程潮铁矿全尾砂胶结充填质量控制

张志威，孙 达，王 韬，何 东

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

程潮铁矿全尾砂胶结充填质量控制

张志威，孙 达，王 韬，何 东

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

介绍了程潮铁矿全尾砂胶结充填生产的工艺流程，阐明了为保证充填质量所采取的监测控制措施，包括充填造浆浓度和胶凝剂给量的计算方法与控制，充填体强度监测，以及充填料浆流动性与泌水率的控制，通过质量控制，不仅满足了安全生产强度要求，还将充填体胶凝剂用量控制在0.121 t/m3以内，有效降低了充填成本。

全尾砂胶结充填；质量控制；充填体强度

1 全尾砂胶结充填工艺

武钢集团程潮铁矿充填站是湖北省首座全钢结构充填制备站，于2011年3月开工建设，并于同年12月底通过主体工程验收。2012年7月，充填站试运行生产并一次试车成功，并于同年10月份正式为程潮铁矿提供充填采矿服务。

充填站采用全尾砂胶结充填自流输送工艺。充填材料主要是以程潮铁矿湿选尾矿为骨料，无需分级，通过脱水后配以一定比例的胶凝剂混合，经过活化搅拌，利用管道自流输送至井下充填区，整个生产工艺流程如图1所示。

图1 全尾砂胶结充填工艺流程

尾砂从尾矿坝泵送至充填站立式砂仓经过自然沉降，待上层水澄清之后，通过砂仓仓壁不同高度的排水孔排出清水，将尾砂浓缩至合适的浓度，排出的清水泵送至尾矿坝。

尾砂浆的制备采用风水联动造浆，在立式砂仓底部铺设环形管道，环形管道上相隔一定间距安装喷嘴装置，先后通过水泵抽水和空压机供风对环形管道施以水压和气压使脱水后的尾砂翻滚均匀，根据现场生产要求，造浆后的浓度控制在64%～75%之间。

充填生产时，通过电动胶管阀控制砂浆流量，技术人员通过数控面板实时监视流量数据，并按生产需要控制双管螺旋给料机给料速度将胶凝剂配比调整至合适值，经过缓冲槽后的尾砂浆与胶凝剂一起进入到双轴搅拌机进行一段混合搅拌，然后再经过高速搅拌机进行二段活化搅拌，活化后的充填料浆，通过充填管路自流进入井下采空区进行充填。通过对反冲洗水水量进行调节，可以根据生产需要，将充填料浆最终浓度控制在65%～72%之间。

整个生产过程均由技术人员在中控室远程操控并实时监控，充填生产完全实现了自动化、数字化管理。

2 充填质量监控

2.1 充填造浆浓度的控制

程潮铁矿充填站尾砂来自尾矿坝在线尾矿，矿浆性质不稳定，在溢流变浑浊即停止进砂(溢流浓度≥5%)，通过对进砂和溢流性质进行监测，计算得出进砂时砂仓中的尾砂干固量值，再根据尾砂浆浓度范围取值，计算出砂仓中所需造浆水量的大小，最后计算出需排放清水层水位的高度，从而准确控制充填生产造浆浓度。具体计算方法如下。

式中，D为进砂时砂仓中的尾砂干固量，t；W为进砂流量，m3/h；M为造浆时砂仓中的水量，t；M1为停止进砂时砂仓中的水量，t；H为造浆前通过排水孔排出的清水层高度，m；V为立式砂仓的总体积，m3；r为砂仓半径，m；ρ1、ρ2、ρ3分别为进砂、清水和停止进砂前的溢流密度；T1为进砂时间，h；T2为开始产生溢流到溢流变浑的时间，h；T3为溢流变浑到停止进砂的时间,h；C、C1、C2、C3分别为尾砂浆质量浓度(C取值64%～75%之间)、尾矿质量浓度、清水溢流浓度(C2=0)和停止进砂时溢流质量浓度(可看作溢流开始产生浓度时浓度呈线性变化)。

2.2 胶凝剂给量计算与控制

胶凝剂的材料成本约占矿山充填生产总成本的50%～65%，如何精确控制胶凝剂给量是相当重要的，给量偏低会造成充填体的强度达不到生产要求，而给量偏高又会产生不必要的成本。

充填生产时，胶凝剂的给量主要是通过对中控室电脑设定给量值，由电脑根据放砂流量自动调节螺旋给料机的频率进行控制，给量值经过技术人员对尾砂性质(比重、容重等)检测后经过计算得出。尾砂比重、尾矿浆容重、料浆浓度以及胶凝剂给量之间计算公式如下。

式中,ρ3为尾砂干比重；ρ4为尾砂浆比重，g/L；v为已知浓度壶体积，mL；M1和M2分别为已知浓度壶质量和装满料浆的浓度壶质量，g；C为充填料浆质量浓度，%；A为灰砂比；W1为放砂流量，m3/h；N为胶凝剂给量，t/h。

由于井下矿石性质变化以及选矿流程变化，选厂尾砂性质会出现波动，计算所得尾砂比重数据会随此产生偏差(波动幅度约为±0.08)，因此需要实时监测并更新尾砂性质的检测数据，否则会影响胶凝剂的精确给料。例如：当设计灰砂比为1∶8时，尾砂比重按照2.80 t/m3计算将比按照2.95 t/m3计算的单仓充填胶凝剂消耗量多3.407 t，按每年充填137仓尾砂(约10万m3)，胶凝剂单价500元/t计算，充填站每年约增加成本23.33万元。

2.3 充填体强度监测

充填体的抗压强度是关系到充填法采矿生产安全的重要指标，必须对每一次充填的充填体进行抗压强度检测，并通过检测结果指导现场生产。目前程潮铁矿充填站使用的检测方法是对地面0 m平台的在线充填料浆进行取样，用标准三联试模铸模后放入养护箱进行恒温恒湿养护，并对不同养护期的试块进行抗压强度检测。

实验室结果表明，充填料浆浓度68%，灰砂比分别为1∶12，1∶8和1∶6时，可满足沿走向上向分层充填法不同水平层抗压强度要求。现场生产中发现适当降低灰砂比，减少胶凝剂用量，充填体强度仍满足安全生产强度要求。因此，通过对现场充填体强度的实时监测，将胶凝剂用量控制在满足强度要求的最小值，既能保证安全生产又节约了胶凝剂成本，如表1所示。

表1 沿走向上向分层充填法胶凝剂用量表

2.4 充填料浆流动性能和泌水率控制充填料浆的流动性能和泌水率是充填生产中两个重要的指标，二者有着密切联系。根据现场生产经验，相同细度时，充填料浆浓度越低，充填料浆流动性能则越好，泌水率越大；相同浓度时，充填料浆中-55～+200目粒级含量越大，流动性越好，泌水率越大。

充填料浆泌水率过高不仅会使井下充填体产生离析现象，影响充填体的强度，而且凝固后的充填体体积减小，充填效率降低；若充填料浆流动性能差则会容易引起充填管道堵塞。根据国内外矿山充填经验，充填体泌水率应控制在10%以下。

充填料浆的流动性能一般用坍落度进行衡量。根据生产经验，当坍落度在23～27 cm范围内，可满足自流输送要求，满足该坍落度条件的料浆浓度即为充填站料浆制备的合理浓度范围。经检测，程潮充填站充填料浆的合理浓度为65%～72%。在实际生产中，遇到以下几种情况时，需要在上述浓度范围内调整料浆的流动性和泌水率：

(1) 生产中，当尾砂粒度偏细时，通过增加反冲洗水量，降低料浆浓度，提高流动性；同时，对充填料浆进行坍落度试验，综合观察料浆的粘聚性、保水性以及现场下料情况，避免发生堵管事故。

(2) 在充填的不同时段，充填料浆的浓度会发生变化，需要临时通过调节现场反冲洗水的用量来控制料浆浓度，并对调整后的料浆做坍落度试验进行衡量，坍落度范围应在23～27 cm之间，并取坍落度下限对应浓度，降低充填料浆泌水率。

(3) 充填生产时，充填空区离充填主管越近，充填管路越短，管道阻力损失越少，对充填料浆流动性的要求越低，可适当提高充填料浆浓度；其次充填空区水平越低，充填倍线越小，充填料浆自流输送越容易[3]，此时也可适当提高充填料浆浓度。

3 结 语

众所周知，矿山充填法是一种高成本的采矿方法，所以提高充填效率以降低生产成本对国内外的矿山充填站显得尤为重要。武钢集团程潮铁矿充填站通过对工艺和设备的不断优化和改进，生产逐渐趋于成熟，通过对生产质量进行监控，不仅满足安全生产强度要求，并且降低了胶凝剂成本，根据统计，程潮铁矿井下充填体消耗胶凝剂用量为0.121 t/m3，充填体所需胶凝剂成本为60.5元/m3。

[1]于润沧.采矿工程师手册[M].北京：冶金工业出版社.

[2]王洪江,李公成,吴爱祥,等.不同粗骨料的膏体流变性能研究[J].矿业研究与开发,2014，34(07):59￣62.

[3]邓代强. 尾砂-戈壁料胶结充填技术研究[J].矿业研究与开发,2014，34(01):16￣17，21.

[4]周冬兵,韦任建. 尾砂胶结充填在蔡家营锌金矿的应用[J].采矿技术,2014，14(01):20，41.

[5]沈家华. 深井长距离膏体自流输送技术研究与应用[J].采矿技术,2014，14(01):72￣76.

2015￣03￣26)