全尾砂膏体充填技术试验研究与设计

1、第八届国际充填采矿会议论 文全尾砂膏体充填技术及工艺流程的试验研究王 方 汉 姚 中 亮 曹维勤摘要：南京栖霞山铅锌银矿地处风景区，是典型三下矿山，应用充填采矿已二十余年。为不断提高充填质量，先后进行了一系列实验室及工业试验，研究分析了膏体充填技术特性与规律，并在此基础上，设计了新的全尾砂膏体充填工艺流程。新的膏体充填系统具有工艺简便、流程短、稳定性强、运行成本低的特点，适合于在全国中小型以上地下矿山中推广应用。关键词：全尾砂、膏体充填、试验研究、工艺流程1. 概况：南京栖霞山铅锌银矿地处南京东北郊，北靠长江，南邻京沪铁路及沪宁高速公路，西邻南京新生圩外贸港口，沿江东侧有龙潭深水港集装箱码头，

2、矿区有栖霞山铁路货运北站，交通十分便利。矿区处于旅游胜地栖霞山风景区脚下，与佛教胜地栖霞寺及全国重点文物保护单位舍利塔和千佛岩仅一街之隔。栖霞街居民密集，矿区有河流经过，矿区附近有金陵石化炼油厂、栖霞山化肥厂及江南小野田水泥厂等大型企业，属典型的“三下”矿山。南京栖霞山矿为华东地区最大的铅锌矿床，现在保有矿石储量一千三百多万吨。矿山现有采选能力为35万吨/年，采用平硐盲竖井开拓，上向水平分层全尾砂胶结充填法采矿。由于处城市风景区，对地表及环境保护要求严格，矿山没有尾矿库，井下废石不出窿用于空区充填，选矿尾砂全部输送于井下采场进行充填；选矿过程采用清洁生产技术，废水经净化处理后全部回用；矿山已通

3、过了ISO9000标准体系认证，并且在全国矿山中率先通过了ISO14001环境体系认证。因此，矿山已实现了“零排放”无废开采。2. 全尾砂胶结充填系统及存在问题2.1 现有全尾砂充填工艺流程矿山全尾砂胶结充填系统始建于上世纪八十年代末，几经改造，现采用的充填工艺流程如图一所示。选矿全尾砂经300m3中转储砂池后由4PNJ衬胶泵输送到两个分别为800 m3和880m3容积的立式砂仓中，起加速沉降作用的絮凝剂经搅拌后也添加于立式砂仓；然后全尾砂造浆放砂进搅拌桶进行一级、二级搅拌，同时，水泥则由水泥仓底部的双管螺旋给料进入立式搅拌桶。经过两级充分搅拌后的充填料浆采用高扬程离心式渣浆泵加压，通过90管

4、道输送到井下采场。图一 南京栖霞山矿全尾砂胶结充填系统流程图2.2 现有充填系统存在的问题现有充填系统尚能满足生产需要，但存在的主要问题是： 全尾砂粘结严重，立式砂仓需定期清仓。由于全尾砂粒径细，在仓内易粘结；添加絮凝剂后，更为增加了粘度；有效放砂空间逐渐缩小，影响了正常放砂。目前每12个月进行一次人工彻底清理。 充填料浆浓度低，影响充填体强度。现有充填料浆浓度为55%65%，掺加水泥后容易产生离析，影响了充填体的凝固时间和凝固强度。 系统运行工况不稳，增加了生产组织难度。由于全尾砂粘性大，采用高压水造浆，使放砂流量和浓度始终不稳定，由此带来井下漫水多、跑砂多、充填料凝固时间拉长，影响正常采充

5、循环等，使整个井下与地表充填生产组织协调难度加大。此外，矿山现有充填系统最早是按年采选10万吨矿石量设计的，后来经改造扩建到20万吨/年矿石量的充填能力，实际已挖潜运行到年采选25万吨矿石量的充填能力。而目前矿山已完成35万吨/年采选能力扩建改造，原有的系统也已不能满足改扩后的生产需要。为解决上述问题，我们共同合作进行了膏体充填技术与工艺流程的试验研究工作。3. 全尾砂膏体充填试验研究3.1 全尾砂实验室测试与试验3.1.1 全尾砂充填料性质通过测定和分析，矿山全尾砂的物理性质、粒级组成及化学成份分别如表1、表2与表3。表1 全尾砂物理性质材料名称比重/（g/cm3）容重（g/cm3）孔隙率（

6、%）全尾砂3.131.6347.92表2 全尾砂粒度分布粒径（m）-5-10-15-20-25-30-36-40-50-71-100-150-200-300-400-500分计（%）16.437.574.764.584.073.443.782.355.3110.0311.7211.275.215.072.601.81累计（%）16.3424.0028.7633.3437.4140.8544.6346.9852.2962.3274.0485.3190.5295.5998.19100表3 全尾砂化学成份分析结果材料名称主要化学成份所占百分比（%）SiO2Al2O3MgOCaOFe2O3全尾砂26.

7、791.722.1520.1515.113.1.2 全尾砂沉降试验为了了解矿山全尾砂自然沉降特性，我们进行了全尾砂自由沉降试验，试验结果如表4，根据试验结果获得沉降浓度与沉降时间对应曲线关系如图二。表4 全尾砂自由沉降试验结果沉降时间料浆容积（ml）清水量（ml）料浆浓度（%）料浆容重（g/cm3）13200501.51510分钟118014053.761.57628分钟90042063.291.75640分钟84048065.791.8152分钟82050066.671.8291小时14分80052067.571.851小时30分78054068.491.8722小时37分76056069.

8、441.8953小时18分75856269.541.8976小时33分75656469.641.8998小时56分75456669.741.90224小时75256869.931.904结果表明，全尾砂料浆最大自由沉降浓度为69.93%，其达到最大沉降浓度所需的时间为6小时左右，说明南京栖霞山矿全尾砂沉降速度比较快。3.1.3 全尾砂试块强度试验图二 全尾砂料浆沉降曲线为了研究全尾砂不同浓度、不同灰砂比与不同龄期对强度的影响，我们进行了多组试块试验，结果如表5。表5 全尾砂试块强度试验结果 试块编号灰砂比浓度（%）湿容重（g/cm3）试块抗压强度（Mpa）R3R7R280410-011:462

9、1.970.280.421.170410-02661.980.390.611.290719-01721.961.362.213.200719-02742.001.802.823.810719-03762.032.042.944.080417-101:6621.990.220.280.570417-11662.010.250.300.710719-04721.920.691.081.970719-05742.030.971.542.870719-06762.041.152.053.270410-041:8621.960.090.160.310410-05662.040.170.260.50071

10、9-07721.940.490.741.360719-08742.000.630.971.840719-09762.040.781.192.170410-071:12622.020.150.190410-08662.060.130. 210410-09702.060.160.290410-101:15622.040.140.200410-11662.050.120.130410-12702.080.150.16图三 不同配比浓度抗压强度关系曲线试验获得同灰砂比全尾砂充填料在28天龄期条件下浓度强度关系曲线如图三，它表明：相同灰砂比时，试块同龄期强度随全尾砂浓度提高而提高，在灰砂比为1:4、1:

11、6与1:8时，当浓度62%提高到74后，各龄期强度则提高到原来的35倍。说明，全尾砂充填料浓度对于提高充填体的强度非常重要。从表5还可看出，灰砂比为1:8，浓度为74的试块各龄期强度均高于灰砂比为1:4，浓度为66%的试块同龄期强度，说明同等强度要求下提高全尾砂充填料浓度可以大大降低充填水泥成本。3.1.4 全尾砂流变性能测试为了了解矿山全尾砂流变特性，我们还进行了塌落度测试，结果见表6表6 全尾砂塌落度测试结果质量浓度（%）807674727068塌落度（Cm）17.526.52828.5摊开摊开3.2全尾砂膏体充填（半）工业试验通过对全尾砂进行实验室测试和试验数据的分析，我们看到了全尾砂料

12、浆充填存在的问题，发现进一步提高充填质量的关键是要实现膏体条件下的充填。为了确定适合矿山实际的膏体充填技术工艺与流程，选取合理设计参数，我们又进行了一系列工业试验。3.2.1 全尾砂陶瓷过滤机脱水试验考虑到全尾砂脱水配制膏体充填料的可能，我们进行了陶瓷过滤机全尾砂脱水试验。试验采用南京银兴机械设备修造厂生产的陶瓷过滤机，其真空度为0.98MPa。试验获得了全尾砂脱水水份及过滤机脱水能力数据。试验得知，矿浆浓度对全尾砂脱水水份及陶瓷过滤机过滤能力影响很大。3.2.2 全尾砂膏体压气造浆试验为了研究选择合理的全尾砂料浆的造浆与制备方式，我们曾先后进行了两次压气造浆试验。一次是利用漏斗进行压气造浆，

13、第二次是利用原卧式粗砂放砂池进行压气造浆。漏斗压气造浆试验采用自制的总容积1.33m3、上部敞口立方形、下部四边锥形（锥角60°）的漏斗进行全尾砂自然沉降脱水。自现充填站排尾管上取的全尾砂在料斗内经16小时沉降后，先排除上部积水，然后，开启最底部锥体内的压气造浆喷咀，经35分钟造浆后即放砂。造浆后放出的全尾砂经取样测定其浓度为70.6673.77%，平均浓度为72.11%。卧式砂池全尾砂压气造浆工业试验中砂池容积400m3，池底部装有15排75个造浆喷咀。来自选矿厂的低浓度全尾砂（浓度为2540%）经泵送到放砂池，经过近24小时自然沉降脱水后，先排除上部积水，然后进行压气造浆，均匀造

14、浆后的全尾砂经取样后浓度结果如表7。表7 全尾砂砂池压气造浆浓度测定结果样品号1234平均浓度（%）69.0171.6472.1472.1471.233.2.3 全尾砂膏体充填料环管泵送半工业试验为了研究全尾砂膏体泵送情况下管道输送阻力及泵压输送特性，确定今后膏体充填工艺设计参数，我们进行了全尾砂膏体充填料环管泵送试验。试验中，进行了两组配料：一组是单一的全尾砂膏体；另一组是水泥全尾砂膏体，水泥为325#硅酸盐水泥，灰砂比为1:8。试验中采用125mm与150mm两种管径的钢管，环型敷设，配管总长度194.63m，折算管道总长度295.1m。试验采用HBT70混凝土拖车泵。试验结果如表8。表8

15、 全尾砂膏体充填料环管试验结果（参数）参数名称与单位第一次配料（全尾砂膏体）第二次配料（水泥全尾砂膏体，灰砂比1:8）工况1工况2工况3工况4工况1工况2工况3工况4工况5膏体重量浓度（%）79.6677.5676.86/78.2877.2075.5674.9073.31膏体塌落度（cm）12.018.522.523.515.520.522.823.5摊开泵主油路油压（MPa）22.017.013.512.018.015.012.09.08.0换向阀周期（S）4.64.22.72.24.52.92.72.72.7换向阀频率（次/分）13.0414.322.217.313.3320.722.22

16、2.222.2膏体输送量（m3/h)32.435.555.267.033.151.3755.255.255.26英寸管流速（m/s）0.5100.5580.8681.0500.5210.8080.8680.8680.8685英寸管流速（m/s）0.7340.8041.2501.5200.7501.1631.2501.2501.250各压力表读数（MPa）13.42.41.81.352.61.91.41.00.622.31.7832.62.21.6942.181.951.4152.131.690.54各压力表读数（MPa6/70.980.6681.41.150.8090.720.630.356英

17、寸管阻力（KPa/m）100.350.260.205英寸管阻力（KPa/m）10.427.355.514.147.965.824.293.061.8412.508.826.624.989.566.985.153.682.21试验得出以下结论：全尾砂膏体与水泥全尾砂膏体均具有良好的管道输送性能。试验中，膏体浓度自73.31%至79.66%均顺利实现了泵送循环。在试验工况范围内，膏体浓度是影响管道阻力与输送质量的首要因素，浓度越高，管道阻力越大。膏体充填料具有良好的稳定性，试验中全尾砂充填料在待料停泵14小时情况下，管道料浆仍未出现离析现象。3.2.4 全尾砂膏体充填料自流输送试验为了研究不同灰砂

18、比、不同浓度的全尾砂膏体在不同充填倍线条件下的自流输送特性，我们进行了水泥全尾砂膏体充填料L型管道自流输送半工业试验和单一全尾砂膏体井下自流输送工业试验。 水泥全尾砂膏体充填料L型管道地表自流输送试验试验中，采用灰砂比为1:12的水泥全尾砂膏体，共完成六组试验。试验采用125mm钢管，第一、二组充填倍线N=3.2，第三至第六组充填倍线加大至N=4.2。第六组充填料浆添加了减水剂，在同一浓度下料浆流动性显著提高。试验结果为：充填倍线N=3.2的ZL1、ZL2试验组，76%的料浆输送浓度难于实现自流输送，而73.6%的浓度却可实现理想自流，膏体流量达到了66.888.2m3/h，完全可满足生产能力

19、要求。当充填倍线加大至N=4.2时，无论是否添加水泥，料浆重量浓度73.6%的ZL3、ZL4试验组的料浆流速极低，不能实现自流输送。仅当浓度降低到71.5%或添加减水剂（实际重量浓度为74.62%，减水剂掺量为0.037%）后，才可实现较为理想的自流输送，膏体流量达到52.277.76m3/h. 单一全尾砂膏体井下自流输送试验结合压气造浆工业试验，利用现粗砂井下充填系统进行了单一全尾砂膏体经充填钻孔与井下管道自流输送试验。试验中，选厂泵送的全尾砂进400m3砂池经自然沉降后，先排除上部积水，即进行压气造浆，均匀造浆后的全尾砂膏体经地表充填钻孔与井下充填管道完全自流输送到采场空区。试验全尾砂料浆

20、平均浓度71.23%，自流输送流量经计算为88.74m3/h。3.2.5 水泥全尾砂膏体充填料试验强度测定在水泥全尾砂地表泵送试验及L型自流输送试验中，我们均取试块样对水泥全尾砂膏体充填料的强度进行了测定，测得其3天、7天与28天各龄期单轴抗压强度如表9。 表9 水泥全尾砂膏体输送试验试块强度试块编号膏体浓度（%）塌落度（cm）灰砂比试块容重（g/cm3）试块抗压强度（MPa）3d7d28d178.2815.51:82.030.580.600.590.591.021.141.161.114.024.063.603.89277.2020.51:81.990.610.460.480.521.201

21、.161.181.183.403.904.003.77375.5622.81:81.970.440.440.440.440.820.820.840.82.902.563.082.85475.91211:122.050.200.200.200.200.460.420.460.451.801.601.601.67573.6231:121.970.190.190.180.190.380.380.420.391.280.921.481.23671.4924.51:121.930.180.190.190.190.380.300.360.350.920.700.720.78774.62211:122.01

22、0.180.180.180.180.360.360.390.370.961.060.960.99874.6223.51:122.020.180.180.180.180.390.460.380.411.000.961.000.993.3 试验结论以上全尾砂及全尾砂膏体的试验研究表明： 南京栖霞山矿全尾砂-20m含量达到33.34%，高于国内外充填通常的-20m含量不小于15%的要求，无论是全尾砂还是水泥全尾砂都能制备成输送性能良好的膏体充填料。 全尾砂自然沉降最大沉降浓度约为70%，按水灰比1:41:12添加水泥后，可制备成浓度为71.47%74.47%的全尾砂水泥膏体充填料，且压气造浆方式可靠

23、，膏体浓度均匀。 提高全尾砂充填料浓度有利于提高充填体强度，并减少胶结水泥用量，降低充填成本。 全尾砂膏体及全尾砂水泥膏体均具有良好的管道输送特性。4. 全尾砂膏体充填工艺流程4.1 全尾砂膏体充填系统工艺流程设计方案由试验得知，要进一步提高矿山充填质量，必须实现膏体充填。我们认为膏体充填系统工艺流程设计中关键的问题是： 选择适合矿山实际的全尾砂膏体充填料浓度； 全尾砂脱水及膏体充填料的制备方式； 输送方式。经过分析与研究并反复论证，我们确定了相对应的设计原则是： 全尾砂膏体充填输送浓度控制在72%-73%，过高会增加管阻，提高充填成本。由此，设计全尾砂自然沉降浓度为70%，水砂比按1:61:

24、81:10控制。 全尾砂采用自然沉降脱水，膏体制备采用压气造浆； 制备好的膏体经强力高速二段搅拌后，采用自流输送到井下充填。由此，我们设计建造了全尾砂膏体充填系统，其工艺流程方案如图四所示。选厂低浓度全尾砂用渣浆泵或4PNJ泵长距离输送到充填站卧式储砂池，经过自然沉降并排去上部积水后做浓度测试，然后压气造浆。经均匀造浆的全尾砂充填料开启放砂阀直接经管道进入双卧轴连续搅拌机，同时水泥由双管螺旋给料机也送入该搅拌机，经初步搅拌后的全尾砂水泥再通过连接器进入高速搅拌机进行活化搅拌被制备成膏体。最后全尾砂水泥膏体充填料进入充填钻孔及井下充填管网自流输送到井下采区进行充填。 图四 全尾砂膏体充填系统工艺流程图4.2 南京栖霞山矿全尾砂膏体充填系统的特点：在试验研究基础上，新设计建造的全尾砂膏体充填系统与国内外一些大型矿山膏体充填系统相比，具有自己的特点： 尾矿不分级，膏体充填料直接为选矿全尾砂。这使