(gòu)見圖6。
另外,針對溢流管不夠粗,導(dǎo)致溢流水從砂倉頂部溢出的問題,在砂倉外側(cè)增加1條溢流管或換裝更大的溢流管。
3.2.2 優(yōu)化絮凝劑添加系統(tǒng)
原采用柱塞泵振動,在原有的管道上增加1個阻尼器和蓄能器氣囊,同時在管道轉(zhuǎn)彎處加固穿墻鉚釘;在原有儲藥桶的基礎(chǔ)上增加2個7.5 m3的儲藥桶,在鐵桶內(nèi)壁加防腐涂層,使3個儲藥桶串接起來,保證攪拌后的低濃度絮凝劑能夠靜置60 min后再輸送到倉頂。在倉頂處采用多點下料的方式進(jìn)行添加,管道采取防凍設(shè)計,添加濃度控制在0.5 ‰~1.0 ‰,并且選用生活用水作為絮凝劑制備用水。同時,加強(qiáng)絮凝劑添加過程的管理,不但要保持添加過程勻速,還要控制攪拌時間和攪拌速度,每次添加完畢要清洗攪拌桶。
3.2.3 局部工藝系統(tǒng)優(yōu)化
為了使充填系統(tǒng)更加完善,對局部工藝進(jìn)行優(yōu)化,其中主要有:①下漿槽口添加防堵塞格網(wǎng),防止攪拌桶內(nèi)未清洗干凈的水泥漿凝固結(jié)塊后堵塞充填管道;②在下砂管進(jìn)攪拌桶前的管道上增開取樣口,方便濃度壺取樣,及時測定尾砂濃度,以進(jìn)行濃度儀表讀數(shù)的校核;③在灰倉下料口增開活動槽口,方便處理水泥結(jié)塊;④在PLC控制原理中將灰砂配比瞬時一一對應(yīng)的配比關(guān)系調(diào)整為在某個較短時間段內(nèi)一一對應(yīng)的控制原理,即實行軟量批控制的策略,提高了灰砂比控制的準(zhǔn)確性;⑤灰料的輸送采用軟管傾斜輸送,輸料口能夠簡易移動,方便輸送管道之間的對接。
3.3 充填工藝標(biāo)準(zhǔn)完善
優(yōu)化后的全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生較大變化,自動化控制進(jìn)一步提高,原有的分級充填工作標(biāo)準(zhǔn)無法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)要求。對此,銅山銅礦組織工程技術(shù)、生產(chǎn)操作和相關(guān)管理人員,制(修)訂了相關(guān)崗位工作標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),制作統(tǒng)一標(biāo)牌,懸掛在操作崗位,規(guī)范員工操作行為。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846
3.4 加強(qiáng)技能培訓(xùn)
鑒于老充填站生產(chǎn)和新充填站建設(shè)同時進(jìn)行,為了做好新老充填生產(chǎn)對接,采取多種形式的培訓(xùn),提高充填員工操作技能,確保新充填站正常生產(chǎn)。一是選派部分生產(chǎn)骨干和相關(guān)管理人員到相關(guān)礦山充填站進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn),借鑒先進(jìn)的生產(chǎn)管理經(jīng)驗。二是抽調(diào)部分人員,參與新充填站建設(shè)和設(shè)備安裝工作,熟悉充填生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備特性。三是組織全體充填員工參與生產(chǎn)系統(tǒng)和充填設(shè)備調(diào)試工作,聘請設(shè)備廠家技術(shù)人員進(jìn)行針對性培訓(xùn)工作。四是抽調(diào)工程技術(shù)人員,參與充填試驗研究工作,及時了解掌握充填生產(chǎn)技術(shù)條件。五是組織全體充填員工進(jìn)行充填知識、崗位工作標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、新充填工藝流程及充填設(shè)備特性培訓(xùn)工作,通過座談、交流,分享學(xué)習(xí)成果。
3.5 優(yōu)化實施效果
1)溢流水澄清。絮凝劑添加系統(tǒng)完善后,溢流水呈澄清狀態(tài)溢出。尾砂供給量滿足生產(chǎn)要求。
2)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化改造后,充填系統(tǒng)各種儀器儀表運(yùn)轉(zhuǎn)正常,各種指標(biāo)之間聯(lián)動穩(wěn)定,充填系統(tǒng)的下砂濃度為63 %~67 %,下漿濃度穩(wěn)定在65 %~70 %,放漿流量控制在100~120 m3/h。
3)充填體強(qiáng)度指標(biāo)。銅山銅礦選礦磁尾全尾砂粒徑37 μm以下占60 %,74 μm以上粒徑只占20 %,含硫一般在5 %~18 %,且含泥量大,比表面積500~600 m2/kg。充填站采用全尾砂膠結(jié)充填工藝,采用絮凝劑(有機(jī)高分子聚丙烯酰胺)加速尾砂沉降,絮凝劑添加量一般在30 g/t,0.05 m下料管放漿濃度在65 %~70 %。充填體自立高度在45 m左右,使用新型膠凝材料,通過現(xiàn)場原位取樣,其單軸抗壓強(qiáng)度在2.50 MPa以上。
從現(xiàn)場膠結(jié)效果來看,新型膠凝材料不但能適應(yīng)新充填系統(tǒng)放漿濃度不穩(wěn)定的問題,還能解決高硫極細(xì)顆粒尾砂固結(jié)后容易崩解和形成裂隙的難題。
4)經(jīng)濟(jì)成本對比。按照室內(nèi)試驗配比,采用強(qiáng)度等級42.5水泥,灰砂比1 ∶4,凝固后,充填體的強(qiáng)度難以達(dá)到2.00 MPa;而采用新型膠凝材料尾砂膠結(jié)灰砂比1 ∶8,能夠滿足單軸抗壓強(qiáng)度2.00 MPa以上的要求。按照水泥與尾砂的配比1 ∶4和新型膠凝材料灰砂比1 ∶8進(jìn)行成本計算,1 m3充填體需水泥475 kg,以400元/t計算,則采空區(qū)成本為190元/m3;而1 m3充填體需新型膠凝材料是211 kg,以410元/t計算,則采空區(qū)成本約為87元/m3;一年按照36萬t采礦量計算,采用隔一采一的方式進(jìn)行充填,每年需要膠結(jié)充填6萬m3采空區(qū),至少節(jié)約成本618萬元。與此同時,使用新型膠凝材料后提高了充填體穩(wěn)定性,有效保證了充填體強(qiáng)度要求,對礦體起到了支撐和保護(hù)作用,保障了井下生產(chǎn)的安全。
總之,通過對充填系統(tǒng)的優(yōu)化改造,充填系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠,在充填過程中,充填濃度穩(wěn)定在65 %~70 %,保證了充填體質(zhì)量,改善了二步驟采場回采環(huán)境,目前膠結(jié)充填膠凝材料灰砂比由1 ∶8優(yōu)化至1 ∶12,充填綜合成本為75~80元/m3,進(jìn)一步節(jié)約了充填成本,為礦山安全生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
4 結(jié) 論
1)本文對銅山銅礦全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)投入運(yùn)行存在的系列問題進(jìn)行了細(xì)致的分析,并采取有針對性的優(yōu)化和完善改造措施,有效解決了極細(xì)顆粒尾砂難以沉降、充填濃度低且極不穩(wěn)定等問題。
2)充填系統(tǒng)優(yōu)化效果顯著,實施后的生產(chǎn)運(yùn)行表明,下砂濃度穩(wěn)定在63 %~67 %,下漿濃度穩(wěn)定在65 %~70 %,放漿流量在100~120 m3/h。
3)充填體質(zhì)量穩(wěn)定,改善了二步驟采場回采環(huán)境,充填綜合成本為75~80元/m3,充填成本顯著降低。
[參 考 文 獻(xiàn)]
[1] 銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心,銅陵有色股份有限公司銅山礦業(yè)有限公司.銅山礦業(yè)公司高濃度全尾砂充填技術(shù)研究階段報告[R].銅陵:銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心,2016:11.
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Application and optimization of extremely fine ungraded tailings cemented filling process system
Yuan Shilun,Chen Jinping,Cheng Zhanming,Xu Gang,Liu Shouan
(Tongshan Copper Mine Branch,Tongling Non-ferrous Metals Group Co.,Ltd.)
Abstract:The study analyzes a series of problems related to the ungraded tailings cemented filling system put into use in Tongshan Copper Mine,and based on that,carried out targeted optimization and improvement measures,so that the problems that extremely fine tailings are difficult to settle and that the filling concentration is low and very unstable are effectively solved.The production practice shows that good prodution index are oblained after the renoration:the sand concentration was stable at 63 %-67 %,the mortar concentration was stable at 65 %-70 %,the discharge slurry flow was 100-120 m3/h,and the comprehensive cost of filling was 75-80 yuan/m3.The quality of the filling body has been guaranteed,which improves the two-step stoping environment and saves the cost of filling.The optimization of the filling system has a significant effect and can be referred to by similar mines.
Keywords:extremely fine;ungraded tailings;cemented filling;filling concentration;cost of filling
收稿日期:2021-11-02; 修回日期:2022-03-05
作者簡介:袁世倫(1963—),男,安徽來安人,教授級高級工程師,從事礦山工程技術(shù)研究與管理工作;安徽省銅陵市銅山礦礦區(qū)內(nèi)(礦辦大樓),銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司銅山銅礦分公司,244000;E-mail:yuansl2008@hotmail.corn4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846