大流量全尾砂充填系統(tǒng)工業(yè)化應用及優(yōu)化

張立新

(五礦礦業(yè)控股有限公司, 安徽 合肥 230091)

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司下屬的李樓－吳集鐵礦(北段)位于安徽省西部霍邱縣,設計生產(chǎn)規(guī)模750萬t/a,主要礦物為鏡鐵礦和磁鐵礦,礦石品位低,平均含鐵品位為31%～34%,礦床開采范圍內(nèi)地表基本為農(nóng)田與部分民宅,地表不允許塌陷,因此,李樓－吳集鐵礦(北段)采用充填采礦法開采[1-4]。由于礦山生產(chǎn)能力大,國內(nèi)普遍應用的常規(guī)流量(60～80 m3/h)充填系統(tǒng)不能滿足需求,為此,安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司與長沙礦山研究院有限責任公司展開合作,以李樓－吳集鐵礦(北段)750萬t/a建設工程為依托,開展大流量充填系統(tǒng)研究,包括工藝技術、大容量立式砂倉結構、大流量充填配套給料及攪拌設備等技術及裝備的研究與應用,在李樓－吳集鐵礦(北段)先后建成了2座大流量充填站,填補了國內(nèi)大流量充填[5-6]工藝與應用的空白。下面以大流量2＃充填站為例,為大家介紹2＃充填站投產(chǎn)運行以來的應用情況及充填系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化。

1 充填系統(tǒng)運行參數(shù)

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站設置2套大流量充填系統(tǒng),每套充填系統(tǒng)由以下主要設施組成：2個直徑為15 m、圓筒段高度為10 m、總容量為2020 m3的立式砂倉;1個直徑為8.0 m,總高約22.872 m,有效容積527 m3的水泥倉;1套給料計量能力達100 t/h的雙管螺旋給料機及螺旋電子秤;1套攪拌制備能力達180～200 m3/h的雙軸攪拌機及高速活化攪拌機;2個內(nèi)徑為163 mm的充填鉆孔;1套自動控制系統(tǒng)等(見圖1)。充填站內(nèi)另設置了空壓機站及溢流水加壓輸送系統(tǒng)等。

充填系統(tǒng)建成后,經(jīng)人員培訓及設備調(diào)試,隨后進行了充填工業(yè)試驗。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程

對2＃充填站4個立式砂倉生產(chǎn)運行參數(shù)進行實測,結果表明,砂倉放砂流量一般為170～190 m3/h,添加膠結劑后充填料漿流量為180～200 m3/h,而其放砂濃度一般為67%～69%,波動一般小于2%,最大不超過3%,而充填料漿濃度則為69%～71%,最大73%,膠結劑添加量亦波動較小,實際灰砂比與設定灰砂比較為接近。充填過程中每間隔1 h取樣測定放砂濃度和料漿濃度。

由于放砂濃度及充填料漿濃度高且穩(wěn)定,從而使充填料漿結石率達到94.38%～97.52%,4個砂倉總平均95.95%,泌水率為1.78%～4.69%,4個砂倉總平均3.34%。砂倉放砂及充填料漿濃度高且穩(wěn)定使充填料漿在管道及采場中呈結構流性態(tài),不產(chǎn)生離析分層等現(xiàn)象,充填體整體性好,高的結石率則可有效地提高充填作業(yè)效率。低的泌水率可使大體積空區(qū)不產(chǎn)生積水,少量泌水可通過采場圍巖裂隙、分段鑿巖道擋墻等滲出,不存在充填脫水造成充填作業(yè)區(qū)域的污染問題,同時也使由充填作業(yè)而增加的排水費用降至最低。

2 充填管網(wǎng)布置

在研究制定安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司整體充填系統(tǒng)建設方案時,確定全礦充填料漿均采用自流輸送。根據(jù)安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司礦床賦存條件,全礦設立3個充填站,其中2＃充填站設置2套大流量充填系統(tǒng),年充填能力90萬m3,負擔吳集鐵礦(北段)W32～W48線及李樓鐵礦L40～L12線采空區(qū)充填。充填站每套充填系統(tǒng)布置2個充填鉆孔,2套充填系統(tǒng)共布置4個充填鉆孔。

充填鉆孔自地表＋40 m水平施工至－160 m水平,前期充填60萬t/a采礦生產(chǎn)已形成的空區(qū),當－300 m中段采礦投入生產(chǎn)后,其充填管道巷再由－160 m中段由天井下放至各充填水平。

根據(jù)井下充填管網(wǎng)布置,2＃充填站最大及最小充填倍線如表1所示。

表1 2號充填站在李樓、吳集各水平充填倍線計算結果

由充填管網(wǎng)布置及充填倍線計算結果可知,2＃充填站前期充填區(qū)域由于埋深較淺,充填倍線較大。2＃充填站充填李樓鐵礦－180 m 61＃采場時,充填倍線為9.07,充填吳集鐵礦北段最北端 W46采場時,充填倍線為7.09。根據(jù)實驗室試驗所測定的充填料漿流變參數(shù)及輸送阻力計算分析結果,當充填料漿濃度為72%,充填管道內(nèi)徑為140 mm,充填料漿流量為170～200 m3/h時,可實現(xiàn)自流輸送的充填倍線為9.43～8.09。而當充填料漿濃度為74%時,同等條件下,可實現(xiàn)自流輸送的充填倍線為4.8～4.12。即在前期充填倍線較大的條件下,70%～72%的充填料漿可實現(xiàn)可靠的自流輸送,而濃度大于72%則難于實現(xiàn)自流輸送,所以在前期充填端部采場時,需適當降低充填料漿濃度。

而當充填區(qū)域下降至－300 m中段后,由于深度加大,充填倍線普遍減小,2＃充填站充填李樓鐵礦最遠處采場28－4時,充填倍線為5.39,充填吳集鐵礦北段W48線端部采場時,充填倍線為5.63。在現(xiàn)有管道布置參數(shù)的條件下,充填料漿濃度為72%～73%時,均可實現(xiàn)可靠的自流輸送。

3 采場充填工藝

根據(jù)大體積空區(qū)充填特點,進行了空區(qū)充填工藝設計,其典型空區(qū)(－400 m中段10－5采場)。

該空區(qū)高度100 m,寬度20 m,長度60 m,空區(qū)體積10.92萬m3,根據(jù)實驗室試驗結果及Ⅰ步驟采場充填體設計強度,不同充填部位采用不同灰砂比。采用硅酸鹽水泥作為膠結劑時,中段空區(qū)底部、頂部采用灰砂比1∶4,空區(qū)中下部灰砂比1∶6,空區(qū)中上部灰砂比1∶8。

中段出礦進路及分段鑿巖巷設置鋼筋混凝土擋墻或鋼結構擋墻,并于擋墻不同高度設置觀察孔以便掌握擋墻部位充填時的料位上升情況,以掌握及控制一次料位上升高度。在充填采場底部結構及分段鑿巖巷道部位,即過擋墻位置,一次連續(xù)充填量加以控制,使其料漿一次上升高度小于1.5 m,以減小料漿對充填擋墻的壓力,且需在充填料漿凝固后再繼續(xù)充填。Ⅱ步驟采場充填時,適當調(diào)整采場中間部位及分段鑿巖巷道部位灰砂比,使該部位充填體具有一定強度,以防分段鑿巖巷道擋墻產(chǎn)生破壞而發(fā)生安全事故。

4 Ⅰ步驟充填質(zhì)量檢測及礦柱回采

李樓鐵礦采礦方法為大結構高效充填采礦法,中段高度100 m,Ⅰ、Ⅱ步驟采場寬度均為20 m,采場長為礦體水平厚度。在兩側Ⅰ步驟采場均回采充填完畢并養(yǎng)護一段時間(2～3個月)后,即Ⅱ步驟采場開采前對Ⅰ步驟采場充填體[7-10]進行檢驗,給Ⅱ步驟采場回采提供依據(jù)。典型Ⅰ步驟采場12－3采場和12－5采場。

12－3采場灰砂比均為1∶4,膠結劑為硅酸鹽水泥,尾砂類型為磁鐵礦尾砂。12－3采場原位充填體鉆孔取樣(見圖2)檢測平均強度為4.9 MPa。

圖2 12－3采場原位充填體取樣照片(磁鐵礦尾砂)

12－5采場下部25 m灰砂比為1∶4,中部50 m灰砂比為1∶6,中上部15 m灰砂比為1∶8,頂部10 m灰砂比為1∶4,膠結劑為硅酸鹽水泥,尾砂類型為鏡鐵礦尾砂。12－5采場原位充填體鉆孔取樣(見圖3)檢測平均強度分別為：灰砂比1∶4時4.9 MPa,1∶6時3.8 MPa,1∶8時3.5 MPa。

圖3 12－5采場原位充填體取樣照片(鏡鐵礦尾砂)

12－3采場及12－5采場充填體芯完整、連續(xù),充填體平均強度3.5 MPa以上,滿足采礦方法要求,可為Ⅱ步驟礦柱回采提供安全保障。

其典型Ⅱ步驟采場12－4(試驗采場)回采情況如下：

12－4采場位于李樓鐵礦－400 m中段22～24勘探線,其南部為12－5采場,北部為12－3采場,礦體水平厚度58 m左右,礦體傾角70°～85°之間。采場寬度20 m,采礦方法與12－5及12－3采場相同,均為大結構高效充填采礦法,共分為－400 m拉底出礦水平、－375 m、－350 m、－325 m鑿巖水平及－300 m回風充填水平。

12－4采場地質(zhì)礦量37.71萬t,地質(zhì)品位36.71%,回采過程中采場與充填體之間設計留有1 m厚的臨時礦壁,在中深孔爆破過程中一并落下。回采及出礦過程中充填體穩(wěn)定性良好,未發(fā)生充填體片幫垮落現(xiàn)象(見圖4),由充填體引起的貧化很小,采出地質(zhì)礦量34.36萬t,礦石回采率91.11%,礦石貧化率8.84%。

圖4 Ⅱ步驟采場回采結束揭露的兩側充填體整體

12－4采場回采結束,揭露兩側(12－3采場、12－5采場)充填體狀況及穩(wěn)定性如圖4、圖5所示。12－4試驗采場成功回采后,目前已在全礦大面積實行Ⅱ步驟回采,各采場兩側充填體均穩(wěn)定性良好。

圖5 Ⅱ步驟采場回采結束揭露的兩側充填體局部

5 充填系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 溢流濃度控制

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站大流量充填系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用后,尾砂進砂流量350 m3/h,進砂濃度40%～45%,當其向1個立式砂倉進砂時,立式砂倉溢流濃度較高,當砂倉砂面接近倉頂時,最大溢流濃度達到17%～20%,尾砂充填利用率降低。大量細顆粒隨溢流進入下一工序,給后續(xù)處理帶來難題。

為了解決該問題,首先于實驗室進行了尾砂自然沉降及絮凝沉降對比試驗,其絮凝劑先后采用國產(chǎn)無機絮凝劑和多種有機絮凝劑(聚丙烯酰胺),其結果表明添加絮凝劑后尾砂漿沉降效果要遠好于自然沉降,并且有機絮凝沉降效果要好于無機絮凝劑。

在實驗室試驗的基礎上,在2＃充填站設置了1套絮凝劑添加系統(tǒng)對尾砂倉進行絮凝劑添加。自動加藥機制備箱4 m3,儲存箱8 m3,聚丙烯酰胺類高分子絮凝劑濃度控制在0.1%～0.5%,加藥量控制在35 g/t左右,攪拌時間900 s,采用2臺耐馳(Netzsch)螺桿泵、直徑50 mm防腐鋼管進行輸送(一備一用)。加藥機如圖6所示。

圖6 絮凝劑自動加藥機

通過生產(chǎn)實踐表明,2＃充填站添加絮凝劑前,鏡鐵礦尾砂進砂濃度為35%～40%,進砂流量350 m3/h,最大溢流濃度20%左右,沉滿1個砂倉需要約22～24 h,尾砂利用率50%左右。添加絮凝劑后,在同樣進砂流量及進砂濃度條件下,溢流濃度開始階段＜1%,砂倉將滿時,最大溢流濃度＜10%,沉滿1個砂倉僅需要11～12 h左右,比加藥前沉砂時間縮短了10 h以上,尾砂利用率提高至70%以上。

圖7 立式砂倉溢流水進入回水池

5.2 充填膠結劑優(yōu)選及工業(yè)應用

當采用硅酸鹽水泥作為膠結劑時,根據(jù)采場充填體強度要求,采空區(qū)不同部位采用灰砂比為1∶4,1∶6,1∶8,水泥用量相應分別為326.4,234.5,182.4 kg/m3,部分采場灰砂比全部采用1∶4,從而導致水泥消耗量大,Ⅰ步驟充填平均水泥用量達200 kg/m3以上。

為了在確保充填質(zhì)量的前提下,降低充填成本,安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司對多種品牌礦山充填用膠固粉進行了取樣,與長沙礦山研究院有限責任公司合作進行了多批次實驗室配比試驗,結果證實膠固粉可完全替代水泥。在灰砂比為1∶8～1∶10時,試塊強度可滿足特大型采場充填強度要求。在此基礎上,進行了不同品牌膠固粉的生產(chǎn)應用,生產(chǎn)應用過程中在充填站對充填料漿取樣并進行強度檢測,結果證實實驗室料漿試塊強度均能達到設計充填強度要求。

待特大型采場充填結束并養(yǎng)護1～2個月后,對采用膠固粉作為膠結劑[11-14]的李樓鐵礦特大型采場原位充填體進行了鉆孔取樣,測得充填體強度。以李樓16－5采場為例,該采場充填狀況如下：

該采場設計灰砂比為1∶9及1∶10,充填前期即采場下部及中下部采用品牌C膠固粉,后期即采場中上部及頂部采用品牌D膠固粉,尾砂種類為鏡鐵礦。充填作業(yè)結束近5個月后,對井下原位充填體進行鉆孔取樣,充填體強度測試結果見表2。

表2 李樓16－5膠固粉充填采場井下原位充填體測試強度

從表2可見,采用品牌C膠固粉,灰砂比降至1∶9或1∶10,料漿濃度平均71.68%時,充填料漿檢測28 d強度平均為2.56～2.83 MPa,井下原位充填體檢測強度1＃鉆孔為2.67～2.73 MPa,2＃鉆孔為1.80～2.28 MPa。采場底部30 m充填體強度平均2.265 MPa,達不到3.0 MPa的設計要求。而其中下部1＃鉆孔為2.67 MPa,2＃鉆孔為2.28 MPa,平均2.48 MPa,接近2.5 MPa的設計要求。

而該采場中上部膠結劑改為品牌D后,灰砂比改為1∶10,充填料漿檢測強度為3.69～3.87 MPa,井下原位充填體取樣檢測強度,1＃孔為1.63～7.86 MPa,平均4.98 MPa,2＃鉆孔為2.3～10.61 MPa,平均4.96 MPa,均明顯高于品牌C,同時也較該充填部位設計強度2.0～3.0 MPa高出1.96～2.96 MPa,完全可滿足Ⅱ步驟大結構采場的回采要求。

6 結 論

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站大流量充填系統(tǒng)自2012年4月投入運行,已安全生產(chǎn)6年多,累計完成充填量500萬m3以上,其各項技術指標均達到甚至超過設計指標,為特大型地下鐵礦山實現(xiàn)充填法采礦提供了技術保障。根據(jù)充填系統(tǒng)實際運行狀況及井下采礦作業(yè)情況,可總結如下。

(1)充填系統(tǒng)工藝流程順暢。根據(jù)安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司選廠尾砂處理設施、充填站及井下采礦工程等工業(yè)設施布置,研究確定的充填系統(tǒng)整體布置方案合理,2＃充填站大流量充填系統(tǒng)采用大容量立式砂倉進砂、沉降脫水、造漿放砂,充填料漿兩段連續(xù)攪拌制備及自流輸送,生產(chǎn)實際證明系統(tǒng)配置合理,工藝流程順暢。

(2)實現(xiàn)了200 m3/h大流量充填。研制了容積達2020 m3的立式砂倉、輸送能力達100 t/h的膠結劑給料計量設備、攪拌能力達200 m3/h的兩段連續(xù)攪拌機及相配套的內(nèi)徑為163 mm的充填鉆孔及井下管網(wǎng),實現(xiàn)了200 m3/h充填料漿制備及自流輸送。2＃充填站單日最大充填能力4000 m3,單月最大充填量達93690 m3,充填能力滿足特大型地下鐵礦山生產(chǎn)要求。

(3)系統(tǒng)運行參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)。研究采用大容積立式砂倉整體壓氣造漿及管道放砂技術,放砂流量穩(wěn)定可調(diào),放砂濃度高且波動小,充填料漿結石率達到95%以上,泌水率＜5%。研制的自動控制系統(tǒng)可對充填系統(tǒng)運行參數(shù)進行有效檢測和調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)結構流膠結充填。

(4)充填質(zhì)量滿足采礦方法要求。通過充填料漿取樣強度檢測、特大型采場原位充填體鉆孔取樣強度檢測證實,充填體強度滿足大結構高效充填采礦法設計強度要求,實現(xiàn)了Ⅱ步驟采場成功回采。Ⅱ步驟采場揭露充填體整體性及穩(wěn)定性良好,側幫暴露面積達6000 m2(寬60 m、高100 m)的條件下,未出現(xiàn)充填體片幫垮落或僅出現(xiàn)很少量充填體混入,由充填體引起的貧化率＜3%。

(5)通過膠結劑優(yōu)選試驗及工業(yè)應用,成功地將Ⅰ步驟采場灰砂比從1∶4～1∶8降低至1∶9～1∶10,Ⅱ步驟采場灰砂比降低至1∶16,Ⅰ步驟采場原位充填體鉆孔取樣強度檢測同樣滿足采礦方法要求,從而在保證充填質(zhì)量的前提下,顯著降低了充填成本。