謙比希銅礦膏體充填關鍵技術及效益分析*

楊清平 王 勇 王貽明 韓振雁 王志會

(1．中色非洲礦業有限公司;2．北京科技大學土木與資源工程學院)

膏體充填技術是當今最為先進的膠結充填技術，它在充填材料的選擇、配比、濃度以及泵送工藝等方面與傳統的分級尾砂、全尾砂自流輸送充填有明顯的差別，是科技含量比較高的充填技術，具有不離析、不沉淀、不脫水、充填能力大、充填成本低等特點[1-2]。目前，膏體充填通過不斷改進完善，技術基本成熟，工藝更加簡單，系統運行更加可靠，充填效率更高，成本更低[3]。其主流工藝為深錐濃密機一段濃密脫水，實現了膏體制備技術的重大突破；雙軸葉片攪拌機及雙軸螺旋攪拌機二段臥式攪拌、地表微粉秤計量、雙缸活塞泵輸送等，其發展促進了膏體充填技術的成功應用[4]。而且，隨著礦山日益環?；l展理念，膏體充填應用范圍正在逐步擴大，除應用于井下充填外，還逐步向尾礦堆存方向發展[5]。

謙比希銅礦西礦體傾角較緩，一般為30°左右，厚度中等，真厚度為7～14 m；礦體及圍巖為泥質板巖，比較破碎(RQD<30%)，遇水易泥化崩解，礦巖富水，涌水量較大，平均為15 000 t/d，屬典型的難采礦體。開采面臨的主要難題為礦體及下盤圍巖破碎，且遇水泥化，巷道成形困難，支護難度大；原有分級尾砂水砂泵送擠壓充填，充填水對礦巖浸泡軟化破壞嚴重，采場維護難度大，支護成本高；采場礦石回采率低，僅50%左右，貧化率較高；采場脫排水困難，圍巖泥化嚴重，巷道維護難度大，設備損耗高，運行效率低[6-7]。為此，謙比希銅礦采用膏體充填技術。本文從膏體充填六大關鍵技術及經濟、安全、社會效益等方面對謙比希銅礦的應用情況進行闡述。

1 膏體充填工藝

1.1 充填物料特性

充填物料主要來源于選礦廠全粒級尾砂。選礦廠處理生產能力為200萬t/a(6 000 t/d)，尾砂產率約95%，完全滿足西礦體采礦生產能力100萬t/a所需要的充填尾砂量。全尾砂密度為2.67 t/m3，松散密度為1.4 t/m3，孔隙率為47.87%，其粒級級配組成見表1。尾砂中-200目(-74 μm)為70.85%，-400目(-37 μm)為46.98%。

表1 全尾砂粒級級配組成

膠凝材料采用普通硅酸鹽散裝水泥。同時,出于投資和成本方面考慮，膏體充填系統設計上未考慮添加粗骨料，但方案設計上要求采場充填前盡量充填掘進廢石，以提高充填體強度。

1.2 膏體充填系統升級改進

設計采用全尾砂作為充填集料的膏體泵送充填工藝，主要工藝流程為來自選礦廠的尾砂漿(質量濃度20%～40%)經一臺φ11 m的深錐濃密機一段脫水，制成濃度為64%～68%膏體狀全尾砂；全尾砂經深錐濃密機底流泵輸送至二級攪拌機中,與水泥一起攪拌制成濃度66%～70%膏體充填料，再采用工業柱塞泵及其液壓機構輸送至井下充填。水泥在地表進行干式添加，給料系統由水泥倉及定量給料機組成；泵送設備為德國Putzmeister公司引進的2臺KOS2180HP型柱塞泵，泵的輸送能力為60～70 m3/h，泵壓為10 MPa。

為了提高膏體充填系統能力，實現西礦體全部采用膏體充填的技術需求，隨后對膏體充填系統深錐濃密機底流泵及充填管路進行了改造，即在現有一臺深錐濃密機的基礎上，增加一臺底流泵，實現了單臺深錐濃密機與2臺攪拌和泵送系統有效配合運行，深錐處理能力和適應能力大幅提高；同時從2臺輸送泵開始，沿著2個充填鉆孔各布置一趟充填管路，形成2套獨立的充填管網系統，既可以單獨充填，也可以同時充填2個采場，系統充填能力得到大幅提高，由以前的60～70 m3/h提高到120～140 m3/h。而且，在2個充填鉆孔前安裝5個控制閘閥，同時增加濃度計、流量計、壓力表、料位計等儀表，并集成到原DCS系統，實行遠程監控，使2套充填系統互為備用，一旦某一套系統設備、設施有故障，只需調換一下充填鉆孔前管網上的閘閥，實現2個充填管網的互換，就可以按需要進行充填。充填工藝流程見圖1。

1.3 膏體充填主要技術參數

謙比希銅礦充填系統為贊比亞首套智能化膏體充填系統，為西礦體的安全回采提供了強有力的技術支撐。目前充填技術參數：濃密機處理能力為120 t/h(干砂)，濃密機底流濃度為65%～70%；制備膏體濃度為66%～70.4%；水泥量添加范圍為(1∶30)～(1∶12)，水泥單耗為30～180 kg/m3，充填能力為120～140 m3/h；充填體強度為0.6 MPa以下，充填體自立強度為0.36 MPa；管道輸送沿程阻力損失為4 MPa。

2 膏體充填關鍵技術

2.1 尾礦深錐濃密防壓耙技術

深錐壓耙是膏體充填常見的主要技術故障之一，嚴重影響膏體制備與系統生產能力。在基礎實驗的基礎上，掌握了謙比希銅礦尾礦沉降特性和流變特性，通過理論計算和仿真模擬技術，探明了謙比希銅礦尾礦深錐濃密絮凝沉降和耙架受力分布規律，進而優化深錐驅動機構和耙架結構，同時設置了不同的深錐內部循環運行機制，綜合流態化造漿技術和底流濃度智能稀釋系統，使深錐內部沉降的尾礦濃度分布均勻，始終處于流態狀態，避免出現因尾礦板結而導致的深錐壓耙，從而實現了深錐的平穩運行，至今未發生壓耙事故。

圖1 膏體充填工藝流程

2.2 深錐底流濃度與膏體制備質量智能控制系統

通過濃度計與流量計對深錐底流濃度與流量的在線采集與監控，實時調整深錐運行參數和稀釋水添加量，底流濃度波動范圍可控制在3%以內。膏體制備時，根據底流濃度、流量與設計的灰砂比，實時調節水泥倉底部的螺旋給料機電機轉速，實時調控水泥添加量，從而實現了膏體濃度與灰砂比的精確控制，確保了膏體制備的質量。

2.3 絮凝劑溶液的制備與添加自動控制系統

合理的絮凝劑添加可以加快尾礦在深錐內的沉降速度，保證深錐溢流水的澄清度和深錐的沉降通量，從而確保深錐的生產能力。絮凝劑的制備與添加均實現自動智能化，通過多點投料和導流槽的紊流裝置實現了絮凝劑的均勻投放，且深錐溢流澄清度高，尾礦沉降均勻，絮凝劑浪費少。

2.4 管道輸送摩阻計算新模型

在環管試驗的基礎上，建立了考慮管壁滑移效應的膏體輸送摩阻計算模型，新的管輸摩阻計算模型較常用的結構流等模型具有更好的適應性。

目前常見的膏體管道輸送的管阻模型均未考慮管道的邊壁滑移效應，而大量的工程實踐表明，膏體管道輸送存在加大的邊壁滑移效應，為此，在試驗的基礎上建立了謙比希膏體管道輸送摩阻模型：

(1)

式中，ΔP為管道輸送壓力損失，Pa；L為管道長度，m；V為膏體流速，m/s；D為管徑，mm；τy為屈服應力，Pa；δ為滑移層厚，mm；μp為膏體塑性黏度，Pa·s；Dp為加權平均粒徑，mm；μs為滑移層黏度，由于黏度極低，可將其直接視作為清水，取常溫狀態下的清水黏度值，Pa·s。

通過分析可知，利用新構建的謙比希摩阻計算公式計算得到的管道阻力損失值與實測阻力損失值基本一致。在流量為60 m3/h、內徑為150 mm管道輸送時，膏體質量濃度為71.8%、70.8%、69.6%的管道阻力損失值分別為4.13，3.28，2.23 MPa/km，表明新構建的摩阻計算公式具有很好的適應性。

2.5 貧化損失指標控制關鍵技術

通過理論計算與試驗研究，確定合理的充填體強度，研發了輕型木質擋墻快速構筑工藝，提出了多種采場充填接頂模式，合理確定采場進路斷面形狀和回采順序。

西礦體采用分步回采上向水平分層膏體充填法回采，與其他采用類似采礦方法的礦山相比，因贊比亞水泥供應緊張，價格高，因此，膏體充填無法采用高強度配比，二步驟回采時的貧化損失控制技術尤為關鍵。

合理確定充填灰砂比和充填體強度，灰砂比根據生產需要介于(1∶12)～(1∶30)，充填體強度控制在0.6 MPa以下。采取多種接頂方式確保一步驟采場充填接頂率，采用邊界控制爆破技術和留礦壁護邊技術，實現了低強度膏體充填安全高效低貧化損失指標回采。

2.6 膏體充填管道壓力在線監測預警系統

通過布設傳感器對管內壓力進行實時動態監測，根據壓力變化特征對管道的運行狀態做出預判并及時采取處理措施，是預防及降低管道破壞損失的有效手段。

建立膏體充填管道壓力在線監測系統，根據日常充填過程中的壓力監測數據，結合井下管道失效事故，通過對比分析，提出了管道爆裂、泄漏及堵塞的事故預判機制，并制定了相應的應急預案。

采用基于壓力監測信息的事故預判方法，有效解決了井下管道堵管、爆管事故的發生，目前為止，僅在調試期間發生一次堵管事故。

3 效益分析

實踐證明，膏體充填是一種技術先進，綜合經濟效益好，能滿足謙比希銅礦充填開采技術要求的新工藝，在謙比希銅礦推廣應用非常必要。對比2017年和2016年礦山生產指標，計算膏體充填取代水砂充填產生的綜合效益。2016年膏體充填13.68萬m3，消耗水泥7 607 t，平均水泥耗量為55.6 kg/m3；2017年膏體充填35.40萬m3，消耗水泥18 200 t，平均水泥耗量為51.4 kg/m3。2017年較2016年膏體充填量增加近20萬m3，逐步取代水砂充填，采礦指標進一步改善。

3.1 直接經濟效益

與水砂充填相比，膏體充填產生的直接經濟效益主要來自于礦石回收率提高而帶來的經濟效益；貧化率降低而節省的廢石運輸和選礦處理成本；支護量減少，采場循環加快；生產能力提高產生的效益；回采率增加導致采切比降低而節省的掘進成本；井下充填回水減少而節省的排水排泥成本。而膏體充填新增了水泥及制造成本，部分經濟效益將被抵消。

3.1.1 回采率提高的經濟效益

2017年西礦體采出礦量114萬t，采出品位為2.02%，回采率為72.8%，其中，兩步驟回采占40%，回采率約75%；2016年西礦體采出礦量98.76萬t，采出品位為2.06%，回采率66.5%，其中，兩步驟回采占30%，回采率約70%。2017年由回采率提高多回收的金屬量為460.56 t，2017年銅價為6 105美元/t，西礦體生產成本為4 965美元/t，2017年回采率提高而多回收的金屬量帶來的經濟效益為489 861美元。

3.1.2 貧化率降低的成本

2017年西礦體采出礦量114萬t，采出品位為2.02%，貧化率為6.8%；2016年貧化率指標為9.5%。2017年由貧化率減少的廢石混入量為12 312 t，2017年礦石提升運輸及選礦加工成本約為9.6美元/t，節省成本為118 195美元。

3.1.3 錨索支護節省的成本

由于采用膏體充填，采場充填水少，對采場穩定性影響小，與2016年相比，對采場支護進行適當調整，采場錨桿支護量增加，錨索支護量減少。

2017年西礦體出礦量為114萬t，分層采場錨桿支護量約55 000根，錨索支護量為10 000根。與2016年西礦體出礦量為98.8萬t，分層采場錨桿支護量為39 731根，錨索支護量為10 312根相比，節約支護成本81 000美元。

3.1.4 生產能力提高的效益

2017年回采分層采場總數為204個，其中，采用膏體充填的分層采場數為178個。與水砂充填相比，采用膏體充填后，每個分層采場充填時間平均減少3 d；同時，由于錨索支護量減少約2 000根，每個分層采場支護減少10根，平均加快采場循環2 d。即分層回采累計減少循環天數為890 d，按每個分層綜合生產能力80 t/d計算，全年多出礦71 200 t； 生產能力提高而產生的效益為1 529 741美元。

3.1.5 回采率增加而節省的成本

相同采切工程量的基礎上，回收率增加相當于節省部分采切工程的掘進成本。2017年采切比為84 m3/kt，對比2016年采切比102.42 m3/kt，由回采率增加導致采切比降低而節省的掘進成本為 137 390 美元。

3.1.6 井下充填回水節省的成本

與水砂充填相比，膏體充填不用脫水，井下充填回水量減少102萬m3；按排水排泥費0.35美元/m3計算，井下充填回水減少節省的排水排泥成本為357 000美元。

3.1.7 膏體充填新增水泥及制造成本

2017年井下膏體充填量為35.40萬m3，消耗水泥18 200 t，平均水泥耗量為51.4 kg/m3。散裝水泥為120美元/t，膏體水泥成本為6.2美元/m3，考慮動力消耗，單位體積膏體新增成本7.1美元，則膏體充填新增成本為2 513 400美元。

謙比希銅礦2017年采用膏體充填技術創造直接經濟效益為199 787美元。

3.2 間接經濟效益

由于膏體充填技術的應用范圍擴大，可多回收20%左右的礦石儲量，延長礦山服務年限。以西礦體儲量計算，多回收20%礦石，可多回收礦石量約250萬t，延長礦石服務年限2a以上。

3.3 安全效益

由于膏體充填技術的推廣應用，井下充填不用脫排水，減少了充填水對圍巖的二次浸泡弱化和破壞，降低了周邊巷道支護的難度和工程量，井下巷道與采場安全性大為改善，采場及巷道偏幫冒頂事故大大減少，基本杜絕了大型設備因冒頂被埋報廢事故。采場無需脫水，簡化了工藝，減少了巷道污染，采場接頂效果好，接頂率高，充填體質量均勻、穩定，從而保證了采場回采安全。

3.4 環保效益

通過全尾礦膏體充填，大量的尾礦用于井下充填，不僅節省了尾礦庫容量，而且解決了井下采空區帶來的安全隱患，實現了“一廢治兩害”的綠色開采模式，緩解了礦山生態緩解壓力；同時，減少了礦山廢石的生產和排放，降低了工業廢物的產生和處理成本，生態環境效益顯著。

4 結 論

(1)謙比希銅礦膏體充填系統已實現充填量約100萬m3，充填濃度為68%～71%，充填流量為60～140 m3/h，系統最大連續工作時間為30 h，充填能力達42 000 m3/月以上，效果、效益顯著。

(2)高效深錐濃密機對尾砂漿進行脫水，制備的尾砂漿濃度穩定，克服了傳統過濾設備不能實現長時間連續穩定供料的缺點。高效深錐濃密機的成功應用為膏體充填工藝技術的工業化、產業化發展攻克了技術瓶頸。深錐一段濃密及二段臥式攪拌、微粉秤、雙缸活塞泵等工藝具有流程簡單、能耗低、設備自動化程度高、可靠性高等特點，已成為膏體充填的主流工藝。

(3)與水砂充填相比，采用膏體充填，采場無需脫水，采場循環明顯加快，人員、設備效率以及采場綜合生產能力得到一定提高，綜合效益好，值得類似礦山借鑒。

(4)采用膏體充填工藝，一方面可有效控制礦山地壓，提高礦山開采安全性、可靠性；同時可充分利用礦山生產廢石及尾砂等生產廢料，減少廢石排土場及尾礦庫征地60%以上，有利于當地環境保護和減少基建投資。

(5)膏體充填技術具有尾砂利用率高、充填強度性能好、水泥消耗量小、充填成本低等特點，采用膏體充填能達到簡化工藝，提高采礦強度和回采效率，充分回收資源及保護環境的目的，對于礦巖穩定性差、礦石品位較高的礦山具有較好的適應性。