段進(jìn)超

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

1 概 述

某地下礦山采用充填采礦法進(jìn)行開采，充填方式為廢石+尾砂膠結(jié)充填。充填材料主要包括充填骨料及膠凝材料。充填骨料來自選礦廠的尾砂及井下的掘進(jìn)廢石；膠凝材料使用普通水泥(硅酸鹽水泥、含礦渣復(fù)合硅酸鹽水泥)。每年工作300 d，每天3班，每班8 h。純充填時(shí)間為年充填200 d，每天充填2班，每班充填6 h。

礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力一期為4000 t/d，礦石平均體重3.51 t/m3，采充比為1∶1，礦山總充填量為341880 m3/a，其中掘進(jìn)廢石可代替尾砂充填體積59220 m3/a，剩余需要尾砂充填的空區(qū)體積為282660 m3/a。平均日充填空區(qū)體積942.2 m3/d。

考慮地面流失系數(shù)3%、井下流失系數(shù)3%，計(jì)算的平均日需要制備砂漿量為1559 m3/d，年制備砂漿量467700 m3/a，按年純充填200 d計(jì)算，尾砂充填系統(tǒng)的充填能力為2338.5 m3/d，小時(shí)充填能力(砂漿)195 m3/h。

尾砂膠結(jié)充填(質(zhì)量濃度70%)各材料用量為：水540 kg/m3(包括固體物料中的少量水)、水泥106.6 kg/m3、尾砂1153.4 kg/m3。

日平均充填材料用量(300 d)：水泥166.19 t/d、尾砂1798.15 t/d、水841.84 t/d。老選廠和新建鎢鉬選廠可以用于充填的尾砂產(chǎn)量約為2555 t/d，滿足充填系統(tǒng)對(duì)尾礦的需要量。

日最大充填材料用量(200 d)：水泥249.3 t/d、尾砂2697.2 t/d、水1392.8 t/d(含洗管用水量)。

2 濃密方式選擇

根據(jù)充填所用尾砂濃密系統(tǒng)的不同，可以分為立式砂倉(cāng)方案和深錐濃密機(jī)方案，具體方案如下：

方案一：全尾砂立式砂倉(cāng)方案。該方案采用全尾砂充填，尾砂濃縮采用立式砂倉(cāng)，根據(jù)充填能力的要求，本項(xiàng)目需設(shè)置兩個(gè)立式砂倉(cāng)，每個(gè)砂倉(cāng)容積1440 m3。倉(cāng)身為Φ10 m的圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，倉(cāng)底為圓錐形鋼結(jié)構(gòu)，倉(cāng)頂離地高35 m，倉(cāng)底離地高6.3 m；倉(cāng)底裝有高壓噴嘴，采用氣水聯(lián)動(dòng)放砂；倉(cāng)頂不設(shè)旋流分級(jí)器，設(shè)溢流環(huán)槽和溢流管，砂倉(cāng)內(nèi)部設(shè)檢修爬梯，外部設(shè)梯子間至倉(cāng)頂。

方案二：深錐濃密機(jī)方案。該方案尾砂濃縮采用深錐濃密機(jī)，根據(jù)廠家配置，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選擇Φ18 m的深錐濃密機(jī)。濃密機(jī)底流錐礦漿出口設(shè)3個(gè)，兩個(gè)出口互為備用，底流經(jīng)循環(huán)泵有序控制閥門開閉進(jìn)行循環(huán)或排入尾礦庫(kù)或自流進(jìn)入充填管路，另外一個(gè)出口作為事故礦漿排放口，另外需要設(shè)置一個(gè)檢修口。深錐膏體濃密機(jī)工作原理為低濃度尾礦漿在機(jī)體上部中心進(jìn)料筒中與絮凝劑溶液混合后，尾砂顆粒形成較大尺寸絮凝團(tuán)。絮凝團(tuán)沉降至深錐底部，并在重力及耙架攪拌作用下脫水壓密，形成高濃度的底流，傳統(tǒng)的立式砂倉(cāng)沒有動(dòng)力裝置，尾礦在重力作用下沉降。深錐膏體濃密機(jī)擁有導(dǎo)水耙架動(dòng)力裝置，在深錐內(nèi)做緩慢的旋轉(zhuǎn)攪拌，尾礦不僅做沉降運(yùn)動(dòng)，而且做圓周運(yùn)動(dòng)。

立式砂倉(cāng)方案和深錐濃密機(jī)方案投資比較見表1。根據(jù)2種方案的工藝，全尾砂立式砂倉(cāng)方案屬于傳統(tǒng)技術(shù)工藝，技術(shù)成熟可靠，投資低，具有儲(chǔ)砂功能，特別對(duì)于充填不連續(xù)時(shí)優(yōu)勢(shì)突出。深錐濃密機(jī)方案放砂濃度大，尾砂不用分級(jí)，可以用全尾砂充填采空區(qū)；但其投資稍高，且不具有儲(chǔ)砂功能。

通過上述綜合比較，考慮到投資因素，本項(xiàng)目推薦采用全尾砂立式砂倉(cāng)方案。

表1 2種方案投資比較

3 充填料制備

全尾砂充填站內(nèi)設(shè)水泥倉(cāng)兩個(gè)，每個(gè)水泥倉(cāng)有效貯存量500 m3。倉(cāng)身為Φ7 m圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，倉(cāng)底為圓錐形鋼結(jié)構(gòu)，錐形部分凈高6.1 m，錐底離地高8.6 m。水泥倉(cāng)離地30 m平臺(tái)裝有袋式除塵器1套，功率5 kW。倉(cāng)頂離地高35 m。在每個(gè)水泥倉(cāng)倉(cāng)底+7.0 m平臺(tái)采用1臺(tái)Φ450-5000單管螺旋輸送機(jī)(共2臺(tái))向攪拌槽給料，每臺(tái)螺旋輸送機(jī)配套電機(jī)功率8.3 kW，要求變頻調(diào)速。充填站內(nèi)設(shè)ZW-905W移動(dòng)式無油空壓機(jī)1臺(tái)，16 m3/min，電機(jī)功率90 kW，作為水泥倉(cāng)吹灰管動(dòng)力源。水泥倉(cāng)內(nèi)部設(shè)檢修爬梯，外部設(shè)梯子間至25.3 m除塵器安裝平臺(tái)。

攪拌槽安裝攪拌樓內(nèi)，攪拌樓尺寸為20 m(長(zhǎng))×12 m(寬)×9.5 m(高：起重梁軌底)。內(nèi)設(shè)Φ2500×2800型高濃度攪拌槽2臺(tái)，每臺(tái)功率55 kW；攪拌樓內(nèi)設(shè)5 t電動(dòng)葫蘆兩臺(tái)，功率總計(jì)8.3 kW；攪拌樓內(nèi)設(shè)袋式除塵器1套，功率5 kW。充填站造漿用水量80 m3/h，壓力0.8 MPa；水質(zhì)要求固體懸浮物≤150 mg/L，pH值6.5～8.5。

砂倉(cāng)放砂管和攪拌槽出料管設(shè)有流量計(jì)和濃度計(jì)；對(duì)砂倉(cāng)放砂管、攪拌槽出料管通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量和濃度進(jìn)行控制；砂倉(cāng)、膠固料倉(cāng)和攪拌槽設(shè)有料位計(jì)；供水管通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量進(jìn)行控制。

4 充填管道計(jì)算及選擇

4.1 主充填管道

4.1.1 充填管道直徑根據(jù)充填系統(tǒng)小時(shí)充填能力，若選用一套充填管道，管道直徑過大，不方便井下充填，因此考慮兩套獨(dú)立的管道進(jìn)行井下充填工作，根據(jù)單套充填系統(tǒng)充填能力要求和充填料漿工作流速(充填料漿工作流速取v=3.0 m/s)，充填管道內(nèi)徑DI應(yīng)不小于107 mm。

式中,Qh為單套充填系統(tǒng)小時(shí)充填能力，為97.5 m3/h；v為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流速，v=10800 m/h。

4.1.2 充填管道壁厚

充填管道壁厚δ按下式計(jì)算∶

式中，P為管道所受最大壓強(qiáng)，自地表(標(biāo)高+341 m)至-176 m水平垂直高度約517 m(-176 m標(biāo)高以下后期考慮設(shè)置充填減壓站)，料漿體重取1.85 t/m3，管道所受最大壓強(qiáng)約為9.56 MPa；[σ]為鋼材抗拉許用應(yīng)力，焊接鋼管取80 MPa；K為磨損腐蝕量，取2.5 mm。

計(jì)算后得δ=8.89 mm，考慮充填料漿通過四號(hào)斜井向井下輸送，輸送管道選用普通無縫鋼管。

4.1.3 充填管道型號(hào)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，輸送普通無縫鋼管選用規(guī)格為Φ133 mm×12 mm，外徑133 mm，鋼管壁厚12 mm，實(shí)際管道有效內(nèi)徑DI=109 mm。

4.2 其他充填管道

中段充填管道采用規(guī)格為Φ133 mm×12 mm的普通無縫鋼管。采場(chǎng)充填軟管采用有加強(qiáng)鋼絲的Φ108×10PVC塑料軟管。

5 充填倍線校核

充填倍線按充填站選定位置和標(biāo)高并按開拓系統(tǒng)服務(wù)中段進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，200 m中段實(shí)際最大充填倍線為7.12，最小為2.97；-136 m中段實(shí)際最大充填倍線為2.90，最小為1.78；-400 m中段實(shí)際最大充填倍線為2.24，最小為1.50。當(dāng)充填輸送重量濃度在70%左右時(shí)，經(jīng)各中段充填倍線的計(jì)算驗(yàn)證，按水力計(jì)算的充填倍線為1.50～7.12，大部分充填范圍屬于充填砂漿自流可靠的范疇，部分較遠(yuǎn)區(qū)域可采用充填增壓泵滿足充填需要。

6 結(jié) 語

(1) 該礦充填系統(tǒng)濃密方式選擇立式砂倉(cāng)濃密方案；充填制備站設(shè)置2套充填制備系統(tǒng)，包括2個(gè)立式砂倉(cāng)，2個(gè)水泥倉(cāng)，2臺(tái)攪拌槽；

(2) 推薦輸送和中段充填管道選用規(guī)格為Φ133 mm×12 mm的普通無縫鋼管，外徑133 mm，鋼管壁厚12 mm，實(shí)際管道有效內(nèi)徑DI=109 mm。采場(chǎng)充填軟管采用有加強(qiáng)鋼絲的Φ108×10PVC塑料軟管；

(3) 經(jīng)過計(jì)算大部分充填范圍屬于充填砂漿自流可靠的范疇，部分較遠(yuǎn)區(qū)域可采用充填增壓泵滿足充填需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉可任.充填理論基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985 (10):95-102.

[2]傅長(zhǎng)懷.充填理論基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,1994(2):50-55.

[3]楊清平,冷復(fù)生.膠結(jié)充填工藝技術(shù)在銅綠山礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2001,1(3):17-19.

[4]方志甫.安慶銅礦井下充填管網(wǎng)優(yōu)化的研究[J].有色金屬：礦山部分,2007,59(2)：5-9.

[5]采礦手冊(cè)編委會(huì).采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987.

[6]張欽禮,鄭晶晶,王新民,等.充填管道磨損形式及機(jī)理分析研究[J].金屬礦山,2009(5):115-118.

[7]段進(jìn)超.某礦全尾礦膠結(jié)充填材料和充填工藝選擇[J].采礦技術(shù),2013,13(1):12-13.

[8]段進(jìn)超.某地下礦充填管道選型設(shè)計(jì)及充填能力校核[J].有色金屬(礦山部分),2013(7):85-86.