甲瑪銅多金屬礦高海拔大流量充填技術研究

許文遠，郭利杰，楊小聰，楊 超(北京礦冶研究總院，北京 100160)

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采選技術

甲瑪銅多金屬礦高海拔大流量充填技術研究

許文遠，郭利杰，楊小聰，楊 超
(北京礦冶研究總院，北京 100160)

甲瑪礦充填面臨高海拔環境運行、充填料漿大流量制備與輸送及充填區域廣等技術難題，可借鑒經驗少。為了確定適宜于甲瑪礦實際條件，且穩定可靠的充填系統方案，本文開展了充填材料性能試驗、充填系統方案論證及高海拔大流量充填關鍵技術研究。通過方案論證確定了全尾砂高濃度連續充填系統方案，方案采用的深錐濃密機與立式砂倉協同制備高濃度充填料漿技術、尾砂連續供料與交替放砂技術實現了甲瑪礦大流量穩定連續充填。方案單套充填系統能力達180m3/h，系統能力的提升減少了充填設施配置數量，降低了系統投資，簡化了系統管理。

高海拔；大流量；全尾砂；充填

甲瑪銅多金屬礦床位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內，為西藏已探明的大型銅多金屬礦床之一。西藏甲瑪銅多金屬礦一期工程為露天開采，二期將大幅擴大產能，并建成1200萬t/a生產能力的露天-井下聯合開采礦山，其中露天、井下生產能力各為600萬t/a。礦山井下開采根據礦體產狀變化分為南北區，北區設計生產能力540萬t/a，采用兩步驟嗣后充填采礦法回采。充填是保證礦山正常生產的關鍵環節，其充填能力、充填效率、充填質量等因素直接影響著整個礦山的安全、高效生產，并對礦山可持續發展起到至關重要作用。

甲瑪銅多金屬礦地處高寒高海拔地區，礦山工業場地有限、充填能力大、充填原材料及人工成本高，這些不利因素增加了充填系統設計難度。充填系統建設要求充填設施盡可能優化，以減少充填站占地面積，減小充填站規模。系統工藝應穩定可靠，以滿足礦山生產能力及惡劣工況環境。對此，本文根據甲瑪礦實際條件，對可行的系統工藝進行了方案比選，并對確定的全尾砂高濃度穩定連續充填系統方案的尾砂供料系統、充填料漿制備系統等關鍵工藝環節進行了分析論證，研究確定的技術方案穩定、可靠，且系統投資小，實現了甲瑪銅多金屬礦高寒高海拔地區的大流量穩定充填。

1 尾砂基礎物理化學性質

尾砂物理化學性質包括尾砂比重、滲透性、粒級組成及化學組成，尾砂物理性能參數見表1，化學元素組成見表2，尾砂粒級組成見圖1。

表1 尾砂基礎物理化學參數

表2 全尾砂元素分析結果表

圖1 尾砂粒級組成曲線

從尾砂基礎物理化學性質來看：①尾砂的滲透系數低(0.35cm/h)，小于有色金屬采礦設計規范8cm/h的要求，充入采場后脫水性能差；②尾砂粒級組成中d50為33.752μm，-74μm占到68.12%，-37μm約占52%，全尾砂粒度偏細，屬于細粒級物料；③不同濃度全尾砂漿在沉降2h后基本達到穩定，低濃度全尾砂漿開始沉降速度快，達到一定濃度后，沉降速度逐漸變慢，高濃度全尾砂漿沉降濃度全程比較緩慢，60%～65%濃度下尾砂沉降速度約0.04m/h；④尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，分別達到了42.73%和8.27%，說明甲瑪礦尾砂是一種比較好的惰性材料。而含有一定的CaO、MgO、FeO成分，有利于將來膠結充填。尾砂中P2O5、S等有害成分含量低，可以作為井下充填材料[1-2]。

綜上所述，僅從物理化學性質來看，甲瑪礦尾砂可以作為充填骨料，但不是理想的充填材料，其作為充填材料的不足之處需在充填系統設計中加以考慮。

2 充填系統方案選擇

甲瑪礦充填采礦生產能力為540萬t/a，年工作330d，每天兩班充填，由此計算的礦山充填能力應達到531m3/h。

甲瑪礦區可選用的充填材料有選廠生產的尾砂、露天及井下開采的廢石，其中選廠尾砂又可分為全尾砂和分級尾砂兩種形式。結合甲瑪礦區現場實際情況來看，礦山已經配置了深錐濃密機，能夠解決全尾砂沉降脫水的問題；另外，二期選廠尾砂排放工藝已經確定，如果采用分級尾砂充填，勢必需要對原有尾砂排放工藝流程進行修改，對深錐濃密機參數進行調整，使其作用不能得到很好發揮；同時二期選廠規劃建設已經完成，目前在選廠附近很難再找到增加旋流器組安裝的工業場地。基于上述現實情況，推薦采用全尾砂充填[3]。

根據甲瑪礦區地質地形、礦體賦存及生產系統布置情況，經初步篩選，可行的充填系統方案有：方案一：膏體泵送充填系統；方案二：全尾砂高濃度自流充填系統。

2.1 膏體泵送充填系統

充填站站址位于北回風井口附近，標高+4550m。該方案具體工藝流程為選廠尾砂經深錐濃密機濃縮至濃度64%后，通過隔膜泵泵送至+4550m充填站。在充填站附近的廢石場建破碎站，破碎的成品廢渣經膠帶輸送機運至充填站儲存。充填時，高濃度尾砂漿、水泥、廢渣經攪拌，制備成濃度80%左右的膏體充填料后通過柱塞泵泵送至井下采場進行充填。具體工藝流程見圖2。

圖2 膏體泵送充填工藝流程圖

為滿足甲瑪礦生產能力，充填站需建立4套系統，3用1備，每套生產能力180m3/h。經估算，該方案投資約8500萬元、運營成本87.98元/m3。

2.2 全尾砂高濃度穩定自流充填系統

該方案充填系統工藝流程為二期選廠尾砂在選廠經深錐濃密機濃密至64%～66%后通過隔膜泵泵送至+4820充填站。64%～66%濃度的尾砂漿與水泥混合攪拌均勻，制備成高濃度充填料漿后，通過充填鉆孔自流至井下采場進行充填。具體工藝流程見圖3。

經估算，該方案投資約5600萬元、運營成本89.26元/m3。

2.3 方案對比

對兩種方案進行了綜合比較，對比來看方案二在技術可靠性、充填能力、系統建設投資方面存在一定的技術優勢，但充填質量方面方案二較方案一稍差，運營成本兩者無明顯差別?？紤]到甲瑪礦高海拔地區的特殊條件，以及大規模膏體泵送充填在國內尚未有成功案例的實際情況，綜合分析各方利弊，最終建議采用方案二(全尾砂高濃度穩定自流充填系統)作為甲瑪礦區充填系統方案[4]。具體方案對比見表3。

圖3 全尾砂高濃度充填系統工藝流程圖

表3 充填系統方案對比表

3 充填系統關鍵工藝方案設計

充填系統主要由尾砂供給系統、充填站尾砂漿制備系統、水泥供給系統、充填料漿攪拌輸送系統、充填供水系統及自動化控制系統等子系統組成，根據甲瑪礦的生產實際，其尾砂供料系統及充填站尾砂漿制備系統是系統的關鍵，對此本文進行了詳細分析。

3.1 尾砂供料系統

甲瑪銅多金屬礦選廠處理能力40000t/d，尾礦產量39162t/d，排放濃度約20%。全尾砂漿經2臺深錐濃密機濃縮至濃度大于64%后，采用隔膜泵泵送至6.2km外的二期尾礦庫進行膏體排放，設計排放濃度64%～66%。尾礦輸送布置三條輸送管線，六臺DGMB550/9型隔膜泵，兩臺泵并聯(兩臺共一根尾礦出管)為一組，供料一條輸送管線，整個尾礦輸送共3個系列，兩用一備，該工藝系統目前已經設計建設完成。

礦山尾礦排放三班連續作業，充填兩班作業，尾砂排放與充填供砂之間的工作制度不相同。同時，礦山充填尾砂需求量為7032t/d，遠小于尾砂產量，排放量與需求量之間也相差大。因此，礦山充填尾砂供料系統的設計應與現有尾砂排放系統緊密銜接，以確保系統的可靠性。

根據甲瑪礦二期尾礦輸送方案，充填供砂方案有兩種：①供砂與充填工作制度相同，采用兩班工作制；②供砂與充填工作制度不同，三班供砂，兩班充填[5]。

1)供砂與充填工作制度相同，采用兩班工作制。供砂與充填采用相同的兩班工作制度，由此計算要滿足540m3/h能力要求，64%濃度的供砂流量應達到569.5m3/h。相應的供砂配置為：原有6臺隔膜泵中采用2臺(1組)將剩余尾砂泵送至尾礦庫，2臺用于充填供砂，另兩臺備用。不充填時，4臺隔膜泵用于將尾礦輸送至尾礦庫，2臺備用。該方案充填時，利用原有2個尾礦輸送系統中的1個系列用于充填供砂，不充填時，2個系列全部將尾礦泵送至尾礦庫。

該方案的缺點是充填供砂系統與尾礦輸送系統需要頻繁的開停機與洗管，管理操作復雜，供砂與充填難以平衡。

2)供砂與充填工作制度不同，三班供砂，兩班充填。該方案充填24h供砂，供砂流量320m3/h時，可滿足540m3/h的充填能力要求。該方案為連續供砂，避免了系統的頻繁調換與開停機，但是由于總尾砂排放量為1443m3/h，除去充填320m3/h供砂量外，還有1123m3/h的尾砂需要排放尾礦庫。根據現有尾礦輸送系統，采用2個尾礦輸送系統，尾礦輸送工作流速將低于臨界流速，1個尾礦輸送系統又難以滿足輸送能力要求。因此需要對原有尾礦輸送系統進行優化。具體方案為：敷設1條內徑250mm尾礦輸送管線，充填時，采用2個系列進行尾礦輸送，1#系列為原1組隔膜泵(2臺并聯)配套1條Φ406×(14+5)尾礦輸送管線，2#系列為1臺隔膜泵配套1條250mm尾礦輸送管線；不充填時，采用原有2組尾砂輸送泵配套2條Φ406×(14+5)尾礦輸送管線進行尾礦排放。正常充填情況下，原6臺隔膜泵3臺用于將富裕尾礦輸送至尾礦庫，1臺用于充填供砂，2臺用于備用。

該方案的優點是充填24h連續供砂，實現了尾礦排放與充填之間的平衡，避免了充填供砂與尾礦排放的頻繁切換，簡化了工作流程。考慮到間斷供砂將增加尾礦排放與充填的管理難度及工人的勞動強度，系統可靠性降低。因此，甲瑪礦設計采用方案二作為充填供砂供料方案。

3.2 充填料漿制備系統

甲瑪礦充填料漿制備工藝為選廠排放的尾砂漿先通過深錐濃密機濃縮至濃度64%～66%，然后泵送至充填站立式砂倉，經立式砂倉進一步濃縮后，添加水泥后可制備成合格充填料漿(66%～70%)。因此，充填站尾砂漿制備系統主要起到中轉穩料作用，即調節深錐濃密機尾砂供料系統與充填攪拌系統之間的能力，同時，考慮到尾砂漿供料濃度的波動性，其還需要起到一定的尾砂濃縮作用，即制備大于66%濃度的充填料漿。

甲瑪充填系統需要三套系統同時運行，單套系統能力為180m3/h。甲瑪立式砂倉主要起到中轉穩料作用，因此設計配置4套充填料漿制備系統，3用1備[6]。

立式砂倉采用三班供砂、兩班充填工作制度，為了實現充填工作的連續性，同時盡可能的減少立式砂倉數量，應對充填尾砂漿制備工作制度進行詳細論證。

甲瑪礦設計建造1#、2#、3#、4#四座立式砂倉，四座立式砂倉采用交替使用的方式以滿足超大能力充填需求。具體工作制度安排為：第一次充填前，將充填站內1#、2#、3#、4#砂倉依次注滿，砂倉注滿后，自然沉降濃縮，以進一步提高充填濃度，同時需要將澄清水排出，充填時，1#、2#、3#倉進行充填并同步進料，4#倉作為備料用。第二次充填時，1#、2#倉完成備料，3#倉完成注料，開始充填時，以1#、2#、4#倉進行充填并同步進料，3#倉作為備料，3#、4#倉交替使用，確保整個供砂與充填的平衡，具體供料量平衡及工作流程見表4與圖4。

表4 供砂與充填工作安排

注：第一班單獨供砂，二、三班供砂與充填同步進行。

圖4 供砂與充填工作安排

4 結 論

甲瑪礦地處高寒高海拔地區，礦山充填能力大，國內外沒有相似成功經驗參考。本文就甲瑪礦充填系統方案選擇與關鍵工藝技術進行了分析論證，相關工作對實現甲瑪礦穩定、高效充填，降低充填系統投入及運行成本具有重要意義。

1)甲瑪礦全尾砂偏細，滲透性能、沉降性能及力學性能差，不是理想的充填材料，充填系統設計中應就其不利因素重點考慮。

2)通過對膏體泵送充填系統方案與全尾砂高濃度自流充填系統方案比較可知，膏體泵送充填系統投資大，系統運行受關鍵設備制約，且在國內外沒有高原地區的成功應用案例。因此，甲瑪礦推薦采用全尾砂高濃度穩定連續充填系統方案。

3)甲瑪礦全尾砂高濃度自流充填系統方案采用了深錐濃密機+立式砂倉的組合方式，充分利用了深錐濃密機與立式砂倉的優點，系統可靠性高。

4)根據甲瑪礦已經設計的尾砂排放工藝，設計采用連續的充填尾砂供料方案，使充填供砂與尾礦排放有效銜接。

5)甲瑪礦充填站設計采用了交替充填放砂工作制度，該方案減少了立式砂倉建設數量，減小了砂倉規格，解決了甲瑪礦充填工業場地限制問題。

[1] 劉同有.充填采礦技術與應用[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[2] 王方漢，陳德標.立式砂倉絮凝濃縮泥漿技術研究與應用[J].金屬礦山，2000(1)：21-24.

[3] 孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[4] 彭續承.充填理論及應用[M].長沙：中南大學出版社，1988.

[5] 王新民.基于深井開采的充填材料與管輸系統的研究 [D].長沙：中南大學，2005.

[6] 劉乃錫.立式砂倉的設計與研究[J].有色礦山，1997(4):34-38.

The study of high altitude and mass flow filling technology in Jiama Copper Mine

XU Wen-yuan，GUO Li-jie，YANG Xiao-cong，YANG Chao

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

Jiama copper mine faces the problems of high altitude，mass flow filling and large filling area，have no codified experience to reference.To determine the best filling system，this paper conducts experiment on the physical and mechanical characteristics of backfill materials，the plan demonstration of backfill system and key technology study of mass and high altitude flow filling.On this basis，the paper determined the gravity filling system of high density unclassified tailings to jiama mine.This plan adopts the technology of deep-cone thickener with tank、backfilling continuous feed solution and backfilling put sand alternately，then the backfill technical problem with high altitude and mass flow has been resolved by the methods.The capacity of filling system enhances to 180m3/h，while the number of backfill system is considerably reduced，cutting down the cost and leads to ease of management.

high altitude；mass flow filling；unclassified tailings；backfill

2013-08-12

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAB01B01)；國家國際科技合作專項資助(編號：2014DFG72340)

許文遠(1985-)，男，碩士，工程師。主要從事礦山充填工藝技術的研究與設計工作。E-mail：xwy156@163.com。

TD853

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1004-4051(2015)11-0099-05