谦比希铜矿膏体充填关键技术及效益分析*

杨清平 王 勇 王贻明 韩振雁 王志会

(1．中色非洲矿业有限公司;2．北京科技大学土木与资源工程学院)

膏体充填技术是当今最为先进的胶结充填技术，它在充填材料的选择、配比、浓度以及泵送工艺等方面与传统的分级尾砂、全尾砂自流输送充填有明显的差别，是科技含量比较高的充填技术，具有不离析、不沉淀、不脱水、充填能力大、充填成本低等特点[1-2]。目前，膏体充填通过不断改进完善，技术基本成熟，工艺更加简单，系统运行更加可靠，充填效率更高，成本更低[3]。其主流工艺为深锥浓密机一段浓密脱水，实现了膏体制备技术的重大突破；双轴叶片搅拌机及双轴螺旋搅拌机二段卧式搅拌、地表微粉秤计量、双缸活塞泵输送等，其发展促进了膏体充填技术的成功应用[4]。而且，随着矿山日益环保化发展理念，膏体充填应用范围正在逐步扩大，除应用于井下充填外，还逐步向尾矿堆存方向发展[5]。

谦比希铜矿西矿体倾角较缓，一般为30°左右，厚度中等，真厚度为7～14 m；矿体及围岩为泥质板岩，比较破碎(RQD<30%)，遇水易泥化崩解，矿岩富水，涌水量较大，平均为15 000 t/d，属典型的难采矿体。开采面临的主要难题为矿体及下盘围岩破碎，且遇水泥化，巷道成形困难，支护难度大；原有分级尾砂水砂泵送挤压充填，充填水对矿岩浸泡软化破坏严重，采场维护难度大，支护成本高；采场矿石回采率低，仅50%左右，贫化率较高；采场脱排水困难，围岩泥化严重，巷道维护难度大，设备损耗高，运行效率低[6-7]。为此，谦比希铜矿采用膏体充填技术。本文从膏体充填六大关键技术及经济、安全、社会效益等方面对谦比希铜矿的应用情况进行阐述。

1 膏体充填工艺

1.1 充填物料特性

充填物料主要来源于选矿厂全粒级尾砂。选矿厂处理生产能力为200万t/a(6 000 t/d)，尾砂产率约95%，完全满足西矿体采矿生产能力100万t/a所需要的充填尾砂量。全尾砂密度为2.67 t/m3，松散密度为1.4 t/m3，孔隙率为47.87%，其粒级级配组成见表1。尾砂中-200目(-74 μm)为70.85%，-400目(-37 μm)为46.98%。

表1 全尾砂粒级级配组成

胶凝材料采用普通硅酸盐散装水泥。同时,出于投资和成本方面考虑，膏体充填系统设计上未考虑添加粗骨料，但方案设计上要求采场充填前尽量充填掘进废石，以提高充填体强度。

1.2 膏体充填系统升级改进

设计采用全尾砂作为充填集料的膏体泵送充填工艺，主要工艺流程为来自选矿厂的尾砂浆(质量浓度20%～40%)经一台φ11 m的深锥浓密机一段脱水，制成浓度为64%～68%膏体状全尾砂；全尾砂经深锥浓密机底流泵输送至二级搅拌机中,与水泥一起搅拌制成浓度66%～70%膏体充填料，再采用工业柱塞泵及其液压机构输送至井下充填。水泥在地表进行干式添加，给料系统由水泥仓及定量给料机组成；泵送设备为德国Putzmeister公司引进的2台KOS2180HP型柱塞泵，泵的输送能力为60～70 m3/h，泵压为10 MPa。

为了提高膏体充填系统能力，实现西矿体全部采用膏体充填的技术需求，随后对膏体充填系统深锥浓密机底流泵及充填管路进行了改造，即在现有一台深锥浓密机的基础上，增加一台底流泵，实现了单台深锥浓密机与2台搅拌和泵送系统有效配合运行，深锥处理能力和适应能力大幅提高；同时从2台输送泵开始，沿着2个充填钻孔各布置一趟充填管路，形成2套独立的充填管网系统，既可以单独充填，也可以同时充填2个采场，系统充填能力得到大幅提高，由以前的60～70 m3/h提高到120～140 m3/h。而且，在2个充填钻孔前安装5个控制闸阀，同时增加浓度计、流量计、压力表、料位计等仪表，并集成到原DCS系统，实行远程监控，使2套充填系统互为备用，一旦某一套系统设备、设施有故障，只需调换一下充填钻孔前管网上的闸阀，实现2个充填管网的互换，就可以按需要进行充填。充填工艺流程见图1。

1.3 膏体充填主要技术参数

谦比希铜矿充填系统为赞比亚首套智能化膏体充填系统，为西矿体的安全回采提供了强有力的技术支撑。目前充填技术参数：浓密机处理能力为120 t/h(干砂)，浓密机底流浓度为65%～70%；制备膏体浓度为66%～70.4%；水泥量添加范围为(1∶30)～(1∶12)，水泥单耗为30～180 kg/m3，充填能力为120～140 m3/h；充填体强度为0.6 MPa以下，充填体自立强度为0.36 MPa；管道输送沿程阻力损失为4 MPa。

2 膏体充填关键技术

2.1 尾矿深锥浓密防压耙技术

深锥压耙是膏体充填常见的主要技术故障之一，严重影响膏体制备与系统生产能力。在基础实验的基础上，掌握了谦比希铜矿尾矿沉降特性和流变特性，通过理论计算和仿真模拟技术，探明了谦比希铜矿尾矿深锥浓密絮凝沉降和耙架受力分布规律，进而优化深锥驱动机构和耙架结构，同时设置了不同的深锥内部循环运行机制，综合流态化造浆技术和底流浓度智能稀释系统，使深锥内部沉降的尾矿浓度分布均匀，始终处于流态状态，避免出现因尾矿板结而导致的深锥压耙，从而实现了深锥的平稳运行，至今未发生压耙事故。

图1 膏体充填工艺流程

2.2 深锥底流浓度与膏体制备质量智能控制系统

通过浓度计与流量计对深锥底流浓度与流量的在线采集与监控，实时调整深锥运行参数和稀释水添加量，底流浓度波动范围可控制在3%以内。膏体制备时，根据底流浓度、流量与设计的灰砂比，实时调节水泥仓底部的螺旋给料机电机转速，实时调控水泥添加量，从而实现了膏体浓度与灰砂比的精确控制，确保了膏体制备的质量。

2.3 絮凝剂溶液的制备与添加自动控制系统

合理的絮凝剂添加可以加快尾矿在深锥内的沉降速度，保证深锥溢流水的澄清度和深锥的沉降通量，从而确保深锥的生产能力。絮凝剂的制备与添加均实现自动智能化，通过多点投料和导流槽的紊流装置实现了絮凝剂的均匀投放，且深锥溢流澄清度高，尾矿沉降均匀，絮凝剂浪费少。

2.4 管道输送摩阻计算新模型

在环管试验的基础上，建立了考虑管壁滑移效应的膏体输送摩阻计算模型，新的管输摩阻计算模型较常用的结构流等模型具有更好的适应性。

目前常见的膏体管道输送的管阻模型均未考虑管道的边壁滑移效应，而大量的工程实践表明，膏体管道输送存在加大的边壁滑移效应，为此，在试验的基础上建立了谦比希膏体管道输送摩阻模型：

(1)

式中，ΔP为管道输送压力损失，Pa；L为管道长度，m；V为膏体流速，m/s；D为管径，mm；τy为屈服应力，Pa；δ为滑移层厚，mm；μp为膏体塑性黏度，Pa·s；Dp为加权平均粒径，mm；μs为滑移层黏度，由于黏度极低，可将其直接视作为清水，取常温状态下的清水黏度值，Pa·s。

通过分析可知，利用新构建的谦比希摩阻计算公式计算得到的管道阻力损失值与实测阻力损失值基本一致。在流量为60 m3/h、内径为150 mm管道输送时，膏体质量浓度为71.8%、70.8%、69.6%的管道阻力损失值分别为4.13，3.28，2.23 MPa/km，表明新构建的摩阻计算公式具有很好的适应性。

2.5 贫化损失指标控制关键技术

通过理论计算与试验研究，确定合理的充填体强度，研发了轻型木质挡墙快速构筑工艺，提出了多种采场充填接顶模式，合理确定采场进路断面形状和回采顺序。

西矿体采用分步回采上向水平分层膏体充填法回采，与其他采用类似采矿方法的矿山相比，因赞比亚水泥供应紧张，价格高，因此，膏体充填无法采用高强度配比，二步骤回采时的贫化损失控制技术尤为关键。

合理确定充填灰砂比和充填体强度，灰砂比根据生产需要介于(1∶12)～(1∶30)，充填体强度控制在0.6 MPa以下。采取多种接顶方式确保一步骤采场充填接顶率，采用边界控制爆破技术和留矿壁护边技术，实现了低强度膏体充填安全高效低贫化损失指标回采。

2.6 膏体充填管道压力在线监测预警系统

通过布设传感器对管内压力进行实时动态监测，根据压力变化特征对管道的运行状态做出预判并及时采取处理措施，是预防及降低管道破坏损失的有效手段。

建立膏体充填管道压力在线监测系统，根据日常充填过程中的压力监测数据，结合井下管道失效事故，通过对比分析，提出了管道爆裂、泄漏及堵塞的事故预判机制，并制定了相应的应急预案。

采用基于压力监测信息的事故预判方法，有效解决了井下管道堵管、爆管事故的发生，目前为止，仅在调试期间发生一次堵管事故。

3 效益分析

实践证明，膏体充填是一种技术先进，综合经济效益好，能满足谦比希铜矿充填开采技术要求的新工艺，在谦比希铜矿推广应用非常必要。对比2017年和2016年矿山生产指标，计算膏体充填取代水砂充填产生的综合效益。2016年膏体充填13.68万m3，消耗水泥7 607 t，平均水泥耗量为55.6 kg/m3；2017年膏体充填35.40万m3，消耗水泥18 200 t，平均水泥耗量为51.4 kg/m3。2017年较2016年膏体充填量增加近20万m3，逐步取代水砂充填，采矿指标进一步改善。

3.1 直接经济效益

与水砂充填相比，膏体充填产生的直接经济效益主要来自于矿石回收率提高而带来的经济效益；贫化率降低而节省的废石运输和选矿处理成本；支护量减少，采场循环加快；生产能力提高产生的效益；回采率增加导致采切比降低而节省的掘进成本；井下充填回水减少而节省的排水排泥成本。而膏体充填新增了水泥及制造成本，部分经济效益将被抵消。

3.1.1 回采率提高的经济效益

2017年西矿体采出矿量114万t，采出品位为2.02%，回采率为72.8%，其中，两步骤回采占40%，回采率约75%；2016年西矿体采出矿量98.76万t，采出品位为2.06%，回采率66.5%，其中，两步骤回采占30%，回采率约70%。2017年由回采率提高多回收的金属量为460.56 t，2017年铜价为6 105美元/t，西矿体生产成本为4 965美元/t，2017年回采率提高而多回收的金属量带来的经济效益为489 861美元。

3.1.2 贫化率降低的成本

2017年西矿体采出矿量114万t，采出品位为2.02%，贫化率为6.8%；2016年贫化率指标为9.5%。2017年由贫化率减少的废石混入量为12 312 t，2017年矿石提升运输及选矿加工成本约为9.6美元/t，节省成本为118 195美元。

3.1.3 锚索支护节省的成本

由于采用膏体充填，采场充填水少，对采场稳定性影响小，与2016年相比，对采场支护进行适当调整，采场锚杆支护量增加，锚索支护量减少。

2017年西矿体出矿量为114万t，分层采场锚杆支护量约55 000根，锚索支护量为10 000根。与2016年西矿体出矿量为98.8万t，分层采场锚杆支护量为39 731根，锚索支护量为10 312根相比，节约支护成本81 000美元。

3.1.4 生产能力提高的效益

2017年回采分层采场总数为204个，其中，采用膏体充填的分层采场数为178个。与水砂充填相比，采用膏体充填后，每个分层采场充填时间平均减少3 d；同时，由于锚索支护量减少约2 000根，每个分层采场支护减少10根，平均加快采场循环2 d。即分层回采累计减少循环天数为890 d，按每个分层综合生产能力80 t/d计算，全年多出矿71 200 t； 生产能力提高而产生的效益为1 529 741美元。

3.1.5 回采率增加而节省的成本

相同采切工程量的基础上，回收率增加相当于节省部分采切工程的掘进成本。2017年采切比为84 m3/kt，对比2016年采切比102.42 m3/kt，由回采率增加导致采切比降低而节省的掘进成本为 137 390 美元。

3.1.6 井下充填回水节省的成本

与水砂充填相比，膏体充填不用脱水，井下充填回水量减少102万m3；按排水排泥费0.35美元/m3计算，井下充填回水减少节省的排水排泥成本为357 000美元。

3.1.7 膏体充填新增水泥及制造成本

2017年井下膏体充填量为35.40万m3，消耗水泥18 200 t，平均水泥耗量为51.4 kg/m3。散装水泥为120美元/t，膏体水泥成本为6.2美元/m3，考虑动力消耗，单位体积膏体新增成本7.1美元，则膏体充填新增成本为2 513 400美元。

谦比希铜矿2017年采用膏体充填技术创造直接经济效益为199 787美元。

3.2 间接经济效益

由于膏体充填技术的应用范围扩大，可多回收20%左右的矿石储量，延长矿山服务年限。以西矿体储量计算，多回收20%矿石，可多回收矿石量约250万t，延长矿石服务年限2a以上。

3.3 安全效益

由于膏体充填技术的推广应用，井下充填不用脱排水，减少了充填水对围岩的二次浸泡弱化和破坏，降低了周边巷道支护的难度和工程量，井下巷道与采场安全性大为改善，采场及巷道偏帮冒顶事故大大减少，基本杜绝了大型设备因冒顶被埋报废事故。采场无需脱水，简化了工艺，减少了巷道污染，采场接顶效果好，接顶率高，充填体质量均匀、稳定，从而保证了采场回采安全。

3.4 环保效益

通过全尾矿膏体充填，大量的尾矿用于井下充填，不仅节省了尾矿库容量，而且解决了井下采空区带来的安全隐患，实现了“一废治两害”的绿色开采模式，缓解了矿山生态缓解压力；同时，减少了矿山废石的生产和排放，降低了工业废物的产生和处理成本，生态环境效益显著。

4 结 论

(1)谦比希铜矿膏体充填系统已实现充填量约100万m3，充填浓度为68%～71%，充填流量为60～140 m3/h，系统最大连续工作时间为30 h，充填能力达42 000 m3/月以上，效果、效益显著。

(2)高效深锥浓密机对尾砂浆进行脱水，制备的尾砂浆浓度稳定，克服了传统过滤设备不能实现长时间连续稳定供料的缺点。高效深锥浓密机的成功应用为膏体充填工艺技术的工业化、产业化发展攻克了技术瓶颈。深锥一段浓密及二段卧式搅拌、微粉秤、双缸活塞泵等工艺具有流程简单、能耗低、设备自动化程度高、可靠性高等特点，已成为膏体充填的主流工艺。

(3)与水砂充填相比，采用膏体充填，采场无需脱水，采场循环明显加快，人员、设备效率以及采场综合生产能力得到一定提高，综合效益好，值得类似矿山借鉴。

(4)采用膏体充填工艺，一方面可有效控制矿山地压，提高矿山开采安全性、可靠性；同时可充分利用矿山生产废石及尾砂等生产废料，减少废石排土场及尾矿库征地60%以上，有利于当地环境保护和减少基建投资。

(5)膏体充填技术具有尾砂利用率高、充填强度性能好、水泥消耗量小、充填成本低等特点，采用膏体充填能达到简化工艺，提高采矿强度和回采效率，充分回收资源及保护环境的目的，对于矿岩稳定性差、矿石品位较高的矿山具有较好的适应性。