某鎢礦空場法轉充填法可行性研究

胡天壽,江 科,仵鋒鋒

(1．江西銅業股份有限公司永平銅礦, 江西 上饒市 334000;2．長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3．國家金屬采礦工程技術研究中心, 湖南 長沙 410012)

0 前 言

近年來國家大力提倡充填采礦法,相繼出臺了相關的環保與安全的法律法規,其中國家安監總局〔2014〕48號規定:新建地下礦山必須首選充填采礦法,不能采用需經過論證并出具材料;財政部和國家稅務總局聯合發出財稅改革通知,對某些特殊情況下通過充填方式采出的礦產資源減免50%資源稅;且已實施的環境保護稅法開始對各種類型的污染物征稅,其中尾礦作為固體廢物的污染排放稅是15元/t,而采用充填于井下的尾砂則可免征此種稅費[1-5]。綜上所述,采用充填采礦法、固廢盡量充填至井下而不堆存于地表是礦山今后發展的主流方向[6-8]。

空場法作為一種較早應用,具有對復雜薄礦脈適用性強、礦塊生產能力較大、工藝簡單、工人易于操作、管理方便等優點,在有色金屬行業、特別是中小型礦山的使用率較高。但在實際的應用中空場法存在難以實現機械化、工人勞動強度大、礦石損失貧化大等缺陷,且當圍巖或礦體工程性質較差時,采場在大放礦時往往因片幫的大塊廢石堵住出礦巷導致存留的礦石無法回收利用、礦石損失率遠大于設計工藝指標的現象。因礦石的損失貧化、大量廢石的混入,致使選廠入選品位較低,在相同采選能力下,獲得的金屬量較少,影響企業效益;同時留在采場內無法出礦的礦石是礦山資源的浪費,長此以往將極大地縮短礦山服務年限,于企業和社會造成巨大的損失,本文基于江西某鎢礦的實際生產情況,對其空場法轉充填法進行研究,進而提出短流程、低成本模塊化充填站的建設方案,從技術和經濟角度論述其必要性和可行性[9-15]。

1 礦山概況

江西某鎢礦礦區內礦脈多且分散,傾角一般為60°~80°,水平厚度較小,一般為0．25~2．87 m、最大8．82 m,平均厚度1．56 m,大部分屬于極傾斜極薄至薄礦體,有少部分中厚礦體,礦體一般穩固性較好,但由于礦體屬構造控礦,其頂底板部位多存在強蝕變現象,如綠泥石化、高嶺土化等,其工程物理力學性質較差,開采過程中易出現片幫、冒頂等不良工程地質現象,礦床內斷層構造較發育。礦石和巖石均無自燃性、無結塊性,礦床開采技術條件中等。經過多年建設,該礦的采選規模為33萬t/a,主要采礦方法為空場法,少量高品位極薄礦體采用削壁充填法,礦山設計采礦礦石損失率為15%,貧化率為10%,但實際生產當中,礦石的貧化率達26%,且在最后大放礦時大量礦石經常因大塊廢石卡住出礦結構最終導致已鑿巖爆破的礦石永久性損失、資源大量的浪費。礦山的開拓方式為平峒＋斜坡道,多年的生產及早前的民采遺留了大量采空區有待處理。

2 空場法轉充填法可行性研究

2．1 降低礦石損失貧化率

將空場法改為充填采礦法對礦體進行回采將大幅地降低損失貧化率,通過對產能布局規劃、薄礦脈出礦設備選型與作業周期優化等進行研究,可以使上向水平分層充填法在該鎢礦得到很好的應用,嚴格控制礦石的損失貧化、杜絕礦房鑿巖爆破后無法順利出礦的現象,延長礦山的服務年限,提高礦石的入選品位以及企業的整體盈利能力。充填采礦法能順利實施的先決條件是在保證充填體質量的同時降低充填成本,先進的充填工藝與完善的設施配置是實現井下充填采礦的關鍵,國內外當前的充填工藝發展趨勢是全尾砂膠結充填技術,相應的工程案例很多,不僅應用于高價值的礦石資源開采,其成熟的工藝與先進的設備也已在部分低價值礦山(如低品位大型鐵礦)順利應用,在生產中取得了良好的技術經濟效益。

2．2 降低尾砂處理成本

該鎢礦總尾經壓濾形成尾砂濾餅由皮帶廊道轉運至露天尾礦干堆場,上述過程的尾砂處理成本約18元/t,后續還有尾礦干堆場內的整平、碾壓、日常維護以及復綠等工序,總費用達45元/t·尾砂,該鎢礦現有的尾砂處置成本偏高,是企業運營的一大負擔。若采用壓濾車間的全尾砂濾餅充填時,將一部分尾砂充填于井下而不需進行干堆,有利于降低尾砂干堆工藝的成本,國內外已有大量利用尾砂濾餅預制漿后進行充填的案例,在技術上可行,系統投入使用后運行效果好,為企業取得了巨大的經濟效益。

2．3 處理井下空區

自該鎢礦基建以來,數年的開采已在井下形成了較多空區,且礦區早期有較多的民采活動,截止目前井下存在約30萬m3的空區有待處理,如若置之不理,隨著時間的推移井下空區體積將進一步增加,會對井下采礦作業構成潛在的威脅,且國家對礦山采空區的治理問題越來越重視,盡早地處置空區將是企業穩步發展的正確選擇?？請龇ú煽諈^處置的傳統方式有廢石充填以及崩落上覆圍巖等方式,將采礦廢石充填于空區不出窟是合理的方式,但由于廢石量有限,只能部分處理采空區,而崩落覆巖可能會導致地表塌陷,這是國家安全環保部門所明令禁止的,目前國內外流行的處置方式是利用集料充填空區,起到對圍巖和頂板的支撐作用,其中尾砂是一種理想的充填集料,也是傳統的礦山固廢,全尾砂充填技術既處置了固廢又處理了空區,符合國家政策且利于礦山的可持續發展。

2．4 延長尾礦干堆場的服務年限

目前該鎢礦的尾礦干堆庫上升速度較快,按現有的采選規模及運行模式,預計尾礦干堆場未滿服務年限即已滿庫,未來新建尾礦庫的申報工作將極其困難,礦山極有可能因無處堆放尾砂而停產,因而采用全尾砂充填采礦法是礦山的最佳選擇,可以部分處置尾砂,有效延長尾礦干堆場的服務年限,是企業可持續發展的合理路徑。

2．5 提高資源有效利用率

該鎢礦脈薄且分支多,采用空場法作為主要的開采方法,但實際應用中發現,空場法雖然礦塊生產能力較大、采場結構簡單以及易于管理,但也存在著損失貧化率大、圍巖片幫等缺陷,致使礦石資源的損失極大,部分礦房出礦不及一半即無法繼續放礦,造成了永久性損失,采礦成本高的同時快速消耗儲量,導致礦山設計服務期限后段可能面臨無礦可采的局面。通過對井下進行整體布局優化后的充填采礦法的整體生產能力同樣可以達到礦山現在的規模,該鎢礦可以盡快建設全尾砂充填系統并在井下逐步實施充填采礦法,然后才能減緩礦石儲量的消耗速度,延長礦山的服務年限。

3 全尾砂濾餅充填技術可行性研究

為使該鎢礦順利實現充填采礦法,必須保證能達到:

(1)充填系統建設投資省,在企業可承受范圍內;

(2)建設周期短,配合井下采場的準備工作盡快投入使用;

(3)充填質量高,保證礦石的出礦品位和回收率,使多回收的金屬量能抵消甚至超過充填系統的投資與運行成本。

基于以上幾點考慮,該鎢礦考慮采用全尾砂濾餅充填系統,通過研究與設計,采用先進的設備和成熟的工藝,在保證系統穩定可靠的前提下,盡可能利用現有設施,降低充填系統投資,縮短建設周期,使充填系統盡快投入使用,為井下實現充填采礦打下堅實的基礎,該全尾砂濾餅充填系統工藝流程見圖1。

3．1 全尾砂預處理

全尾砂是經球磨、選礦后多余的全粒級尾礦廢渣,多以低濃度漿體形式排出,將全尾砂作為充填集料是當前科研的主流,而如何獲得高濃度的全尾砂漿是關鍵所在,常用的尾砂濃縮設施有靠尾砂自重沉降的立式砂倉、臥式砂池及濃密機;也有依靠能耗使水分快速脫去的過濾機、壓濾機等。該鎢礦前期建有尾礦壓濾車間和尾礦干堆場,利用空壓機提供的高壓風和板框式壓濾機使低濃度的尾砂漿脫水變成濾餅,并由轉運皮帶廊道送至尾礦干堆場。若改變尾砂的預處理工藝則會出現以下問題:一是尾砂處理流程復雜;二是因井下充填無法完全利用全部尾砂,部分尾砂仍需處理后進入尾礦干堆場。若采用其他尾砂預處理設施,則總尾的輸送與分配問題將凸顯,現場的組織管理難度加大,容易出現問題的環節增多。根據該礦山實際情況,應盡可能地利用現有尾砂的處理工藝,在壓濾車間皮帶廊下料口處取全尾砂濾餅,通過挖掘機上料、自卸式汽車轉運、堆場臨時儲存等實現尾砂的供應。

圖1 全尾砂濾餅充填系統工藝流程

3．2 集成化制漿工藝

全尾砂濾餅呈干硬性,與常規的尾砂漿性態不同,可以應用固體物料的稱重方式和輸送模式,避免了管道輸送檢測設備準確性和耐用性差的問題。同時考慮到礦山的資金壓力和工期要求,選擇成品攪拌站這種集成化的設備進行充填料漿的制備,其工藝流程為:存儲在中轉設施內的全尾砂濾餅通過鏟車上料給計量秤的受料斗,受料斗計重后下料至皮帶,再通過轉運皮帶給攪拌主機供料,完成全尾砂的給料計量工作;外購水泥經水泥罐車運送至現場,壓氣存儲至水泥倉內,制備工作開始后給料至水泥倉秤斗,達到設定值后停止給料;同時添加適量的調濃水,關閉攪拌主機的進料口,按設定時間進行攪拌,制備成高濃度的全尾砂充填料漿。

3．3 充填能力匹配及質量保障措施

該鎢礦年產礦石33萬t,年工作時間330 t,尾砂產率95%,日產尾砂950 t,而通過充填物料試驗可知,每形成1 m3充填體需消耗尾砂1．265 t,由式(1)可知,每天需充填的空區體積為359 m3,則消耗尾砂454．1 t/d,尾砂利用率可達47．8%,充填制備站的能力設計為60~80 m3/h,只需安排6 h的充填時間即可滿足要求。

式中,Qd為日平均充填料漿體積,m3/d;C為每年礦石生產能力,t/a;k1為沉縮比,取1．10;k2為流失系數,取1．05;Z為采充比,m3/m3,取1;T為年工作天數,330 d;γ為礦石容重,t/m3。

但由于集成化的充填料漿成品制備站為間斷工作制度,制備好的料漿是按一定的間隔時間定量排出,所以無法和井下充填相匹配,如果直接間斷向充填鉆孔中供料,則極易發生堵管事故,風險極大。經過研究,設計了一座充填料漿緩沖池,間斷地將制備好的料漿注入中轉池,并使料漿中轉池內的料位始終保持在一定范圍之內,以匹配模塊化充填制備系統的間斷生產工序與連續的井下充填能力,中轉池中布置有少量的造漿噴嘴,在充填作業過程之中持續對充填料漿活化,保持其良好的和易性。同時為了提高充填質量,充分發揮水泥的效用,料漿通過閥門控制、按設定流量值自流進入高速活化攪拌機,通過高速運轉的攪拌軸使尾砂顆粒與水泥顆粒充分混合,然后進入充填鉆孔和井下管網,最終充填至采場。

3．4 充填料漿的輸送

該礦充填站選址標高為＋335 m,打豎向充填鉆孔至＋200 m中段,并施工充填聯絡巷與已有巷道聯通,布置充填管道后形成井下充填管網,其中充填鉆孔中的套管為雙金屬耐磨管,規格為Φ150 mm×20 mm(耐磨層10 mm),至各采場的為耐壓等級滿足要求的鋼編管,規格為Φ125 mm×8 mm,快速卡箍連接。選址場地位于巖石移動帶外,選址符合規范要求。通過地表充填鉆孔及井下充填天井,充填站制備好的高濃度充填料漿自流輸送至采場,各中段充填倍線如表1所示。

表1中＋200 m中段和＋150 m中段遠端采場倍線較大,可以考慮適當降低濃度輸送或采用廢石充填,下部各中段充填倍線可以保證料漿的自流輸送。

表1 該鎢礦各中段充填倍線

4 分析與結論

通過空場法轉充填法的必要性和全尾砂濾餅膠結充填技術的研究、設計建設適合江西某鎢礦的充填系統,配合充填采礦法的應用,能為企業取得以下的技術經濟效益:

(1)通過對全尾砂濾餅的性質進行分析,選擇合適的計量、輸送方式,精簡作業流程,保證工藝穩定;對攪拌站的間斷作業和充填料漿的管道連續輸送作業之間的匹配關系進行研究,設計了合適的中轉設施,滿足了兩者各自的作業模式,同時在中轉池中布置有一定量的造漿噴嘴持續對料漿活化,之后利用高速活化攪拌機充分混合水泥顆粒和尾砂顆粒,制備出高質量的充填料漿。

(2)提高礦石的回收率。該礦現有空場法及削壁充填法的綜合損失率約為20%,采用高質量全尾砂充填技術后,損失率可以降低至10%,按目前30萬t/a的礦石生產能力,每年可多回收礦石30000 t。

(3)降低礦石的貧化率。該礦目前的礦石貧化率為26%,選廠入選品位為0．3%,運用高質量的充填工藝和充填采礦法后,礦石的損失率可降至10%以內,則選廠入選品位提高至0．365%,按當前的采選能力30萬t/a、選礦綜合回收率85%計算,年多回收的金屬量為165．75 t,按照現有市場價,能為企業增加效益近2800萬元。

(4)空場法轉充填法符合國家政策,減緩資源消耗速度,有利于企業長期發展,可以為類似小型有色金屬礦山實施充填采礦法提供借鑒,形成建設周期短、投資少的模塊化充填系統。