黃建君，陳愛(ài)明，梁仕義

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

云南某銅礦，位于滇東北，金沙江流域，地形條件復(fù)雜，溝谷縱橫。礦區(qū)控制礦體多位于地下水位以上，水文地質(zhì)勘查類型屬以巖溶裂隙含水層充水為主的中等類型；工程地質(zhì)勘查類型屬以半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬層狀白云巖-板巖為主的中等類型；區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，地震頻繁，存在泥石流災(zāi)害。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的開(kāi)采，井下已形成大量采空區(qū)，近地表部分形成了塌陷，環(huán)境地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

截止2019年中，礦區(qū)內(nèi)保有銅礦石量4 118.20 萬(wàn)t，含銅金屬量44.57 萬(wàn)t，平均品位1.08 %。礦體多為單層產(chǎn)出，部分地段為多層，薄至中厚，傾角50°～70°。根據(jù)礦區(qū)整體規(guī)劃，設(shè)計(jì)2期產(chǎn)能118 萬(wàn)t/a，采用罐籠豎井+平硐+輔助斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓，采礦方法采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦為主的中深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê蜏\孔留礦嗣后充填法，雙區(qū)段搭配生產(chǎn)，服務(wù)年限22 a。

此外，考慮到礦山已有1#尾礦庫(kù)剩余庫(kù)容不足150 萬(wàn)m3，且無(wú)持續(xù)增容條件，礦區(qū)附近無(wú)新建尾礦庫(kù)條件。要實(shí)現(xiàn)以充保采，須最大限度利用尾礦充填持續(xù)生產(chǎn)空區(qū)和治理前期開(kāi)采遺留的老采空區(qū)，達(dá)到礦區(qū)持續(xù)開(kāi)采的安全、環(huán)保和綠色發(fā)展。

1 采礦方法及充填強(qiáng)度

根據(jù)采礦方法采用以無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦為主的中深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê蜏\孔留礦嗣后充填法，見(jiàn)圖1。同時(shí)結(jié)合礦石價(jià)值、井下開(kāi)采順序、系統(tǒng)安全、地表保護(hù)、空區(qū)治理、廢石及尾砂處置等方面，充填采用廢石充填為輔，全尾砂充填為主。

根據(jù)充填實(shí)驗(yàn)研究成果和類似礦山經(jīng)驗(yàn)，該次采場(chǎng)空區(qū)高度約50～60 m，為保證采場(chǎng)充填安全和改善底部擋墻受力，設(shè)計(jì)推薦采場(chǎng)底部高度4～7 m采用膠結(jié)充填體，灰砂比1：5～1：8，強(qiáng)度R7≥1.5 Mpa；空區(qū)中部充填，考慮到加快尾砂脫水和采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性，推薦灰砂比1：25～1：30，強(qiáng)度R28≥0.1～0.3 Mpa；空區(qū)頂部考慮滿足2 m3鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行出礦作業(yè)，推薦采用膠結(jié)充填，灰砂比1：5～1：6，強(qiáng)度R7≥1.5～2 Mpa。

圖1 階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?/p>

2 選廠尾砂性質(zhì)

礦山已建設(shè)有4 500 t/d銅選廠，滿足2期生產(chǎn)選礦需求，標(biāo)高930 m，選廠采用三段一閉路破碎、兩段閉路磨礦、兩粗一掃三精浮選和二段脫水選礦工藝，尾礦產(chǎn)率約92 %。根據(jù)測(cè)定，尾礦密度2.64 t/m3，加權(quán)平均粒徑54.3 μm，pH值9.72。全尾礦粒度組成，見(jiàn)表1，粒度分布曲線，見(jiàn)圖2。

對(duì)充填水質(zhì)分析，全尾砂的pH值為9.72，不同濃度、不同水泥添加量情況的pH值范圍在11～12.21之間。試樣配比值根據(jù)GB/T 15555.12—1995中的腐蝕性鑒別標(biāo)準(zhǔn)(按照GB/T 15555.12—1995制備的浸出液，pH值≥12.5，或者≤2.0)，可判定制備的試樣均不屬于危險(xiǎn)廢物，滿足充填要求。

表1 全尾礦粒度組成Tab.1 Particle size composition of the unclassified tailings

圖2 全尾砂粒度分布曲線圖Fig.2 Curve of particle size distribution of the tailings

3 充填物料平衡

二期設(shè)計(jì)規(guī)模118 萬(wàn)t/a，年產(chǎn)尾礦109.15 萬(wàn)t，按年全部利用尾礦充填持續(xù)生產(chǎn)空區(qū)和治理老空區(qū)，設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)能力。其中，持續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生采空區(qū)約37.46 萬(wàn)m3，考慮采充系數(shù)、累計(jì)沉縮、脈外充填等，利用充填系統(tǒng)年充填料漿量約46.2 萬(wàn)m3；此外，剩余尾砂充填已有老采空區(qū)，年充填采空區(qū)38.69 萬(wàn)m3，系統(tǒng)年充填料漿量約46.34 萬(wàn)m3。經(jīng)平衡計(jì)算，達(dá)產(chǎn)年平均年產(chǎn)尾礦109.15 萬(wàn)t，年消耗42.5#水泥4.68 萬(wàn)t。按年330 d、18 h/d，計(jì)算充填能力為140～160 m3/h。

4 充填工藝流程

采用全尾砂+水泥膏體泵送充填，工藝流程為二選廠全尾砂—深錐濃密機(jī)濃密—立式攪拌槽攪拌—柱塞式充填泵泵送下井輸送，工藝流程見(jiàn)圖3。按物料平衡計(jì)算，系統(tǒng)設(shè)計(jì)充填能力為140～160 m3/h，由2套系統(tǒng)組成，1用1備。

鑒于二選廠與充填站高差約1 398 m、線路長(zhǎng)9.8 km，設(shè)計(jì)在二選廠新建尾礦廠前濃密設(shè)施，尾礦濃密后底流濃度50 %，經(jīng)隔膜泵站加壓輸送至充填制備站，添加深錐濃密機(jī)溢流回水稀釋后，濃度約30 %進(jìn)入深錐濃密機(jī)，濃密后底流放砂濃度控制在68 %～70 %，添加水泥1：5～1：30，經(jīng)立式攪拌桶攪拌均勻后，質(zhì)量濃度約68 %～71 %，由柱塞式充填泵送至井下充填。

圖3 充填工藝流程圖Fig.3 Flowsheet of the filling process

充填料漿下放前和結(jié)束后，由水泵泵送清水進(jìn)行洗管，濃度較高時(shí)采用水泵泵送清水進(jìn)行調(diào)節(jié)；深錐濃密機(jī)每天入料工作24 h，緩存過(guò)程中，底流濃度高時(shí)，底部循環(huán)泵啟動(dòng)循環(huán)。

5 主要設(shè)施選型及配置

新建的充填制備站選址于2 350 m硐口位置，站內(nèi)主要設(shè)施包括深錐濃密機(jī)、成品水泥倉(cāng)、攪拌站及事故池等，見(jiàn)表2。

表2 充填制備二站主要設(shè)施選型及規(guī)格表Tab.2 Main selected facilities and the specifications for 2nd filling preparation station

5.1 充填泵選型

經(jīng)井下充填管線統(tǒng)計(jì)計(jì)算，充填泵服務(wù)的最不利作業(yè)點(diǎn)在2 350 m中段90#線位置，充填管線基本處于平坡布置，管線長(zhǎng)度5.7 km，按試驗(yàn)推薦1：4灰砂比、1.8 m/s流速時(shí)的沿程摩阻1.39 Mpa/km，在考慮1.2倍安全系數(shù)下，最大泵送阻力約11.75 Mpa，因此選擇充填泵額定壓力15 Mpa，充填流量140～160 m3/h。

5.2 濃密機(jī)選型

根據(jù)尾砂濃度15 %～40 %的靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)，確定20%濃度為最佳入料濃度，絮凝劑單耗為20～25 g/t，建議稀釋濃度0.3 %。深錐底流尾砂放漿濃度控制為68 %～72 %，動(dòng)態(tài)沉降固體通量隨絮凝劑品種和用量不同可控制在0.26～0.75 t/m2·h。能力按處理二選廠全部尾礦考慮，為140～160 t/h，并具備一定儲(chǔ)存能力，選擇推薦φ20 m膏體深錐濃密機(jī)。

5.3 水泥倉(cāng)

膠凝材料為42.5#硅酸鹽水泥，日均消耗約140 t/d，按3 d用量考慮水泥倉(cāng)容積，配置2套200 m3成品水泥倉(cāng)。

5.4 井下輸送管線

經(jīng)統(tǒng)計(jì)各礦段各水平充填管線參數(shù)見(jiàn)表3，其最大阻力12 MPa。

井下充填管線根據(jù)流量、流速和壓力等綜合考慮，主管選用材質(zhì)16 Mn φ194×10和φ194×8無(wú)縫鋼管，采場(chǎng)選用DN150PVC鋼絲螺旋增強(qiáng)軟管。

5.5 供水、排水、排泥

充填站供水由附近2 400標(biāo)高新建生產(chǎn)、消防水池供給，站內(nèi)清潔和管道沖洗水減壓到水壓0.3～0.5 Mpa。

充填制備站清潔泥水及事故排放進(jìn)入事故池經(jīng)泵送返回至濃密機(jī)，濃密機(jī)溢流水泵送至選廠回用。

尾砂漿充填到井下空區(qū)后，多余的充填水以溢流和滲透的形式排出，經(jīng)中段運(yùn)輸平巷水溝進(jìn)入1 510中段自流至坑口水處理沉淀池，處理后供選廠使用。充填脫水過(guò)程中帶出細(xì)泥，部分在坑道水溝和沉砂池沉淀，較細(xì)懸浮細(xì)泥進(jìn)入水倉(cāng)，沉淀后適時(shí)清理排至附近空區(qū)。

6 充填工作制度

深錐濃密機(jī)由二選廠入料330 d/a、24 h/d，排料造漿下井330 d/a、18 h/d；其中充填新開(kāi)采形成采空區(qū)9 h/d，充填老采空區(qū)9 h/d。

7 充填控制及通訊

在充填系統(tǒng)設(shè)置集中控制室，自動(dòng)+手動(dòng)控制方式，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)濃密、攪拌和泵送過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和控制，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)將上述過(guò)程檢測(cè)控制參數(shù)送至集中控制室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)現(xiàn)設(shè)備就地監(jiān)視與控制。

表3 井下充填參數(shù)Tab.3 Parameters of the underground filling

地表充填制備站各設(shè)施之間，以及與井下充填水平之間設(shè)置通訊系統(tǒng)。以控制室為調(diào)度中心，分別與選廠尾礦加壓泵站、供水泵站之間設(shè)置電話聯(lián)系；與井下充填水平設(shè)置電話及聲(電鈴)、光(紅綠燈)信號(hào)聯(lián)系，巡管工和充填采場(chǎng)管理工在充填過(guò)程中與地表制備站保持快捷通訊。

8 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保和安全的發(fā)展要求，充填采礦法廣泛應(yīng)用，其中礦山尾礦作為主要物料進(jìn)行井下空區(qū)充填，可實(shí)現(xiàn)井下采空區(qū)的處置和形成人工礦柱，為持續(xù)采礦提供安全可靠條件，同時(shí)大量尾礦充填后，大幅減少地表堆存設(shè)施和用地，有利于節(jié)約投資和成本。結(jié)合尾礦濃縮設(shè)施和高濃度漿體輸送設(shè)施快速成熟，礦山尾礦充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出集成性的特點(diǎn)，但在滿足采礦工藝的需求，保證系統(tǒng)可靠性、簡(jiǎn)約化，尾砂物料性質(zhì)、充填工藝流程、站址確定、設(shè)備選型、充填線路規(guī)劃和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制等較為關(guān)鍵。