1、第八屆國際充填采礦會議論 文全尾砂膏體充填技術及工藝流程的試驗研究王 方 漢 姚 中 亮 曹維勤摘要：南京棲霞山鉛鋅銀礦地處風景區，是典型三下礦山，應用充填采礦已二十余年。為不斷提高充填質量，先后進行了一系列實驗室及工業試驗，研究分析了膏體充填技術特性與規律，并在此基礎上，設計了新的全尾砂膏體充填工藝流程。新的膏體充填系統具有工藝簡便、流程短、穩定性強、運行成本低的特點，適合于在全國中小型以上地下礦山中推廣應用。關鍵詞：全尾砂、膏體充填、試驗研究、工藝流程1. 概況：南京棲霞山鉛鋅銀礦地處南京東北郊，北靠長江，南鄰京滬鐵路及滬寧高速公路，西鄰南京新生圩外貿港口，沿江東側有龍潭深水港集裝箱碼頭，

2、礦區有棲霞山鐵路貨運北站，交通十分便利。礦區處于旅游勝地棲霞山風景區腳下，與佛教勝地棲霞寺及全國重點文物保護單位舍利塔和千佛巖僅一街之隔。棲霞街居民密集，礦區有河流經過，礦區附近有金陵石化煉油廠、棲霞山化肥廠及江南小野田水泥廠等大型企業，屬典型的“三下”礦山。南京棲霞山礦為華東地區最大的鉛鋅礦床，現在保有礦石儲量一千三百多萬噸。礦山現有采選能力為35萬噸/年，采用平硐盲豎井開拓，上向水平分層全尾砂膠結充填法采礦。由于處城市風景區，對地表及環境保護要求嚴格，礦山沒有尾礦庫，井下廢石不出窿用于空區充填，選礦尾砂全部輸送于井下采場進行充填；選礦過程采用清潔生產技術，廢水經凈化處理后全部回用；礦山已通

3、過了ISO9000標準體系認證，并且在全國礦山中率先通過了ISO14001環境體系認證。因此，礦山已實現了“零排放”無廢開采。2. 全尾砂膠結充填系統及存在問題2.1 現有全尾砂充填工藝流程礦山全尾砂膠結充填系統始建于上世紀八十年代末，幾經改造，現采用的充填工藝流程如圖一所示。選礦全尾砂經300m3中轉儲砂池后由4PNJ襯膠泵輸送到兩個分別為800 m3和880m3容積的立式砂倉中，起加速沉降作用的絮凝劑經攪拌后也添加于立式砂倉；然后全尾砂造漿放砂進攪拌桶進行一級、二級攪拌，同時，水泥則由水泥倉底部的雙管螺旋給料進入立式攪拌桶。經過兩級充分攪拌后的充填料漿采用高揚程離心式渣漿泵加壓，通過90管

4、道輸送到井下采場。圖一 南京棲霞山礦全尾砂膠結充填系統流程圖2.2 現有充填系統存在的問題現有充填系統尚能滿足生產需要，但存在的主要問題是： 全尾砂粘結嚴重，立式砂倉需定期清倉。由于全尾砂粒徑細，在倉內易粘結；添加絮凝劑后，更為增加了粘度；有效放砂空間逐漸縮小，影響了正常放砂。目前每12個月進行一次人工徹底清理。 充填料漿濃度低，影響充填體強度。現有充填料漿濃度為55%65%，摻加水泥后容易產生離析，影響了充填體的凝固時間和凝固強度。 系統運行工況不穩，增加了生產組織難度。由于全尾砂粘性大，采用高壓水造漿，使放砂流量和濃度始終不穩定，由此帶來井下漫水多、跑砂多、充填料凝固時間拉長，影響正常采充

5、循環等，使整個井下與地表充填生產組織協調難度加大。此外，礦山現有充填系統最早是按年采選10萬噸礦石量設計的，后來經改造擴建到20萬噸/年礦石量的充填能力，實際已挖潛運行到年采選25萬噸礦石量的充填能力。而目前礦山已完成35萬噸/年采選能力擴建改造，原有的系統也已不能滿足改擴后的生產需要。為解決上述問題，我們共同合作進行了膏體充填技術與工藝流程的試驗研究工作。3. 全尾砂膏體充填試驗研究3.1 全尾砂實驗室測試與試驗3.1.1 全尾砂充填料性質通過測定和分析，礦山全尾砂的物理性質、粒級組成及化學成份分別如表1、表2與表3。表1 全尾砂物理性質材料名稱比重/（g/cm3）容重（g/cm3）孔隙率（

6、%）全尾砂3.131.6347.92表2 全尾砂粒度分布粒徑（m）-5-10-15-20-25-30-36-40-50-71-100-150-200-300-400-500分計（%）16.437.574.764.584.073.443.782.355.3110.0311.7211.275.215.072.601.81累計（%）16.3424.0028.7633.3437.4140.8544.6346.9852.2962.3274.0485.3190.5295.5998.19100表3 全尾砂化學成份分析結果材料名稱主要化學成份所占百分比（%）SiO2Al2O3MgOCaOFe2O3全尾砂26.

7、791.722.1520.1515.113.1.2 全尾砂沉降試驗為了了解礦山全尾砂自然沉降特性，我們進行了全尾砂自由沉降試驗，試驗結果如表4，根據試驗結果獲得沉降濃度與沉降時間對應曲線關系如圖二。表4 全尾砂自由沉降試驗結果沉降時間料漿容積（ml）清水量（ml）料漿濃度（%）料漿容重（g/cm3）13200501.51510分鐘118014053.761.57628分鐘90042063.291.75640分鐘84048065.791.8152分鐘82050066.671.8291小時14分80052067.571.851小時30分78054068.491.8722小時37分76056069.

8、441.8953小時18分75856269.541.8976小時33分75656469.641.8998小時56分75456669.741.90224小時75256869.931.904結果表明，全尾砂料漿最大自由沉降濃度為69.93%，其達到最大沉降濃度所需的時間為6小時左右，說明南京棲霞山礦全尾砂沉降速度比較快。3.1.3 全尾砂試塊強度試驗圖二 全尾砂料漿沉降曲線為了研究全尾砂不同濃度、不同灰砂比與不同齡期對強度的影響，我們進行了多組試塊試驗，結果如表5。表5 全尾砂試塊強度試驗結果 試塊編號灰砂比濃度（%）濕容重（g/cm3）試塊抗壓強度（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圖三 不同配比濃度抗壓強度關系曲線試驗獲得同灰砂比全尾砂充填料在28天齡期條件下濃度強度關系曲線如圖三，它表明：相同灰砂比時，試塊同齡期強度隨全尾砂濃度提高而提高，在灰砂比為1:4、1:

11、6與1:8時，當濃度62%提高到74后，各齡期強度則提高到原來的35倍。說明，全尾砂充填料濃度對于提高充填體的強度非常重要。從表5還可看出，灰砂比為1:8，濃度為74的試塊各齡期強度均高于灰砂比為1:4，濃度為66%的試塊同齡期強度，說明同等強度要求下提高全尾砂充填料濃度可以大大降低充填水泥成本。3.1.4 全尾砂流變性能測試為了了解礦山全尾砂流變特性，我們還進行了塌落度測試，結果見表6表6 全尾砂塌落度測試結果質量濃度（%）807674727068塌落度（Cm）17.526.52828.5攤開攤開3.2全尾砂膏體充填（半）工業試驗通過對全尾砂進行實驗室測試和試驗數據的分析，我們看到了全尾砂料

12、漿充填存在的問題，發現進一步提高充填質量的關鍵是要實現膏體條件下的充填。為了確定適合礦山實際的膏體充填技術工藝與流程，選取合理設計參數，我們又進行了一系列工業試驗。3.2.1 全尾砂陶瓷過濾機脫水試驗考慮到全尾砂脫水配制膏體充填料的可能，我們進行了陶瓷過濾機全尾砂脫水試驗。試驗采用南京銀興機械設備修造廠生產的陶瓷過濾機，其真空度為0.98MPa。試驗獲得了全尾砂脫水水份及過濾機脫水能力數據。試驗得知，礦漿濃度對全尾砂脫水水份及陶瓷過濾機過濾能力影響很大。3.2.2 全尾砂膏體壓氣造漿試驗為了研究選擇合理的全尾砂料漿的造漿與制備方式，我們曾先后進行了兩次壓氣造漿試驗。一次是利用漏斗進行壓氣造漿，

13、第二次是利用原臥式粗砂放砂池進行壓氣造漿。漏斗壓氣造漿試驗采用自制的總容積1.33m3、上部敞口立方形、下部四邊錐形（錐角60°）的漏斗進行全尾砂自然沉降脫水。自現充填站排尾管上取的全尾砂在料斗內經16小時沉降后，先排除上部積水，然后，開啟最底部錐體內的壓氣造漿噴咀，經35分鐘造漿后即放砂。造漿后放出的全尾砂經取樣測定其濃度為70.6673.77%，平均濃度為72.11%。臥式砂池全尾砂壓氣造漿工業試驗中砂池容積400m3，池底部裝有15排75個造漿噴咀。來自選礦廠的低濃度全尾砂（濃度為2540%）經泵送到放砂池，經過近24小時自然沉降脫水后，先排除上部積水，然后進行壓氣造漿，均勻造

14、漿后的全尾砂經取樣后濃度結果如表7。表7 全尾砂砂池壓氣造漿濃度測定結果樣品號1234平均濃度（%）69.0171.6472.1472.1471.233.2.3 全尾砂膏體充填料環管泵送半工業試驗為了研究全尾砂膏體泵送情況下管道輸送阻力及泵壓輸送特性，確定今后膏體充填工藝設計參數，我們進行了全尾砂膏體充填料環管泵送試驗。試驗中，進行了兩組配料：一組是單一的全尾砂膏體；另一組是水泥全尾砂膏體，水泥為325#硅酸鹽水泥，灰砂比為1:8。試驗中采用125mm與150mm兩種管徑的鋼管，環型敷設，配管總長度194.63m，折算管道總長度295.1m。試驗采用HBT70混凝土拖車泵。試驗結果如表8。表8

15、 全尾砂膏體充填料環管試驗結果（參數）參數名稱與單位第一次配料（全尾砂膏體）第二次配料（水泥全尾砂膏體，灰砂比1:8）工況1工況2工況3工況4工況1工況2工況3工況4工況5膏體重量濃度（%）79.6677.5676.86/78.2877.2075.5674.9073.31膏體塌落度（cm）12.018.522.523.515.520.522.823.5攤開泵主油路油壓（MPa）22.017.013.512.018.015.012.09.08.0換向閥周期（S）4.64.22.72.24.52.92.72.72.7換向閥頻率（次/分）13.0414.322.217.313.3320.722.22

16、2.222.2膏體輸送量（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各壓力表讀數（MPa）13.42.41.81.352.61.91.41.00.622.31.7832.62.21.6942.181.951.4152.131.690.54各壓力表讀數（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試驗得出以下結論：全尾砂膏體與水泥全尾砂膏體均具有良好的管道輸送性能。試驗中，膏體濃度自73.31%至79.66%均順利實現了泵送循環。在試驗工況范圍內，膏體濃度是影響管道阻力與輸送質量的首要因素，濃度越高，管道阻力越大。膏體充填料具有良好的穩定性，試驗中全尾砂充填料在待料停泵14小時情況下，管道料漿仍未出現離析現象。3.2.4 全尾砂膏體充填料自流輸送試驗為了研究不同灰砂

18、比、不同濃度的全尾砂膏體在不同充填倍線條件下的自流輸送特性，我們進行了水泥全尾砂膏體充填料L型管道自流輸送半工業試驗和單一全尾砂膏體井下自流輸送工業試驗。 水泥全尾砂膏體充填料L型管道地表自流輸送試驗試驗中，采用灰砂比為1:12的水泥全尾砂膏體，共完成六組試驗。試驗采用125mm鋼管，第一、二組充填倍線N=3.2，第三至第六組充填倍線加大至N=4.2。第六組充填料漿添加了減水劑，在同一濃度下料漿流動性顯著提高。試驗結果為：充填倍線N=3.2的ZL1、ZL2試驗組，76%的料漿輸送濃度難于實現自流輸送，而73.6%的濃度卻可實現理想自流，膏體流量達到了66.888.2m3/h，完全可滿足生產能力

19、要求。當充填倍線加大至N=4.2時，無論是否添加水泥，料漿重量濃度73.6%的ZL3、ZL4試驗組的料漿流速極低，不能實現自流輸送。僅當濃度降低到71.5%或添加減水劑（實際重量濃度為74.62%，減水劑摻量為0.037%）后，才可實現較為理想的自流輸送，膏體流量達到52.277.76m3/h. 單一全尾砂膏體井下自流輸送試驗結合壓氣造漿工業試驗，利用現粗砂井下充填系統進行了單一全尾砂膏體經充填鉆孔與井下管道自流輸送試驗。試驗中，選廠泵送的全尾砂進400m3砂池經自然沉降后，先排除上部積水，即進行壓氣造漿，均勻造漿后的全尾砂膏體經地表充填鉆孔與井下充填管道完全自流輸送到采場空區。試驗全尾砂料漿

20、平均濃度71.23%，自流輸送流量經計算為88.74m3/h。3.2.5 水泥全尾砂膏體充填料試驗強度測定在水泥全尾砂地表泵送試驗及L型自流輸送試驗中，我們均取試塊樣對水泥全尾砂膏體充填料的強度進行了測定，測得其3天、7天與28天各齡期單軸抗壓強度如表9。 表9 水泥全尾砂膏體輸送試驗試塊強度試塊編號膏體濃度（%）塌落度（cm）灰砂比試塊容重（g/cm3）試塊抗壓強度（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 試驗結論以上全尾砂及全尾砂膏體的試驗研究表明： 南京棲霞山礦全尾砂-20m含量達到33.34%，高于國內外充填通常的-20m含量不小于15%的要求，無論是全尾砂還是水泥全尾砂都能制備成輸送性能良好的膏體充填料。 全尾砂自然沉降最大沉降濃度約為70%，按水灰比1:41:12添加水泥后，可制備成濃度為71.47%74.47%的全尾砂水泥膏體充填料，且壓氣造漿方式可靠

23、，膏體濃度均勻。 提高全尾砂充填料濃度有利于提高充填體強度，并減少膠結水泥用量，降低充填成本。 全尾砂膏體及全尾砂水泥膏體均具有良好的管道輸送特性。4. 全尾砂膏體充填工藝流程4.1 全尾砂膏體充填系統工藝流程設計方案由試驗得知，要進一步提高礦山充填質量，必須實現膏體充填。我們認為膏體充填系統工藝流程設計中關鍵的問題是： 選擇適合礦山實際的全尾砂膏體充填料濃度； 全尾砂脫水及膏體充填料的制備方式； 輸送方式。經過分析與研究并反復論證，我們確定了相對應的設計原則是： 全尾砂膏體充填輸送濃度控制在72%-73%，過高會增加管阻，提高充填成本。由此，設計全尾砂自然沉降濃度為70%，水砂比按1:61:

24、81:10控制。 全尾砂采用自然沉降脫水，膏體制備采用壓氣造漿； 制備好的膏體經強力高速二段攪拌后，采用自流輸送到井下充填。由此，我們設計建造了全尾砂膏體充填系統，其工藝流程方案如圖四所示。選廠低濃度全尾砂用渣漿泵或4PNJ泵長距離輸送到充填站臥式儲砂池，經過自然沉降并排去上部積水后做濃度測試，然后壓氣造漿。經均勻造漿的全尾砂充填料開啟放砂閥直接經管道進入雙臥軸連續攪拌機，同時水泥由雙管螺旋給料機也送入該攪拌機，經初步攪拌后的全尾砂水泥再通過連接器進入高速攪拌機進行活化攪拌被制備成膏體。最后全尾砂水泥膏體充填料進入充填鉆孔及井下充填管網自流輸送到井下采區進行充填。 圖四 全尾砂膏體充填系統工藝流程圖4.2 南京棲霞山礦全尾砂膏體充填系統的特點：在試驗研究基礎上，新設計建造的全尾砂膏體充填系統與國內外一些大型礦山膏體充填系統相比，具有自己的特點： 尾礦不分級，膏體充填料直接為選礦全尾砂。這使