某低品位鐵礦大倍線采場充填方案研究

崔 旺

(湖州南方礦業有限公司, 浙江 湖州市 313117)

0 前 言

充填采礦法在國內經過數十年的研究取得了長足的進步，目前已廣泛應用在各類礦山中，包括低品位鐵礦床資源的開采利用[1-4]。研究具體礦山的生產條件，提出因地制宜的方案，再配合成熟的充填工藝，可使充填料漿以良好的流動狀態充入井下采場，在采場中不離析分層、泌水少，減少井下排水清污費用的同時形成的充填體強度滿足采礦方法的要求，且因充填料漿濃度高、膠凝材料給料配比準確，可嚴格控制充填成本，使得低品位鐵礦的開采可由傳統的崩落法改為充填法[5-7]。傳統的崩落法除損失貧化率高以外，還存在著地表塌陷、破壞地下水系及其它潛在的安全隱患等問題，隨著國家對環保和安全的重視，崩落法已不能支撐礦山的可持續發展[8-11]。雖然充填采礦法成本較其它采礦方法高、充填系統一次建設投入較大，但因采用充填法開采降低損失貧化率，即提高了選廠的入選品位，在相同的采選能力下礦山每年增加的鐵精粉足可抵消充填采礦法增加的成本且有富余，可為企業提質增效作出巨大的貢獻。

1 工程背景

本文研究的山東某鐵礦為低品位鐵礦床資源，通過采用大直徑深孔鑿巖爆破、階段嗣后充填法，運用大結構采場、大型機械化設備及大流量充填工藝，以高效率低成本的規模化開采來消除品位較低對企業效益的負面影響。該鐵礦采用的充填工藝是全尾砂經旋流分級后，粗顆粒尾砂經管道輸送至立式砂倉，進一步沉降后開啟砂倉底部的風水聯動造漿裝置對沉積的尾砂進行活化，活化完全的砂漿通過放砂管道進入攪拌桶，同時放砂管道上裝有濃度計、流量計及相應的調節閥門，膠凝材料經計量裝置給料至攪拌桶，攪拌均勻后形成的充填料漿即進入充填鉆孔，通過垂直豎管和井下的水平管路自流充入采空區，工藝流程如圖1所示。

圖1 山東某鐵礦充填工藝流程

在物料輸送方式中管道輸送是最經濟環保的一種，該鐵礦山充填尾砂全部通過不同材質和直徑的管道輸送：分級尾砂漿通過兩臺水隔離泵(一用一備)及配套的管路輸送至立式砂倉；制備好的充填料漿也由充填鉆孔(套管為陶瓷復合管)及布置于巷道內的耐壓鋼管自流輸送至需要充填的采場。上述的管輸方式因做功方式不同可分為兩種，一種為泵的機械能轉換為砂漿的勢能，一種為充填料漿利用自身的勢能。利用料漿自身的重力勢能是最經濟的管輸方式，但這與所需充填的采場倍線有關，當采場倍線較小為3～5或更小時，高濃度的料漿可順利實現自流輸送，當充填倍線為5～7時常需根據情況適當降低料漿濃度以實現自流輸送，但當充填倍線為7～9甚至更高時很難實現料漿的自流輸送，即使降低充填料漿濃度也無法自流輸送，且極易堵管，普遍認為當充填倍線大于8即無法實現充填料漿的自流輸送。該鐵礦已建充填站坐落于南回風井附近，前期開采的是Ⅴ號礦體，后經過勘察發現Ⅵ號礦體，但Ⅵ號礦體位于礦區的北部，離已建充填站較遠，充填倍線大，其各中段采場的充填倍線統計結果見表1。由表1可知該礦體各中段均無自流輸送的可能性，為實現Ⅵ號礦體采用充填法開采，該鐵礦急需解決北部礦體大倍線采場的難題。

表1 Ⅵ號礦體各中段充填倍線

2 初選方案介紹

根據該鐵礦礦區條件及礦體賦存情況提出了3個方案，方案一為在礦區北部新建一座地表充填站供Ⅵ號礦體采場的充填作業，如圖2所示；方案二為在現有充填站增設一臺充填柱塞泵，沿礦區地表布設充填管道，再于Ⅵ號礦體上方新增充填鉆孔以滿足采場的充填需要，如圖3所示；方案三為充填料漿依然利用已有的充填管網，在Ⅴ號和Ⅵ號礦體的-50 m中段的聯絡巷適當位置開挖充填硐室并配套充填柱塞泵，通過柱塞泵加壓輸送充填料漿至Ⅵ號礦體的各個中段進行充填，如圖4所示。

該鐵礦年處理礦石量為165萬t，合5000 t/d，礦石容重3.27 t/m3，已建充填站的充填能力為1530 m3/d。為延長礦山的服務年限，Ⅵ號礦體發現后進行了開拓采準工作，按規劃要將Ⅴ號礦體的出礦能力定為3000 t/d、Ⅵ號礦體能力定為2000 t/d，即礦山目前的采選能力均不變。采用方案一需于礦區北部新建一座地表充填站，位于礦區南部的已建充填站的能力不能得到充分利用，只服務Ⅴ號礦體每年30.3萬m3的充填任務。新建充填系統需增設分級尾砂輸送泵房并配備管路將低濃度的分級尾砂漿輸送至礦區北部，同時為滿足年充填20萬m3、612 m3/d的充填任務，按合理的充填工藝增設2座立式砂倉、1座水泥倉、2套攪拌系統、2套水泥計量輸送系統、2個充填鉆孔、充填站廠房、相應的控制儀表及中央控制系統，因工藝與原充填站相同，所以具有一樣的人員配置。

圖2 方案一

圖3 方案二

圖4 方案三

方案二仍利用現有地表充填站，因礦山今后采選能力不變，即現有充填系統仍能滿足礦山充填作業的需要，只是需將適當比例的充填料漿分配至Ⅵ號礦體的采場。增設一臺充填柱塞泵可以很好地實現這一目的，當Ⅴ號礦體需要充填時，充填系統制備的料漿從攪拌桶自流至鉆孔下料斗，通過現有的充填管網自流至采場進行充填；當Ⅵ號礦體需要充填時，制備好的充填料漿自流進入充填柱塞泵的進料口，通過柱塞泵加壓管輸送至Ⅵ號礦體上方新增的2個充填鉆孔及井下充填管網進行充填作業。此方案中充填柱塞泵只需將料漿揚送至新增的充填鉆孔下料斗即可，之后料漿將通過勢能自流輸送至各采場。充填站攪拌桶制備完成的充填料漿通過緩沖箱和切換閥門即可完成自流或泵送的轉換。

方案三充分考慮Ⅴ號和Ⅵ號礦體連通的-50 m中段巷道，在不新建地表充填站的前提下，利用現有充填站的能力生產制備充填料漿，一部分自流輸送至Ⅴ號礦體采場，一部分通過在-50 m中段聯絡巷中增設充填柱塞泵及管路而將料漿泵送至Ⅵ號礦體各個采場。此方案充分利用充填站至-50 m中段355 m的自然高差壓頭，在料漿自流末端增設充填硐室，硐室中安裝與方案二相同的充填柱塞泵，不需要從地表施工2條充填鉆孔，只需在各中段之間布置相應的充填管路即可。

3 方案比較

由上述3個方案進行技術經濟比較可知：

方案一既浪費了原充填站的制備能力且投資最大，需新建一套完整的充填系統，分級尾砂漿從選廠至礦區北部的距離長，新增分級尾砂漿輸送泵出口壓力大、能耗高，配套輸送管路耐壓等級高，管道及連接緊固件一次投資大，新增充填成本高，不符合工藝合理、提質增效的原則。

方案二和方案三均需增設一臺充填柱塞泵，利用泵將充填料漿輸送至Ⅵ號礦體各個采場，只是泵的安裝地點不同。方案二將充填柱塞泵安裝在充填站內，制備好的充填料漿直接通過切換閥門進入柱塞泵的進料箱，泵將料漿輸送至Ⅵ號礦體上方的鉆孔下料斗，料漿通過重力做功自流至各個采場。方案三利用現有的充填管網將制備好的料漿自流至-50 m中段，在自流管路的末端增設充填柱塞泵，利用泵向上輸送至50 m和0 m中段，向下輸送至-50，-100，-150 m及-200 m中段。方案二與方案三的新增設施對比如表2所示。從表2可知兩個方案關于投資與后期運行費用差別較大的設施是充填柱塞泵和充填管道。方案二的柱塞泵只需克服32 m的高差及3200 m的地表管道沿程阻力即可將料漿送至鉆孔下料斗，其運行費用將較方案三中的柱塞泵少，且方案二的柱塞泵安裝于充填站，便于集中管理，檢修與養護方便，相反方案三的柱塞泵布置在井下充填硐室內，今后的安裝維修管理等方面具有很大的困難。方案二地表管道較方案三-50 m中段的管道長，但方案三管道的耐壓等級高，其配套的緊固件造價亦高，因而綜合對比，方案二的輸送管道對比于方案三的預算不會高很多，且管道為一次投資，可運行數年，折合到單位充填料漿上的成本差異更小，地表安裝的費用遠低于井下。方案二需增加2個地表至-50 m的充填鉆孔，此項費用是方案三所沒有的。綜合方案的一次投資、施工的工期和難度以及充填系統今后的運行費用，最終考慮選用方案二。

4 小 結

(1) 充填采礦法較崩落法能減少礦石的損失貧化率，提高選廠的入磨品位，在相同的采選規模下每年能為鐵礦山增加大量的鐵精粉，抵消充填采礦法所增加的成本外還可給企業帶來可觀的效益。

(2) 對礦山充填管網的分析具有很重要的意義，可以指導充填系統的設計、優化管網布置，針對充填倍線較大的采場充填問題提前準備應對措施，避免對礦山正常穩定生產的影響。

(3) 本文通過對充填工藝的研究提出適合低品位鐵礦大倍線采場充填的3個方案，并從建設投資和運行費用等方面對方案的優劣進行比較，最終確定方案二為最佳方案。

(4) 本文針對大倍線采場充填方案的研究可為類似礦山提供參考，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]劉豐韜,丁劍鋒,陳國平,等.深井長距離大倍線高濃度自流充填技術研究[J].金屬礦山,2014(02):40-44.

[2]任建平,焦華喆,朱利平.深井礦山充填倍線及物料流變特性研究[J].有色冶金設計與研究,2013,34(06):1-3.

[3]鄧代強,姚中亮,王志勇,等.大倍線自流充填技術在低品位鐵礦的應用[J].礦業研究與開發,2012,32(05):30-33.

[4]周 旭,王佩勛.大倍線管道自流輸送膠結充填技術[J].金屬礦山,2011(08):25-28.

[5]王喜兵.全尾砂膠結充填采礦工藝在大型地下鐵礦的研究與應用[A].中國金屬學會采礦分會、中國礦業雜志社.2010全國采礦科學技術高峰論壇論文集[C]//中國金屬學會采礦分會、中國礦業雜志社,2010:7.

[6]鄒 俊,邱 宇,劉加冬.分段空場嗣后充填采礦法在南北洺河鐵礦的應用[J].現代礦業,2016,32(02):11-13，17.

[7]原廣武,李杰林,張興生.分段空場嗣后充填采礦法安全高效開采工藝實踐[J].有色金屬(礦山部分),2015,67(01):15-18.

[8]夏長念,孫學森.充填采礦法及充填技術的應用現狀及發展趨勢[J].中國礦山工程,2014,43(01):61-64.

[9]各 方.豐山銅礦充填采礦法的應用與優化[J].有色金屬(礦山部分),2013,65(01):20-23.

[10]萬海濤,方 勇,肖廣哲,等.充填采礦法的應用現狀及發展方向[J].世界有色金屬,2009(08):26-28.

[11]杜國棟,李 曉,韓現民,等.充填采礦法引起的地表變形數值模擬研究[J].金屬礦山,2008(01):39-43.