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冬瓜山铜矿充填技术的发展与应用实践
2019-09-18
针对冬瓜山铜矿尾砂粒度极细,黏性大、含硫高以及高应力、高温、高硫的充填环境, 通过科研攻关,实行了全尾砂高浓度连续充填,并创新性地提出了“边壁流” 概念,实现了废石不出 坑。不但可以节约废石的提升运输费用、减少掘进进度受提升系统的影响、增加提升系统提升矿石 能力,还可减少地表废石堆放,节约征地费用,节约充填成本。分析了尾矿特性对料浆浓度和胶结 体强度的影响,介绍了絮凝剂的制备技术及要点、立式砂仓溢流澄清关键技术,总结了全尾矿高质 量、连续充填的关键技术(料浆“进出平衡”、“边壁流” 和充填自动化),并指出了充填中存在的问 题及改进方向。
Serial No. 604 August. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 604期 2019 年 8 月第 8 期 冬瓜山铜矿充填技术的发展与应用实践 1 周ꢀ 强 ꢀ 于先坤 2,3 ( 1. 铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿; 2. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司; 3 . 金属矿山安全与健康国家重点实验室) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对冬瓜山铜矿尾砂粒度极细,黏性大、含硫高以及高应力、高温、高硫的充填环境, 通过科研攻关,实行了全尾砂高浓度连续充填,并创新性地提出了“边壁流”概念,实现了废石不出 坑。 不但可以节约废石的提升运输费用、减少掘进进度受提升系统的影响、增加提升系统提升矿石 能力,还可减少地表废石堆放,节约征地费用,节约充填成本。 分析了尾矿特性对料浆浓度和胶结 体强度的影响,介绍了絮凝剂的制备技术及要点、立式砂仓溢流澄清关键技术,总结了全尾矿高质 量、连续充填的关键技术(料浆“进出平衡”、“边壁流” 和充填自动化),并指出了充填中存在的问 题及改进方向。 关键词ꢀ 全尾砂ꢀ 连续充填ꢀ 絮凝沉降ꢀ 立式砂仓ꢀ 边壁流 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 08. 028 ꢀ ꢀ 冬瓜山铜矿是一座面向 21 世纪的特大型现代 再下至第二段ꢁ670 m 及ꢁ730 m 各充填水平,进入 采场充填采空区。 化矿山,设计年生产能力 429 万 t/ a(1. 3 万 t/ d),年 产铜量 3. 4 万 t,日产尾砂量 7 800 t/ d,采矿方法为 阶段 空 场 嗣 后 一 次 充 填 采 矿 法, 日 需 充 填 采 空 1 ꢀ 冬瓜山铜矿充填特点及关键技术 冬瓜山铜矿全尾砂具有粒级细,黏性大、含硫高 3 区 4 062 m ,其中尾砂 (含尾砂胶结)充填量 3 912 等特点, 即 全 尾 砂 细 粒 级 含 量 小 于 20 μm 约 占 40% ,由于尾矿中含有大量的蛇纹岩,泥性物质含量 多,粘性大,再加上冬瓜山铜矿本身就是高应力、高 温、高硫复杂难采矿山,尾矿含硫达 3% 左右。 由于 生产能力、采矿工艺和技术经济指标的要求,对充填 制备站制备出的料浆提出了品质高( 即料浆高浓 度)、强度高及制备能力大的高指标要求。 3 3 m / d,废石充填 150 m / d,日需全尾砂砂浆 4 752 3 m / d。 冬瓜山铜矿充填系统遵循“废石不出坑,实 现无废开采”目标,采用高浓度全尾充填技术,其充 填尾 砂 浓 度 为 73. 5% , 充 填 综 合 灰 砂 比 一 步 骤 为 1 ∶8,二步骤为 1 ∶15。 冬瓜山铜矿地表充填站配套建设有 6 套井下胶 凝材料充填系统,共有 6 座立式砂仓(ϕ = 8 m,h = 冬瓜山铜矿积极与国内各大科研院所进行历时 2 3. 2 m),3 座水泥仓(ϕ=10 m,h =19 m),总计可存 [1] 1 0 a 的科研攻关,完成了全尾砂高浓度连续充填课 贮尾砂 8 840 t,水泥 3 600 t 。 从选矿直排浓度 题,即以全尾砂作为充填骨料,通过添加胶凝材料活 化搅拌,在高浓度状态下输送到充填采场。 该项技 术,突破了细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备 技术和深井开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降 压的技术瓶颈,形成了立式砂仓流态化全尾砂高浓 度连续充填生产体系。 目前,单套系统充填能力可 2 2% 左右的全尾砂料浆,经浆槽直接泵入立式砂仓, 制备出浓度为 76% ~ 78% 的料浆,水泥通过仓下的 双管螺旋(ϕ250 mm×2 500 mm) 输送到搅拌槽(ϕ2 0 7 00 mm ×2 100 mm);按配比加入水泥搅拌,制成 4% ~ 76% 浓度的料浆,通过管道自流至井下充填 作业区。 为了避免充填作业点管道末端过余压力, 冬瓜山铜矿井下充填采用分段钻孔、延程减压方式 处理。 在第一段充填+77. 5 ~ ꢁ280 m 水平钻孔时, 在ꢁ280 m 水平新辟 1 条约 600 m 的平巷用来减阻; 3 达 2 500 m / d 以上,平均充填浓度为 73% 以上,胶 3 结充填成本 44 元/ m 。 通过多年的科研与生产实践,冬瓜山铜矿的充 填工艺己形成完整的、以控压助流技术为主的充填 技术理论体系和高质量的管理模式,技术领先在: ꢀ ꢀ 周ꢀ 强(1980—),男,工程师,244000 安徽省铜陵市铜官山区。 ( 1)高效全尾砂脱水新技术集全尾砂浓缩、储 8 3 总第 604 期 现代矿业 2019 年 8 月第 8 期 存和充填于一体,符合环保的要求,并可实现全过程 自动化控制,在全尾砂制备领域己达到国际先进水 平,技术经济指标达到国际领先水平。 中,絮凝剂的添加量,在尾矿处于不同的环境下,存 在着最佳值。 在全尾絮凝沉降过程中,由于 PAM 絮凝剂(聚 丙烯酰胺) 的长链结构,絮凝剂分子容易与粒度极 细的尾砂颗粒表面连接,促使使颗粒形成整体板块 ( 2)高浓度、高强度,能适用于全尾砂又能适用 于分级尾砂的浓缩,可满足各种高浓度尾砂充填,甚 至膏体充填的需要;能实现井下少脱水或不脱水,改 善井下的作业环境,减少排泥费用。 [ 4] 而加快沉降 。 在此条件下,由于全尾砂具有好的 保水性和和易性,不易离析,从而为胶凝材料提供了 充分的水化反应时间。 在此反应过程中,将浆料的 物理密实与化学密实同步进行,提高了集料界面的 粘结强度和密实性,也就是胶结体的强度进一步得 到提高。 在尾矿沉降过程中,沉降速度的快慢与絮 凝剂的比表面积有关,这就要求在尾矿沉降过程中, 絮凝剂的添加应尽量增大其絮凝剂液体和尾砂颗粒 的比表面积。 需要注意的是,这并不是要求一味地 添加数量,多点絮凝是加速沉降的有效方法。 2. 3ꢀ 高质量充填的关键 ( ( ( ( 3)尾砂溢流浓度低,可达到直接排放标准。 4)底流浓度和流量波动小,能减少充填成本。 5)自动控制程度高,工人劳动强度低。 6)可靠性高。 2 ꢀ 冬瓜山铜矿全尾砂充填关键技术理论体 系 2 . 1ꢀ 尾矿特性是料浆浓度和胶结体强度的决定因 素 ꢀ ꢀ 尾砂料浆的物理化学性质影响沉降与制备的重 要因素,如容重、粒径、孔隙率及泥性物质含量等。 在同一条件下,粗粒级颗粒将会以终端速度下沉,沉 降较快,细粒级沉降较慢;但是在制备膏体通常细粒 级较易,这是由于尾矿料浆的稠度、细度和孔隙率等 因素决定的。 而在立式砂仓中粗粒级尾砂由于孔隙 率较大,容易形成贯穿漏斗,导致上部水体形成下 流,尾矿浓度下降。 而细粒级尾矿由于稠度较大,不 易形成贯穿水流,易于实现膏体。 但需要注意的是, 膏体不等于高浓度。 延长沉降路径,是保证立式砂仓溢流澄清,实现 连续高质量充填的关键。 在充填过程中,由于立式砂仓的单位面积受限, 要想将极细粒级的尾砂全部沉降在砂仓内,并保证 溢流水的澄清,就必须延长沉降路线,也就是说溢流 水是否澄清与尾矿的沉降路径有关。 而在试验过程 中,环流阴尼技术是消减动能,实现静态沉降是非常 重要的方法。 因为料浆一般是由泵或自流进入立式 砂仓,带有一定的初速度和能量,要让尾矿快速沉降 就必须在进入砂仓前和进入砂仓中对料浆进行“预 处理”,尽量消耗料浆的动能,消除颗粒间的相互干 扰,实现静态沉降。 因此,需要在砂仓沉降过程中制 造无限个“ 曲线路径” 和“ 障碍”,消耗其料浆的动 能。 同时,絮凝剂添加在料浆中,加快沉降也需要足 够的反应时间,也需要通过延长沉降路径加以解决。 立式砂仓絮凝沉降结构装置见图 1, 立式砂仓内设 结构见图 2。 级配的选择是制备膏体的重要手段。 在多砂仓 进料过程中,尾砂管道中存在分级现象,导致制备膏 体的浓度相差很大。 因此,通过调整管路坡度,对输 送尾矿的级配进行调整,而达到实现膏体或高浓度 的目的。 2 . 2ꢀ 絮凝剂的制备技术及要点 试验证明,添加絮凝剂可以改善全尾级配,增强 [ 2] 了尾矿的密实性 ;同时,絮凝剂还可在管壁上形 成润滑层,降低管道阻力,便于料浆在管道中自流输 送。 有关研究表明:尾砂线性沉降速度与絮凝剂添 加量呈线性正比关系,与尾砂浓度成线性反比关系。 而由于尾砂料浆中的胶体、悬浮物粒度级细、矿物成 份和杂质复杂,故针对其沉降处理的方式各有差异, [ 3] 常用的沉降浓缩方法有混凝、沉淀、过滤方法 。 图 1ꢀ 立式砂仓絮凝沉降结构装置 2. 4ꢀ 高浓度连续充填的技术核心是“进出平衡”和 “边壁流” 当进料浓度超过 30% 以上时,随着进料尾砂浓 度的增加,尾砂线性沉降时间越来越长,沉降较慢, 颗粒间相互干扰较大。 因此当浓度超过 30% 以上 时,适时对料浆进行稀释,可提高絮凝剂的沉降效 果,又可减少絮凝剂的添加量,降低制备成本。 其 ꢀ ꢀ 尾矿的充填能力与供应砂仓的尾砂量和浓度有 关,要获取连续稳定的高浓度料浆就必须保证进料 与 出料平衡。通常在很多矿山中,特别是铁矿,其 8 4 ꢀ ꢀ 周ꢀ 强ꢀ 于先坤:冬瓜山铜矿充填技术的发展与应用实践ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 8 月第 8 期 度只与层面的压力有关,而与其几何形状无关。 冬瓜山铜矿在连续充填的实践中发现,立式砂 仓集仓储与中转于一体,而在连续充填过程中,它更 多的是作为一个中转站。 “零米”放砂理论表明:浓 度的高低是与尾砂性质、浓缩时间和静压力密切相 [ 6] 关的,而与砂位的高低无关 。 “零米”放砂的优点 是尾砂板结现象大大下降,不易产生断流现象,且容 易实现大流量充填,灵活性强。 2 . 5ꢀ 充填自动化是实现全尾高质量连续充填的重 要技术支撑 ꢀ 全尾高质量连续充填离不开“硬件” 和“软件” ꢀ 的支持。 所谓“硬件” 即各类仪表和阀门和管理体 系,而软件则是指充填过程控制和操作技术水平。 而高浓度放砂是动载和静载共同作用的过程,也是 仓内尾砂压力场不断变化的过程,对应力场的变化 需要通过在线检测来完成,如浓度、砂位、流量、液位 和稳定,实现连续高浓度放砂必须要有高技术的自 动化控制。 连续充填的基本要素:进出平衡、多点絮 凝、变频调速、稳定工况,其中需要关键控制的是: 图 2ꢀ 立式砂仓内设结构 选矿工艺为磁选,尾矿浓度较低,一般在 10% 左右。 因此,向这样浓度的尾砂,一般先进入尾矿浓密池缩 缩至 45% 左右的浓度后,再进入立式砂仓浓缩,然 而在极细粒级的尾矿充填过程中,由于细度的影响, 尾矿在 40% ~ 55% 左右的浓度很难沉降,要保证进 出平衡就必须降低进料浓度。 试验和生产证明,低 浓度的尾矿更易于沉降和澄清。 ( 1)阀门和仪表的选型是至关重要的。 自动化 控制的自动控制阀门均是电动的,而电动阀门其种 类较多,如电动闸板阀、球阀和管夹阀等,在诸类阀 门中,由于立式砂仓的料浆压力较大,对阀门的磨损 严重,阀体容易磨通;球阀阀蕊与阀体间隙太小,容 易“抱闸”;而管夹阀操作较灵活,管夹的胶管易于 更换。 所以充填自动化一般选用的均是耐磨管夹 阀。 界面仪的选择一般有超声波、雷达和重锤等仪 表,由于超声波界面仪在工况条件下,由于料浆中有 泡沬、蒸气、漂浮物、波浪等状况导致信号反馈失真, 因此在仪表选型中不宜采用;使用效果较好的是重 锤料位计。 新式立式砂仓结构如图 2 所示,砂仓中尾砂由 上至下大致分为 4 层,即澄清层、过渡层、浓缩层和 压缩层。 其中立式砂仓中尾砂浓度是由高度和压缩 时间共同决定的。 大多数情况下,在单孔放砂的立 式砂仓中,由于料浆受重力作用,其中心部分的浆料 下降速度最快;中间部分料浆由于上部水体的下移, 压缩层的尾砂逐渐减少,浓缩层的尾砂向中间流动 增多,导致浓度下降;而两侧的尾砂流动性差,沉降 时间较长,浓度较高。 因此,要实现高浓度连续充 填,就必须充分利用仓壁两侧的高浓度尾砂进行补 充,即“边壁流”概念。 (2)流量计在连续充填过程中,其作用是非常 重要的。 很多情况下都是通过提高砂位来提高浓 度;然而在连续充填过程中,可通过流量的调节。 通 过流量调节的方法是当尾砂浓度突然降低,贯穿水 流进入压缩区时,通过降低流量,保证浓缩区的尾砂 有足够的时间进行压缩来提高浓度,这一点非常重 要。 在同样条件下,放砂浓度与砂仓的几何形状无 [ 5] 关,只于尾矿特性和沉降压缩时间有关 。 传统的 立式砂仓的几何形状一味地追求深锥形状。 深锥形 有它的好处,但也有不足之处:虽然放砂较易,但也 容易板结,容易形成“死角”,形成压缩层上移,降低 了砂仓的有效容积;而为了消除板结,需进行大量时 间的造浆,使其放砂浓度稀释。 流体力学理论证明, 无论什么容器,物体在同一液位的压强是相等的。 因此,在立式砂仓中,同一层位上的尾砂颗粒所受的 静压力也是相等的;反过来说,在一定条件下,也就 是同一层位上的尾砂浓度也是“相等”的;尾砂的浓 (3)在泵的选择上,应采用节能泵,即频率可 调。 这种泵的好处是节能,可根据料位的高低转换 频率,而实现稳定料位。 2. 6ꢀ 高位接顶是保证接顶率的良好方法 料浆在具有足够的压头时,接顶是充填工艺的 一个难点,其主要难点是胶结充填或尾砂充填的料 8 5 总第 604 期 现代矿业 2019 年 8 月第 8 期 填中仍存在部分问题需要改进: 浆都有一个沉降率,其沉降率根据尾矿和胶凝材料 性质不同而有所差异。 充填体密实是一个较长过 程,同时胶充体在井下充填体中含水量较高,其后期 强度提高也是一个缓慢的过程;而胶凝材料的水化 反应也在其中伴随着进行,有时甚至充填体在打开 (1)深孔垂直管路终端即弯头处磨损较大。 这 是由充填尾砂的性质、料浆所具有的能量和管材材 质所决定的,不仅如此,垂直管路铺设的垂直度不够 也是影响因素之一。 管壁磨擦对料浆充填堵管的预 防性措施不力,堵管现象偶有发生。 1 ~ 2 a 后强度还在增长,其充填体的体积也在发生 变化。 因此,多次高位接顶对于充填接顶是一个较 好方法。 多年的科研及生产实践证明,要想达到 ( 2)充填钻孔孔深超 500 m 的管输磨损问题有 待解决和完善,充填过程中的满管流难实现满管流, 这是充填过程中亟待解决的一个难题。 1 00% 的接顶,必须满足以下条件: 1)所接顶的采场的充填钻孔或下料点必须在 最高位。 ( ( 3)立式砂仓压力场控制较差,流量波动性大, 控压助流技术体系有待完善。 4)充填射源浓度计对员工的身体影响,目前 ( 2)必须有二个以上的排气孔,排出采场内的 ( 压缩空气和积水。 所用浓度计均是带有射线 Cs 解决充填浓度的在线 检测,在环保和职业健康防护方面不尽人意。 因此, 亟需加速研制差压法浓度计替代射源浓度计。 ( 3)料浆的流动性要好。 2 . 7ꢀ 充填体强度是综合因素决定的 多年的实践证明,决定充填体强度是综合因素 决定的。 主要影响因素有:尾矿自身性质(如粒度、 孔隙率、浓度、粘度、级配等)和胶凝材料性质;而温 度、料浆的化学成份、充填环境湿度、骨料级配对胶 填体强度也有一定的影响。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 张ꢀ 保,刘允秋,孙丽军. 冬瓜山铜矿采空区分布特征及充填 治理方案设计[J]. 现代矿业,2018(6):17-20. [2]ꢀ 黄文俊,廖秋光,刘万云,等. 助凝剂在冬瓜山铜矿全尾充填絮 凝沉降中的运用[J]. 江西化工,2012(3):25-28. 级配的作用是降低尾砂孔隙率,进一步密实胶 充体;不同的温度和湿度对胶凝材料的强度提高是 不同的。 这是因为,充填体密实可分物理和化学密 实两个方面,物理密实是对尾砂孔隙的填充,而化学 密实则是指胶凝材料的水化反应,使胶凝材料颗粒 周边形成了水化胶凝网络,胶合了胶凝材料和尾砂 颗粒的界面,从而提高了胶充体的强度,而适宜的湿 度或微珠则是给水化反应提供足够的水份。 [ [ [ 3]ꢀ 王建军,许文远,郭利杰. 全尾砂絮凝沉降规律研究[J]. 中国 矿业,2012,21(6):92-94. 4]ꢀ 冯胜利. 谈全尾矿膏体制备与沉降的关系 [ J]. 铜业工程, 2 013,124(6):42-44. 5]ꢀ 惠ꢀ 林,邓代强. 冬瓜山铜矿极细粒级全尾砂高浓度连续放砂 实践[J]. 金属矿山,2008(5):10-12. [6]ꢀ 惠ꢀ 林,李月生. 立式砂仓喷咀活化全尾砂高浓度放砂试验研 究[J]. 金属矿山,2007(7):208-211. ( 收稿日期 2019-06-26ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 3 ꢀ 充填中存在的问题及改进方向 冬瓜山铜矿在多年的全尾连续充填中,发现充 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ( 上接第 75 页) 面变形区的下游方向,避免造成重 4ꢀ 结ꢀ 语 大伤亡事故。 分别从水文地质、工程地质、环境地质角度分析 3 . 3ꢀ 矿区地质环境类型 了碾子沟铁矿开采技术条件,对于矿床后续勘探开 发有一定的参考价值。 矿区内水文地质条件中等复杂,工程地质条件 复杂。 现状条件下无重大污染源,无地表水;地下水 钻孔水) 为Ⅲ类水。 矿层开采对矿区范围内矿层 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 ( 以上含水层进行疏干排水,造成地下水降落漏斗;随 着开采年限不断延长和采掘深度不断加大,采空区 地面塌陷和地裂缝问题日益突出;矿坑排水及矿石、 废石淋滤水中的有害物质有可能引起下游地表水、 地下水及土壤遭受污染,将致使矿区地表水、地下水 水质超过Ⅲ类水标准。 故本研究认为矿区地质环境 质量不良。 [ 1]ꢀ 河南省地质矿产局. 河南省区域地质志[ M]. 北京:地质出版 社,1989. [2]ꢀ 河南省地矿局第四地质勘查院. 河南省卢氏县碾子沟铁矿勘 探报告[R]. 郑州:河南省地矿局第四地质勘查院,2015. [ 3]ꢀ 河南省地质科学研究所. 河南省卢氏县碾子沟铁矿水工环地 质调查报告[R]. 郑州:河南省地质科学研究所,2015. ( 收稿日期 2019-01-15ꢀ 责任编辑ꢀ 王小兵) 8 6
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