高浓度结构流全尾砂胶结充填实验研究与应用

2024年3月14日发(作者：吃粮不管事)

矿　业　工　程　

２０　

Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

第９卷第６期　

２０１１年１２月　

高浓度结构流全尾砂胶结　

充填实验研究与应用　

朱国涛　

（五矿邯邢矿业安徽开发矿业有限公司，安徽霍邱２３７４６４）　

摘要：针对吴集铁矿矿床被约１４０　ｍ厚第四系岩石覆盖，采矿过程中地表不允许塌落，合理选择了阶　

段空场嗣后充填法采矿，开展了低品位铁矿高浓度全尾砂结构流胶结充填实验研究并成功应用，取得良好　

的经济和社会效益。　

关键词：结构流全尾砂胶结充填；充填体；强度；效益　

中圈分类号：ＴＤ　８２３．７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—８５５０（２０１１）０６—００２０—０３　

一

２００　ｍ以上矿段。初步设计生产能力为９９万ｔ／ａ，根据矿　

１　概述　

吴集铁矿（北段）位于霍邱矿区南部，霍邱铁矿区分　

布南北长约４０　ｋｍ，东西宽３～８　ｋｍ的范围内，截止２００２　

年全区铁矿石探明储量累计１７．２亿ｔ，远景储量为３Ｏ亿ｔ。　

体赋存条件、开采技术经济条件，岩石力学研究和采矿方　

法论证，确定采用多步骤分段矿房采矿高阶段充填采矿法　

和浅孔留矿采矿阶段为辅，当矿体厚＞１２　ＩＴＩ时，采用多步　

骤分段矿房采矿高阶段嗣后充填采矿法回采，隔一采一，　

嗣后充填；当矿体厚＜１２　ｍ或矿体间夹石需剔除，以及分　

支、零星矿体采用浅孑Ｌ留矿采矿阶段嗣后充填法回采。　

该矿石组分简单，矿石矿物主要为磁铁矿，脉石矿物　

主要石英，低品位但可选性较好，Ｓ、Ｐ等杂质含量低，最　

吴集铁矿（北段）属于隐伏型大型变质沉积铁矿床，探明　

资源储量为１０　５３２．７８万ｔ，平均地质品位ＴＦｅ２９．２０　。矿　

床走向长３．２　ｋｍ，宽３００～１５０　ｍ，共有８个矿体，Ｉ　２号　

矿体为主矿体，占全矿床储量的９Ｏ．Ｏ７　。赋存标高一３３　

～一

６６３　ｍ以下，平均斜深３９４　ｍ，平均厚２２．２３　ｒｆｌ，倾角　

终工业产品为单一优质铁精粉，铁精矿含铁６６．５　。选矿　

工艺为三段一闭路流程，综合选比３．７。若选矿能力按处　

理１００万ｔ／ａ规模计算，则干抛尾矿比率为１５　，干抛尾　

矿量约１５万ｔ，人磨矿石量８５万ｔ，精矿年产量２８万ｔ，　

尾砂量５７万ｔ。　

５０。～７Ｏ。，走向自南向北由３３５。转至１８。，总体向西倾斜。　

矿石类型为沉积变质磁铁矿，矿石抗压强度为　

１４０　ＭＰａ，，＝１２～１６，稳固；围岩抗压强度９６　ＭＰａ，顶板　

围岩为黑云母斜长片麻岩、含铁角闪斜长片麻岩等，，一８　

～

１２，稳固；底板围岩为黑云母斜长片麻岩、混合花岗岩、　

根据所选的采矿方法，必须实现胶结充填。该方案决　

定了料浆的制备和输送方式选择。最适宜、最经济的充填　

黑云母变粒岩、黑云母角闪片岩，，一８～１２，稳固。顶底　

板富水程度较弱，水文地质条件中等。　

该矿床属隐伏型裂隙充水矿床，矿体位于当地侵蚀基　

准面与地下水位以下，矿区均被第四系所覆盖，厚５７．５～　

１６６　ｍ，岩性多为粘土、亚粘土和砂层等，水系尚发育，有　

多层流沙层，工程地质条件差。矿区地表多为优质良田、　

沟塘、水渠和自然村庄等地表设施，因此采矿过程中地表　

物料是井下掘进的废石和选矿厂尾砂，基于公司的内外因　

素考虑，废石加工破碎后可以作为建筑和筑路等材料，因　

此，尾砂是最合适的胶结充填物料，也是未来充填采矿发　

展的方向。公司委托相关科研单位对充填技术系统方案进　

行研究，认为该方案切实可行，既能为充填系统建设方案　

提供基础资料，又能验证了料浆的制备和输送的相关影响　

因素，因此，着重开展对充填物料工业实验的研究，具有　

重要的现实意义。　

不允许移动和塌落；矿体上部为破碎强风化带，必须给予　

保护，为了避免第四系含水层与井下发生水力联系，将矿　

体上部与破碎风化带接触带预留２０　ｉＴＩ水平厚的连续护顶　

柱，保护破碎风化带不受破坏。　

一

２　实验方法　

２．１　全尾砂基本物化性能参数测定　

期工程采用竖井开拓方式，中央主、副井，两翼为　

风井，对角两翼抽出式通风，开采范围为１６～３２线之间　

全尾砂的密度、容重、孑Ｌ隙率、化学成分及粒级组成　

进行了测定，见表１～３。　

收稿日期：２０１１一Ｏ６—１７　

作者简介：朱国涛（１９８２一），男（汉族），安徽霍邱人，安徽开发　

矿业有限公司助理工程师，主要从事采矿技术工作。　

分布粒径如下：ｄ１ｏ一５．７１　ｍ、ｄ５０＝４６．８２　ｍ、ｄ９ｏ一　

１２５．８７　ｍ、ｄ　ｊ句一５９．６８肚ｍ。　

实验数据分析见表１～３，尾砂的物化性质对流体的流　

２０１１年第６期　朱国涛　高浓度结构流全尾砂胶结充填实验研究与应用　２１　

变类型、水力学的性能、充填体的力学性质影响较大。全尾　

砂比重及松散容重较小，其化学成分中Ｓｉ（）２含量较大，有利　

于快尾砂自然沉降速度，而ＣａＯ及ＭｇＯ含量相对较低。　

表１全尾砂密度、容重、孔隙率　

表２全尾砂化学成分测定结果　

粒径　ｍ　分计（　）　累计（　）　

同时全尾砂粒级较粗，一５及一１０／ｚｍ所占比例分别为　

９．１　、１４．６５　，一２０　９ｍ所占比例为　２４．３ｌ　，　

一

０．０７４　ｍｍ占７Ｏ．１８　。用粒级组成不均匀系数　—ｄ。。／　

ｄ　。和口一ｄ　。／ｄ　。反映充填材料粒级分布状况，计算可得ａ一　

８．２～２２．Ｏ＞５，反映充填材料粒级分布比较不均，充填体　

强度较高，密实程度较强。　

料浆在管道输送中若是呈柱塞流或“结构流”并在低流　

速（１～２　ｍ／ｓ）甚至停止流动的条件下，必须不能沉淀、离　

析及堵管等现象，标准是充填物料中的一２０　ｍ粗颗粒含量　

不低于ｌ５　。－－２０　阻颗粒含量大可使料浆保水性强，可　

使料浆在低速流动堵管可能性小，也不易于离析分层等现　

象。该矿全尾砂中一２０／ｚｍ粗颗粒含量为２４．３ｌ　，达到高　

浓度结构流全尾砂充填对粒级要求。目前对一１５０　ｍ中段Ｃ２　

充填实验采场应用验证了充填料浆浓度在６９％～７１　，料　

浆整体均匀稳定，无论管道输送还是充入采场，流动性较　

好，实现了重力自流输送，均未产生离析分层及堵塞管道现　

象。通过采场充填体钻孔取样和强度测定，整体性良好，均　

匀稳定并达到设计要求，部分指标超出设计要求。　

２．２全尾砂沉降性能测定　

起始浓度为４Ｏ％的全尾砂浆进行自然沉降，其结果见图１　

所示。　

７０　

６０　

５０　

龚４０　

时间／ｈ　

图１　料浆自然沉降的时间关系　

实验数据分析，全尾砂２４小时最大沉降浓度为　

６６．３６％～６７．２３％，平均为６６．８Ｏ　。１小时沉降浓度约达　

６５　，６小时沉降浓度接近最大值，以后沉降浓度基本不　

变。该矿沉降特性直接成功应用，将选厂的８　浓度尾砂　

直接用泵送到立式砂仓自然沉降，阶梯式排水设施排水，　

压气造浆，较短时间内能在砂仓内制成全尾砂浓度约７Ｏ　

料浆且稳定均匀。　

２．３全尾砂充填料浆坍落度测定　

坍落度作为浆体流动性指标，辅助观察浆体的粘聚性　

和保水性等现象。把不同浓度的全尾砂坍落度性能进行测　

定，结果见图２。　

暑　

魁　

密　

料浆重量浓度（％）　

图２料浆浓度对坍落度的影响　

由图２可知，当充填料浆浓度增加，坍落度逐渐减少，　

当超过７４　时，其坍落度（２２　ｃｍ，料浆流动性明显降低，　

无法实现自流输送。而料浆浓度为７Ｏ　～７２　时，坍落度　

为２８～２６．５　ｃｍ，料浆流动性强、不离析、不分层和不脱　

水等现象。　

２．４配比强度试验（表４）　

实验数据分析：１）充填料浆浓度对充填指标的影响。　

灰砂比１：８时，随着料浆浓度从６７　升至７３　，３天的试　

块强度从０．２５　ＭＰａ升高至０．４　ＭＰａ，７天的试块强度从　

０．４３　ＭＰａ升高至０．６４　ＭＰａ，２８天的试块强度从０．７６　ＭＰａ　

升高至１．１６　ＭＰａ；灰砂比１：６时，随着料浆浓度从６７％　

升至７３　，３天的试块强度从０．４　ＭＰａ升高至０．６１　ＭＰａ，７　

天的试块强度从０．５８　ＭＰａ升高至０．８７　ＭＰａ，２８天的试块　

强度从１．３４　ＭＰａ升高至１．７６　ＭＰａ；灰砂比１：４时，随着　

料浆浓度从６７％升至７３　，３天的试块强度从０．４６　ＭＰａ升　

高至０．９５　ＭＰａ，７天的试块强度从０．９４　ＭＰａ升高至　

１．６２　ＭＰａ，２８天的试块强度从１．８８　ＭＰａ升高至３．０３　ＭＰａ。　

随着充填料浆浓度提高，试块强度提高幅度较快。当浓度　

从６７％提高至７３　时，各组试块强度提高幅度为６Ｏ　～　

１０６％，其中３天强度提高幅度最大，因此，提高全尾砂浓　

度有利于加快充填料浆凝结硬化速度，加快充填作业循环；　

２）水泥添加量对充填强度的影响。灰砂比１：８时，浓度　

为７Ｏ　时，试块３、７和２８天的强度分别为０．３１、０．５２和　

０．９４　ＭＰａ；灰砂比１：６时，浓度为７０　时，试块３、７和　

２８天的强度分别为０．４８、０．６４和１．３４　ＭＰａ；灰砂比１：４　

时，浓度为７Ｏ　时，试块３、７和２８天的强度分别为　

０．６８、１．２４和２．４７　ＭＰａ。随着水泥添加量增加，充填体强　

度急剧上升。　

２２　矿　业　工　程　第９卷第６期　

全尾砂料浆浓度和灰砂配比升高，能加大充填体的内　

聚力和内摩擦角，弹性模量随之提高，强度增强。但随着　

充填料浆充人采场，凝结硬化正常，１　ｄ即可行人，提高充　

填作业率。对充填体取样并进行抗压强度测试，不同灰砂　

比充填体强度均达到设计要求。基本上满足了多步骤分段　

料浆浓度升高而流动性下降，若要实现尾砂高浓度结构流　

全尾砂料浆自流输送，必控制料浆的浓度；随着灰砂配比　

的升高，其充填成本相对增加，必控制合理的灰砂配比。　

矿房采矿法高阶段嗣后充填工艺要求，同时降低了损失贫　

化，提高金属回收率。　

参照同类矿山灰砂配比参数选择和该矿对充填技术研究成　

果，试块强度比同等条件下其他矿山灰砂配比强度要高，　

采场底部和顶板充填体要高强度，灰砂比为１：４，采场中　

间强度可以低些，采场不同区域高度充填体的强度要求不　

４结语　

吴集铁矿（北段）低品位铁矿高浓度结构流全尾砂胶　

结充填工业实验研究和结果，在该矿成功的应用，保证了　

生产采矿安全高效，降低采空区的地压活动，维持围岩稳　

同，其灰砂配比也不同，运行采用灰砂比１：４～１：１２之　

间可调满足工艺需求。　

定性，有效控制地表移动和沉陷，多回收矿石２　０００万ｔ，　

实现经济增效，扩大低品位黑色铁矿的微利的空问；同时　

降低尾矿排污费，减少尾矿库的占地、筑坝等费用，减少　

尾砂对环境的污染，在霍邱铁矿区具有示范和推广作用。　

矿山“无废开采”、“零排放”、“绿色”环保的理念将成为　

现代主流采矿方法。　

参考文献：　

Ｅｌｉ长沙设计院．吴集铁矿全尾砂结构流体胶结充填系统建设初　

步设计说明书ＪＲ３．２００７（ＩＺ）．　

［２］解世俊．金属矿山地下开采［Ｍ］．北京：冶金出版社（第二　

版）．１９８６（Ｏ４）．　

３工业试验结果　

工业试验研究的结果，该矿能够实现尾砂高浓度结构　

流全尾砂自流输送，充填料浆浓度控制在６６％～７２　之间，　

即充填倍线６～８以上，浓度为６６　～６８　；充填倍线５以　

下，浓度６９％～７２　。充填料浆制备输送能力控制在６Ｏ～　

１００　ｍ。／ｈ，可以满足矿山一期工程采充平衡，水泥添加量　

为０．０８～Ｏ．２５　ｔ／ｔ一　，充填综合水泥消耗为１９６　ｋｇ／ｍ。，充　

填运营成本合理，即７８元／ｍ　，按单位矿石成本为２３．６元　

／ｔ。针对该尾砂沉降特性，将选厂的８　浓度尾砂直接输送　

充填站立式沙仓直接沉降，并制造稳定的高浓度全尾砂膏　

［３］王喜兵等．新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用　

［Ｊ］．《采矿技术》，２０１０（３）．　

［４３姜峰．草楼铁矿全尾砂充填方案论证ＥＪ］．《矿业工程》，　

２００８（２）．　

体料浆，提高了充填体质量，降低采场脱水、排污等费用。　

充填系统工艺大幅简化，减少机械浓密脱水设备投入，缩　

［５］张德明等．新编矿山采矿设计手册．矿山开采卷（第二册）　

ＥＭ］　中国矿业大学出版社，２００６（４）．　

短建设周期，降低脱水能耗，降低前期投入和运营等费用。　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ－－ｄｅｎｓｉｔｙ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　

ＺＨＵ　Ｇｕｏ－ｔａｏ　

（Ｈａｎｄａｎ－－Ｘｉｎｇｔａｉ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ａｎｈｕｉ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｈｕｏｑｉｕ　２３７４６４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｕｊｉ　Ｉｒｏｎ　Ｏｒｅ　ｍｉｎｅ　ｉｓ　ｃｏｖｅｒｅｄ　ｆｕｌｌｙ　ｂｙ　ｒｏｃｋｓ　ｏｆ　ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅａｒｔｈ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　

ｍｉｎｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｐｅｒｍｉｔｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｔｏｗｉｎｇ（ｆｉｌｌｉｎｇ）ａｆｔｅｒ　ｏｐｅｎ　ｓｔｏｐｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ａｓ　

ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ　ｆｉ１ｌ　ｍａｔｅｒｉａ１．ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｄｅｎｓｉｔｙ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｆｒｏｍ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｇｒａｄｅ　ｉｒｏｎ　ｏｒｅ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｗｉｔｈ　

ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｇｏｏｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｆｕｌｌｙ　ｂｙ　ｔａｉｌｉｎｇｓ；ｆ｜ｌｌ　ｂｏｄｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｂｅｎｅｆｉｔ