刘铁军，万擎宇，许高锋

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

1 膏体充填工艺概述

1.1 工艺特点及研究方向

膏体充填技术自20世纪80年代诞生以来，一直备受关注，并因其在经济、环保、安全、高效等方面的优势得到了充分的发展[1]。该技术具有以下特点：1）充填料浆浓度高，泌水率低，水泥用量低，既节约生产成本，又节省排水、排污费用；2）尾砂利用率高，节省尾矿库库容，更符合环保要求[2]；3）具备良好的结顶性能与整体性能，更易于满足采矿工艺要求，减少地表的沉陷。

然而，膏体充填工艺也面临着诸多方面的挑战，这些挑战也是该技术未来的研究方向：1）料浆浓度稳定是保证充填质量、节约胶凝材料、改善井下环境的重要手段，因此如何保持胶结充填料浆浓度的稳定有待进一步研究[3]。2）充填骨料是决定充填方案及充填质量的关键因素，其中骨料的性质是决定能否采用膏体充填方案的关键因素，而尾矿级配是影响充填质量的决定性因素[4]，因此充填骨料的选择和优化仍需深入探讨。3）充填料浆的稳定输送也非常重要，因此如何合理控制剩余压头、保持管路系统始终满管输送、处理堵管等需要进一步深入研究。

1.2 工艺方案类型

充填系统设计应以充填试验为依据，充分结合矿山可利用的充填材料及采矿方法，以安全、环保为导向，同时兼顾建设、生产运营成本，为每个矿山量身定制个性化充填系统。常用的充填工艺有以下几种：“深锥浓密+两段卧式搅拌”充填工艺[5]、“无动力深锥+两段卧式搅拌”充填工艺[6]、“过滤+一段卧式搅拌+一段立式搅拌”充填工艺。

2 项目技术背景

某项目矿石类型主要为硫化矿石，主要矿物有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿，Zn+Pb平均品位为23.9%。由于该矿地处森林保护区内，且当前正处于建设阶段，地表不容许塌陷；同时该矿矿石品位较高，应尽可能回收，因此设计采用全尾砂膏体充填采矿法。

该矿主矿体属倾斜中厚矿体，采用深孔采矿。根据矿体产状，最终推荐采用垂直分条充填法和上向进路充填法，其中中厚以上矿体采用垂直分条充填法，中厚以下矿体和零星小矿体采用上向进路充填法。

3 原膏体充填工艺方案

3.1 尾砂物理化学性质

进行原充填试验时，鉴于尾砂量有限，仅完成了部分充填试验，原尾砂相对密度为3.9 kg/m3，尾矿粒级分布如下：过筛率100%的粒级为300μm；P80的粒级为50μm；P50的粒级为28μm。

3.2 材料与强度试验

原充填试验共进行了两阶段材料和强度试验。

第一阶段，材料和强度试验共进行了6组，包括砂、普通水泥、高炉炉渣混合料（1%水泥+5%高炉炉渣）3种胶凝材料的不同组合；尾砂采用全尾。这一阶段试验结果表明，7 d后所有组的强度差距不大，但14 d、28 d后加炉渣混合料组强度比普通水泥组要高。加入砂可以提高充填体的强度，但对加入炉渣混合料组的效果甚微。

第二阶段，材料和强度试验共进行了16组，胶凝材料另外还增加了矿渣、火山灰、锦石水泥，尾砂类型增加了锌扫选尾砂。这一阶段试验结果表明：矿渣和火山灰不适合本项目充填，6%锦石水泥达到的强度与4%普通水泥达到的相差不多。尽管锌扫选尾矿强度比加炉渣后的全尾强度大些，但是该优势不能弥补其充填料浆输送困难及无法处理细粒级尾矿所带来的劣势，故仍推荐选择全尾与普通水泥组合的充填料配比模式。

3.3 坍落度试验

原尾砂坍落度试验结果见表1。

表1 坍落度试验结果

根据坍落度试验结果，本项目充填料浆可以制成浓度很高的膏体（固体质量分数可达79%），但如果膏体固体质量分数超过79%，膏体坍落度变化很大，因此本项目的充填浓度需要精准控制。

3.4 设备试验

原尾砂脱水可采用的脱水设备有深锥浓密机、真空圆盘过滤机。两种设备的脱水效果见表2、表3。

表2 深锥浓密机选型试验结果

表3 真空圆盘过滤机选型试验结果

根据上述试验结果可知，如果尾砂采用深锥脱水，在保证泥层高度为4～5 m的条件下，深锥底流固体质量分数可达76%～78%；如果采用真空圆盘过滤机进行脱水，所需过滤面积为114 m2，需要选择Φ3.81 m×6型真空圆盘过滤机，滤饼含水率在17%左右。

3.5 原膏体充填工艺方案确定

按照采矿工艺的要求，大部分采场所需充填体28 d龄期强度为1.0 MPa，原充填试验确定最终充填料浆质量分数为80.5%。经计算，固体质量分数为80.5%的膏体充填料在1∶8的灰砂配比下所对应的尾砂质量分数至少为80%。如本项目采用深锥浓密机浓密尾砂，则底流固体质量分数在76%～78%，不能满足充填料所需制备浓度，故尾砂浓密方案推荐采用圆盘过滤，即“高效浓密机浓密+真空圆盘过滤机过滤”二段脱水方案。

选厂尾砂首先经设置于选厂附近的高效浓密机浓密，浓密后泵送至充填站内的砂浆储存池。储存池设有搅拌设施，搅拌后的砂浆泵送至圆盘真空过滤机内。过滤后，所得滤饼经过滤机底部胶带机转运至双轴螺旋搅拌器内，同时按比例加入水泥和水搅拌。搅拌后的充填料经柱塞泵送至井下采空区。该项目共设置2台充填泵，1用1备。过滤机过滤后的滤液可作为搅拌补加水、充填管路冲洗水，剩余滤液泵送至废料回收池，再泵送至选厂。水泥经水泥罐车运至充填站水泥仓附近，利用气动输送至水泥仓内，经设置于水泥仓下部的螺旋输送机转运至计量给料机，计量给料机将水泥转运至双轴螺旋搅拌器处。该项目共设2套水泥计量给料装置。具体工艺流程见图1。

图1 原膏体充填工艺流程

4 选矿工艺调整后膏体充填工艺方案

4.1 选矿工艺调整背景

根据本项目最新选矿试验结果：当磨矿细度为P90=0.074 mm时，矿石中的方铅矿、闪锌矿和黄铁矿的单体解离度分别为52.47%、49.69%和74.54%，单体解离度均较差；当磨矿细度达到P98=0.074 mm时，方铅矿和闪锌矿的解离度分别提高到了63.99%和77.06%。因此，为了进一步提高金属的回收率，项目团队决定调整选矿工艺流程：原碎磨矿工艺流程为粗碎+半自磨+球磨，破碎产品粒度为P80=120 mm，磨矿产品粒度为P80=40μm。调整后，碎磨矿工艺流程不变，破碎产品粒度不变，磨矿产品粒度为P80=38μm。

选矿工艺流程的调整，直接引起了尾矿物理性质的变化，故项目团队又重新系统地进行了充填试验，同时为了兼顾后期产出硫精矿的可能性，对硫质量分数分别为30.7%、20.7%、5.7%的尾矿进行了相关的充填试验，并根据最新的试验结果对充填工艺进行了优化。

4.2 新尾砂粒级分布

根据3个尾砂样品(硫质量分数分别为30.7%、20.7%、5.7%)的粒级组成测试结果，新尾砂试样的-20μm（-625目）超细颗粒的质量分数均大于40%，-37μm（-400目）细颗粒的质量分数均大于65%，+74μm（+200目）颗粒的质量分数均小于11%，故属于极细粒级尾砂。从粒级分布角度分析，尾砂浆可能存在脱水困难、浓度难以提高的问题。

粒度分布曲线是以粒径大小为横坐标、各粒径累积分布率为纵坐标组成的点连接形成的平滑曲线，可以反映水动力条件下物料搬运特征。试验样品的粒度分布曲线如图2所示。

图2 不同含硫量尾砂样品粒度分布曲线

4.3 新尾砂充填料浆强度配比试验

充填料浆采用新尾砂制备，其中灰砂比为1∶8、1∶12、1∶24，质量分数分别为73%、75%，尾矿中硫质量分数分别为20.7%、24.7%、30.7%，共计18组，测试结果如下：

当灰砂比为1∶8、膏体固体质量分数为73%和75%时，3种不同含硫量的尾砂充填体强度均满足“28～150 d龄期强度不小于1.0 MPa”的设计要求；当灰砂比为1∶12、膏体固体质量分数为73%和75%时，3种不同含硫量的尾砂充填体强度均不满足“28～150 d龄期强度不小于1.0 MPa”的设计要求，但均满足“28 d龄期强度达到0.5 MPa”的设计要求。

4.4 新尾砂充填料浆流动性试验结果

在不添加外加剂的条件下，硫质量分数为30.7%的不脱硫尾矿，当底流固体质量分数为73%时，灰砂比为1∶8～1∶12的膏体屈服应力为86.16～103.86 Pa，满足膏体输送的基本要求，同样条件下，当底流固体质量分数增加到75%时，屈服应力大大增加，达到238.54～247.21 Pa，不满足膏体输送条件。

硫质量分数为20.7%的脱硫尾矿，当底流质量分数为73%时，灰砂比为1∶8～1∶12的膏体屈服应力为218.64～236.57 Pa，不满足膏体输送的基本要求；尾砂浓度提高后，屈服应力增大到444.71～458.63 Pa。因此，要想实现高浓度充填，需要探寻通过添加外加剂来减小膏体屈服应力的技术途径。

4.5 新尾砂絮凝沉降试验结果

项目团队同时委托了A、B、C三家浓密机制造商对尾砂沉降效果进一步试验，三家厂商的试验结果见表4。

表4 不同含硫量尾矿沉降试验结果%

4.6 选矿工艺调整后膏体充填工艺方案

原充填工艺尾矿脱水采用“高效浓密机浓密+真空圆盘过滤机过滤”二段脱水方案，原充填工艺对应的尾砂粒度大于目前选矿方案的尾砂粒度，根据最新的尾砂粒度曲线，国内圆盘过滤机生产厂家一致认为该种尾砂不适合采用圆盘过滤机过滤。根据新尾砂充填试验结果，在不添加外加剂的情况下，充填料浆最大可输送浓度（尾砂质量分数）为73%，按1∶8灰砂比反算浓密机底流固体质量分数需要保证在71%左右。目前，浓密机厂商A、B的浓密试验结果均可达到该值，因此新尾砂充填工艺中尾砂脱水方案推荐采用深锥浓密机一段脱水方案。

充填料浆采用全尾砂、胶结材料和水为原料进行制备。选厂产出的全尾砂浆泵送至充填站深锥浓密机，添加适当比例的絮凝剂，加速尾砂沉淀。当充填站需要制备料浆充填到井下采空区时，进入浓密机的尾砂经浓缩沉降后，由浓密机底部管路放砂，通过底流泵泵送至搅拌设备内；同时启动微粉秤将水泥送入搅拌机内搅拌，并按浓度要求添加定量的水，搅拌均匀后通过充填工业泵加压泵送，经进风平硐输送至井下采空区实施充填作业。本项目根据采矿工艺及充填工作制度，布置2套充填搅拌设施，1用1备。充填作业时，选厂尾砂泵送至充填站，当充填站设备保养或不需尾砂时，选厂浓密后尾砂仍泵送至尾矿库。充填工艺流程如图3所示。

图3 选矿工艺调整后膏体充填工艺流程

5 结论

综上所述，可以得到如下结论：1）全尾膏体充填工艺方案的选择主要基于充填材料的性质，包括强度、配比、流变性、泌水率、浓缩试验等，同时也要考虑到方案的经济性、场地配置要求、材料运输条件；2）不同的充填材料对应的最优充填工艺方案可能不同，甚至同一种充填材料由于材料参数的改变所对应的最优充填工艺方案也可能不同；3）不要片面认为充填制备站基建工程量大、设备投资高就不是优的方案，应根据矿山服务年限及采矿工艺对充填方案进行综合技术经济分析。