國內(nèi)某鐵礦充填工藝技術(shù)優(yōu)化研究彭志華1，陳鑫政2,3，郭利杰2,3*，趙越2,3，楊超2,3（1.云南富寧縣博奧礦業(yè)有限公司，富寧663400；2.礦冶科技集團有限公司，北京102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京102628）摘要：為解決國內(nèi)某礦山充填工藝系統(tǒng)堵管事故頻發(fā)和充填體質(zhì)量差等問題，提出優(yōu)化充填骨料級配和管線敷設的技術(shù)思路，并開展試驗研究和現(xiàn)場應用驗證。結(jié)果表明：分級粗尾砂和細尾砂的最佳混合比例在5:5~6:4之間，質(zhì)量濃度74%~78%的充填料漿可實現(xiàn)自流輸送，分級細尾砂濃縮最佳進料濃度為8~10%，絮凝劑添加量為10~15g/t，底流高度可達到56~60%。通過優(yōu)化充填管線敷設，充填管線減少485米，平均充填倍線由6.4降至4.5，礦山應用驗證采用優(yōu)化后的充填骨料和充填管線，保障了充填工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，提高了充填體質(zhì)量，實現(xiàn)了礦山高效穩(wěn)定充填。關(guān)鍵詞：分級粗尾砂分級細尾砂絮凝沉降管線優(yōu)化自流輸送中圖分類號TD853文獻標志碼A文章編號ResearchonOptimizationofBackfillingTechnologyinADomesticIronOrePengZhihua1,ChenXinzheng2.3,GuoLijie2.3,ZhaoYue2.3,YangChao2.3（1.YunnanFuningBoaoMiningCo.,Ltd,Yunnan663400;2.BGRIMMTechnologyGroup,Beijing102628;3.NationalCentreforInternationalResearchonGreenMetalMining,Beijing102628）AbstractInordertosolvetheproblemsoffrequentpipeblockageaccidentsandpoorqualityofthebackfillinadomesticmine,atechnicalideaforoptimizingthefillingtailingsparticlesizedistributionandpipelinelayingwasproposed,andexperimentsandfieldapplicationverificationwerecarriedout.Theresultsshowthattheoptimalmixingratioofclassifiedcoarsetailingsandfinetailingsisbetween5:5and6:4,andthefillingslurrywithamassconcentrationof74%to78%canrealizegravitytransportation.Toachieveefficientconcentrationofclassifiedfinetailings,thebestfeedslurryconcentrationis8~10%,theamountofflocculantaddedis10~15g/t,andtheunderflowconcentrationcanreach56~60%.Byoptimizingthelayingofthefillingpipeline,thefillingpipelineisreducedby485meters,andtheaveragefillingmultiplierisreducedfrom6.4to4.5.Theoptimizedfillingtailingsandpipelinelayingwereusedinthemineapplicationverification,whichensuredthestabilityofthebackfillingparametersandimprovedthequalityofthebackfillandachievedefficientandstableminefilling.Keywordsclassifiedcoarsetailings,classifiedfinetailings,flocculationsedimentation,Pipelineoptimization,gravitytransportation充填采礦法因其安全、環(huán)保等特點，已成為國內(nèi)地下金屬礦山開采的首選采礦方法。充填工藝技術(shù)直接影響充填采礦法的開采效率和開采成本[1-3]。充填骨料的級配對充填料漿的活易性和充填體的質(zhì)量具有較大影響，充填料漿的離析會降低充填體質(zhì)量[4-5]。對于采用全尾砂等細粒級骨料，其沉降濃縮方式和濃縮效率是充填工藝技術(shù)的關(guān)鍵[6-910]。為解決國內(nèi)某鐵礦充填工藝系統(tǒng)存在堵管事故頻發(fā)和充填體質(zhì)量差等問題，本文通過開展充填材料的物化參數(shù)測試，流動性、泌水率和抗壓強度等一系列試驗，對礦山充填工藝參數(shù)進行優(yōu)化以及充填管線進行設計，以期實現(xiàn)礦山穩(wěn)定高效充填，實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益與社會效益，確保企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。礦山充填工藝現(xiàn)狀那納鐵礦山位于云南省文山州富寧縣，礦石品位約48.78%，屬于國內(nèi)少有的高品位鐵礦，采用上向進路式充填采礦法開采。礦山目前采用分級粗尾砂膠結(jié)充填工藝，充填骨料采用經(jīng)撈砂機分級后的粗尾砂，膠凝材料為當?shù)厣a(chǎn)的P.O42.5水泥，充填管道采用DN150的無縫鋼管，充填流量為60m3/h。由于分級粗尾砂顆粒較粗、地表充填管線起伏較大，井下管線布置不合理等問題，導致礦山充填過程中頻繁出現(xiàn)堵管等事故，同時井下充填體存在明顯的分層離析現(xiàn)象，這使礦山充填系統(tǒng)一直無法穩(wěn)定連續(xù)充填，且井下充填體質(zhì)量差，影響了礦山的生產(chǎn)，也給礦石回采帶來一定的安全隱患。充填試驗研究充填材料試驗材料取自那納鐵礦選礦廠，包括全尾砂、分級粗尾砂和分級細尾砂，根據(jù)《土工試驗方法標準》[11]（GB/T50123-1999）測得全尾砂的相對密度為2.937g/cm3，其化學成分分析結(jié)果見圖1，結(jié)果表明全尾砂中SiO2、Al2O3及CaO含量較高，有利于充填體強度增長。分級粗尾砂和分級細尾砂是全尾砂經(jīng)撈砂機分級的產(chǎn)物，其物化性質(zhì)與全尾砂相同。圖1全尾砂化學成分分析結(jié)果Fig.1Analysisresultsofchemicalcompositionoftheunclassifiedtailings采用振動篩析法和激光粒度分析儀測得全尾砂、分級粗尾砂和分級細尾砂的顆粒粒徑分布結(jié)果見圖2和表1所示。結(jié)果表明全尾砂的不均勻系數(shù)為7.14，曲率系數(shù)為0.7（d10=7μm，d30=50μm，d60=250μm），屬于顆粒不連續(xù)分布不均勻的全尾砂；分級細尾砂的不均勻系數(shù)為24，曲率系數(shù)為1.5（d10=2.5μm，d30=10μm，d60=60μm），屬于顆粒連續(xù)分布不均勻的極細尾砂；分級粗尾砂-38μm顆粒占比為7.64%，+125μm顆粒占比為87.97%，屬于相對較粗尾砂。根據(jù)粒徑分布測試結(jié)果，全尾砂的粗細顆粒分明，級配較差，不能直接用于礦山充填，而經(jīng)撈砂機分級后的粗尾砂顆粒相對較粗，單獨用于充填制備的充填料漿分層離析嚴重。為此，提出在分級粗尾砂中加入一定比例的細尾砂改善尾砂整體級配組成，用于改善料漿的流動性能和均和性，制備出質(zhì)量較優(yōu)的膏體料漿，從而解決充填料漿分層離析現(xiàn)象，提高充填體質(zhì)量。圖2全尾砂和分級細尾砂粒徑分布曲線Fig.2Particlesizedistributionoftheunclassifiedtailingsandclassifiedfinetailings表1分級粗尾砂粒徑分布Table1Particlesizedistributionoftheclassifiedcoarsetailings粒徑/μm分計/%累計/%0～-155.245.24+15～-382.407.64+38～-741.198.83+74～-1253.1912.02+12587.98100.00分級細尾砂沉降試驗經(jīng)撈砂機分級后的細微砂漿濃度低，需經(jīng)沉降濃縮制成高濃度的尾砂漿才可以用于充填，為此開展分級細尾砂的沉降試驗，試驗過程如下圖3所示。圖3分級細尾砂絮凝沉降試驗過程Fig.3Theprocessofflocculationsedimentationtestofclassifiedfinetailings通過開展分級細尾砂的自然沉降試驗和絮凝沉降試驗，確定分級細尾砂的最佳絮凝劑型號為愛森6013S系列，最佳進料濃度為8%~10%，絮凝劑添加量為10~15g/t。當進料濃度為10%，絮凝劑添加量為15g/t時，分級細尾砂的固體通量為4.29t/(h·m2)，底流濃度可達到58%，試驗結(jié)果如下圖4所示。（a）進料濃度8%（b）進料濃度10%圖4分級尾砂絮凝沉降試驗結(jié)果Fig.4Resultsofflocculationsedimentationtestofclassifiedtailings流動性測試充填料漿的流動性直接影響充填料漿的輸送方式，通過采用小型坍落度筒測試充填料漿的擴散度[12-1314]，擴散度越大表明其流動性較好，反之則表明流動性較差，通常充填料漿較佳的擴散度范圍為12~20cm。設計粗、細尾砂比例為6:4、5:5和4:6三種類型、充填料漿質(zhì)量濃度：74%~78%，灰砂比：1:4~1:10，試驗結(jié)果見圖5所示。結(jié)果表明質(zhì)量濃度對充填料漿的擴散度影響顯著，隨質(zhì)量濃度的增加，擴散度逐漸變小；灰砂比對充填料漿的擴散度影響較小。根據(jù)擴散度試驗結(jié)果，當粗、細尾砂比例為6:4時，輸送濃度不宜高于78%，當粗、細尾砂比例為5:5時，輸送濃度不宜高于76%，當粗、細尾砂比例為4:6時，輸送濃度不宜高于76%。(a)(b)(c)(d)（分級粗尾砂/分級細尾砂：a=6:4，b=5:5，c=4:6）圖5充填料漿擴散度試驗結(jié)果Fig.5Resultsofspreadtestofbackfillingslurry充填配比試驗根據(jù)充填料漿流變試驗結(jié)果，選擇粗細尾砂比例為5:5和4:6兩種骨料類型，制備質(zhì)量濃度為74%~78%，灰砂比為1:4~1:10的充填試塊，分別測試其7d和28d單軸抗壓強度，試驗結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果表明粗細尾砂比例為5:5~4:6之間，相同灰砂比下充填試塊的單軸抗壓強度相差不大，且隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的增加，單軸抗壓強度逐漸增加。表2充填試塊抗壓強度測試結(jié)果Table2UCStestresultsofbackfillblocks灰砂比濃度/%單軸抗壓強度/MPa粗細尾砂比5:5粗細尾砂比4:67d28d7d28d741:41.594.381.444.021:60.832.70.652.091:80.441.350.441.401:100.320.870.290.75761:41.405.292.036.681:60.923.090.973.231:80.532.140.542.171:100.411.260.361.11781:42.476.272.666.541:61.203.761.123.351:80.692.440.722.321:100.461.760.481.69充填管線優(yōu)化通過現(xiàn)場調(diào)研，礦山目前充填管線布置如圖6（a）所示。自充填站（標高+814m）通過山體自然地形鋪設至+993m坑口，然后通過+993m斜坡道進行鋪設，最后在+650m標高處通過斜上山進入+620m中段，然后通過上山敷設至+565m中段。經(jīng)計算，自充填站至+565m中段，目前充填管線總長度為1341米，平均充填倍線約6.4，且充填管路存在多處拐彎，且轉(zhuǎn)彎角度小，現(xiàn)有充填管線局部損失多，不利于充填料漿管道輸送，容易引起堵管事故。為優(yōu)化充填管線布置，充分利用礦山已有工程，提出利用1#透氣鉆孔作為充填鉆孔的方案，充填管線自充填站經(jīng)1#透氣鉆孔輸送至+650m硐室，然后通過斜坡道輸送至620m中段，再通過620m中段至590m中段通風天井輸送至590m中段，利用原管線經(jīng)上山鋪設至565m中段，具體鋪設方案如圖6（b）所示。經(jīng)計算，經(jīng)過優(yōu)化管線布置，總管線長度減少485米，平均充填倍線為4.5，且管線拐彎少，能夠?qū)崿F(xiàn)充填料漿自流輸送。(a)(b)（a:原充填管線布置；b：優(yōu)化后充填管線布置）圖6充填管線優(yōu)化前后布置Fig.6Layoutcomparisonoffillingpipelinebeforeandafteroptimization充填工藝優(yōu)化效果通過充填試驗研究和充填管線優(yōu)化，確定充填骨料采用在分級粗尾砂中加入分級細尾砂的混合尾砂，其中粗細尾砂比例在5:5~4:6范圍內(nèi)。具體充填工藝流程為：選廠全尾砂經(jīng)撈砂機分級，其中分級粗尾砂進入皮帶輸送機進入充填站堆場備用，分級細尾砂進入濃縮設備進行沉降濃縮，底流濃度達到50%以上。分級粗尾砂經(jīng)鏟車運輸至尾砂給料機，然后經(jīng)皮帶計量輸送至一級攪拌機，同時經(jīng)濃縮的分級細尾砂通過泵也輸送至一級攪拌機，與水泥加水攪拌均勻后進入二級攪拌機再次攪拌，最后攪拌均勻合格的膏體充填料漿自流至井下充填采場，如圖7所示。圖7充填工藝流程圖Fig.7Flowchartoffillingprocess根據(jù)現(xiàn)場充填料漿取樣，充填濃度達到74%以上，充填體最高強度能夠達到3MPa以上，充填質(zhì)量高。那納鐵礦采用優(yōu)化后的充填工藝，能夠保障充填工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)充填料漿穩(wěn)定可靠自流輸送，充填采場幾乎無排水，為礦石的回采工作提供了安全保障，實現(xiàn)高品位礦石的高效開采，提高了資源的利用率。結(jié)論1）針對礦山全尾砂級配不佳的現(xiàn)狀，提出全尾砂先分級，然后通過在分級粗尾砂中加入分級細尾砂的方案優(yōu)化骨料級配，試驗結(jié)果表明分級細尾砂沉降濃縮最佳進料濃度為8%~10%，絮凝劑添加量為10~15g/t，底流高度可達到56%~60%，粗、細尾砂的比例在5:5~6:4范圍內(nèi)最佳，質(zhì)量濃度74~78%的充填料漿具有較好的流動性和均合性，灰砂比1:4充填體強度可達到4MPa以上。2）通過對礦山充填管線進行優(yōu)化配置，利用原1#透氣鉆孔作為充填鉆孔，使充填總管線長度減少485米，平均充填倍線由6.4降至4.5，實現(xiàn)了充填料漿自流穩(wěn)定輸送。3）通過對那納鐵礦進行充填工藝技術(shù)的優(yōu)化，解決了礦山堵管事故頻發(fā)、充填離析分層嚴重等問題，保障了礦山充填工藝參數(shù)的穩(wěn)定。參考文獻楊小聰，郭利杰.尾礦和廢石綜合利用技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社,2018.YANGXiaocong,GUOLijie.Tailingsandwasterockcomprehensiveutilizationtechnology[M].ChemicalIndustryPress,2018.吳愛祥,王洪江.金屬礦膏體充填理論與技術(shù)[M].科學出版社,2015.WUAixiang,WANGHongjiang.Theoryandtechnologyofpastefillinginmetalmine[M].SciencePress,2015.吳愛祥,王勇,王洪江.膏體充填技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢[J].金屬礦山,2016,481(07):1-9.WUAixiang,WANGYong,WANGHongjiang.Statusandprospectsofthepastebackfilltechnology[J].MetalMine,2016,481(07):1-9.于潤滄.金屬礦山膠結(jié)充填理論與工程實踐[M].冶金工業(yè)出版社,2020.YURuncang.Theoryandengineeringpracticeofcementedfillinginmetalmine[M].MetallurgicalIndustryPress,2020.程海勇,吳愛祥,吳順川等.金屬礦山固廢充填研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程科學學報,2022,44(01):11-25.CHENGHaiyong,WUAixiang,WUShunchuan,etal.Researchstatusanddevelopmenttrendofsolidwastebackfillinmetalmines[J].ChineseJournalofEngineering,2022,44(01):11-25.陳鑫政,郭利杰,李文臣,等.全尾礦沉降濃縮試驗研究[J].黃金科學技術(shù),2019,27(01):109-115.CHENXinzheng,GUOLijie,LIWenchen,etal.ExperimentalStudyonSedimentationandConcentrationofUnclassifiedTailings[J].GoldScienceandTechnology,2019,27(01):109-115.吳愛祥,周靚,尹升華,等.全尾砂絮凝沉降的影響因素[J].中國有色金屬學報,2016,26(2):439-446.WuAixiang,ZhouLiang,YinShenghua,etal.Influencefactorsonflocculationsedimentationofunclassifiedtailings[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2016,26(2):439-446.焦華喆,王樹飛,陳新明,等.全尾砂壓密區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)幾何特征及剪切演化規(guī)律[J].有色金屬工程,2019,9(10):95-101.JIAOHuazhe,WANGShufei,CHENXinming,etal.GeometricCharacteristicsandShearEvolutionLawofPoreStructureinCompactionZoneofUnclassified-Tailings[J].NonferrousMetalsEngineering,2019,9(10):95-101.侯國權(quán),郭利杰,楊超,許文遠.高濃度全尾砂充填料漿流變特性試驗研究[J].中國礦業(yè),2014,23(S2):238-241.HOUGuoquan,GUOLijie,YANGChao,etal.Testingandstudyontherheologicalpropertiesofthehigh-densityfillingslurryofthefulltailings[J].ChinaMiningMagazine,2014,23(S2):238-241.楊超,郭利杰,侯國權(quán),李宗楠.細粒級尾礦膏體最佳排放濃度確定方法[J].金屬礦山,2017(05):29-32.楊超,郭利杰,侯國權(quán)等.細粒級尾礦膏體最佳排放濃度確定方法[J].金屬礦山,2017,491:29-32.YANGChao,GUOLijie,HOUGuoquan,etal.Determinationofthebestdischargeconcentrationforfinetailingpaste[J].METALMINEetalMine,2017(05):29-322017,491:29-32.邵亞平,陳鑫政,陳寅.全尾砂沉降特性試驗研究[J].有色金屬(礦山部分),2018,70(06):29-32.李欣,郭利杰,許文遠等.某鐵礦全尾砂膠結(jié)充填體力學性能研究[J].中國礦業(yè),2019,28（Z2）:402-424.LISHAOXinYaping,,GUOLijieCHENXinzheng,XUCHENWenyuanYin,etal.ExperimentalstudyonsettlementcharacteristicsoffulltailingsStudyonmechanicalpropertiesofcementedfillingwithfulltailingsinanironmine[J].NonferrousMetals(MineSection)ChinaMiningMagazine,2018,70(06):29-32.2019,28（Z2）:402-424.中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999土工試驗方法標準.北京：中國計劃出版社，1999.MinistryofWaterResourcesofthePeople’sRepublicofChina.GB/T50123-1999Standardforsoiltest.陳鑫政，楊小聰，郭利杰，等.基于擴散度的尾砂膏體流變特性[J].工程科學學報，2020,42(10)1299-1307.CHENXinzheng,YANGXiaocong,GUOLijie,etal.Rheologicalpropertiesoftailingspastebasedonaspreadtest[J].ChineseJournalofEng