井下混凝土充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張小華,王建國,盧泰宏,羅武順,張楠楠

(1．云南錫業(yè)研究院有限公司, 云南 個(gè)舊市 661000;2．云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 云南 昆明 650201)

隨著深部資源開發(fā)利用,礦山面臨著高井深、高應(yīng)力、高水患、礦石圍巖松散破碎等開采難題。為達(dá)到安全高效回采資源的目的,根據(jù)礦體開采技術(shù)條件,在大屯錫礦高峰山、大箐生產(chǎn)區(qū)部分礦體選擇混凝土分層充填采礦法[1-3]進(jìn)行開采。目前,采用的是井下移動(dòng)式混凝土充填系統(tǒng)[4-5],將地表水泥、沙、碎石等材料運(yùn)輸?shù)骄鲁涮钪苽湔?或直接外購成品混凝土,攪拌后通過混凝土泵[6-7]泵送到采場(chǎng)進(jìn)行充填,移動(dòng)充填站的充填能力為100 m3/d(3．0萬m3/a),充填成本約400元/m3。充填能力低,充填半徑小,充填成本高。

為確保井下安全、低成本地生產(chǎn),在高峰山、大箐生產(chǎn)區(qū)設(shè)計(jì)建設(shè)井下混凝土充填制備系統(tǒng),以減少生產(chǎn)環(huán)節(jié),降低充填以及環(huán)保成本,有利于實(shí)現(xiàn)綠色礦山的建設(shè)。

1 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力

1．1 工作制度

按照礦山生產(chǎn)計(jì)劃安排,大箐、高峰山生產(chǎn)區(qū)充填采礦生產(chǎn)能力約為1000 t/d。工作制度每天3班,每班有效工作時(shí)間取8 h。充填系統(tǒng)充填能力驗(yàn)證按工作制度每天2班,每班有效工作時(shí)間取6 h計(jì)算。

1．2 充填系統(tǒng)日充填能力

日平均充填量:

式中,Qd為日平均充填量,m3/d;Ad為礦山充填法日產(chǎn)量,t/d;γk為礦石密度,t/m3;Z為采充比(m3/m3),取1．0;K1為充填體沉縮率,取1．1;K2為流失系數(shù),取1．02。

充填系統(tǒng)日充填能力:

Qr＝KQd＝1．3×328＝383．5 m3/d

式中,Qr為充填系統(tǒng)日充填能力,m3/d;K為充填作業(yè)不均衡系數(shù),取1．3。

經(jīng)計(jì)算,本次設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)日充填能力為400 m3/d(10萬m3/a)。

2 井下充填系統(tǒng)

充填系統(tǒng)主要由石碴給料線、水泥儲(chǔ)存給料線、補(bǔ)給水(調(diào)濃水)給料線及充填料漿制備與輸送系統(tǒng)等組成,其工藝流程見圖1,工藝設(shè)備連接見圖2。

2．1 混凝土制備[8-11]原料選擇

(1)充填骨料。根據(jù)礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)選擇井下廢石作為充填骨料來源,既可以解決充填料的來源問題,又解決了礦山廢石排放造成的環(huán)境污染和占用耕地的問題。石碴來源主要由高峰山38＃石碴井,井下產(chǎn)生的廢石由電機(jī)車運(yùn)輸下放至下部破碎篩分系統(tǒng)的溜井廢石倉,經(jīng)破碎篩分系統(tǒng)形成合格充填用砂石料,儲(chǔ)存于砂石倉。砂石倉底部設(shè)置有手動(dòng)插板閥和電子皮帶計(jì)量秤,砂石給料量由電子皮帶計(jì)量秤確定。

圖1 充填制備站工藝流程

(2)膠結(jié)材料。目前國內(nèi)使用的膠凝材料[7-8]有水泥、高水材料、赤泥、膠固粉、新型尾砂固結(jié)材料等,其他還有粉煤灰等輔助添加材料。本設(shè)計(jì)膠凝材料采用外購散裝水泥,水泥標(biāo)號(hào)425＃普通硅酸鹽水泥。選用水泥罐車經(jīng)1360 m無軌運(yùn)輸平臺(tái)通過吹灰管吹卸入散裝水泥倉中。水泥倉頂設(shè)置人行檢查孔、料位計(jì)及袋式收塵器,水泥倉底部設(shè)置有手動(dòng)插板閥及螺旋電子計(jì)量秤。充填時(shí)打開手動(dòng)插板閥,啟動(dòng)螺旋電子計(jì)量秤即可向攪拌機(jī)定量供給水泥,水泥給料量由螺旋電子計(jì)量秤確定。

(3)調(diào)濃水。調(diào)濃水采用坑內(nèi)水(經(jīng)檢測(cè),可滿足充填料制備要求),在充填制備站內(nèi)設(shè)置水倉(800 m3),配備2臺(tái)潛水泵(5．5 k W)從水倉集水池取水供生產(chǎn)使用。

(4)充填料配比及充填體強(qiáng)度。根據(jù)上述充填制備材料試驗(yàn)結(jié)果,充填料配合比為0．63∶1∶4．373∶2．891∶0．002;水灰比為0．63。每立方米用料量(kg)為水:170,水泥:270,砂:1180,石:780,減水劑:5．4。充填體的抗壓強(qiáng)度[9]不小于4 MPa,可滿足下向分層進(jìn)路回采的人工假頂強(qiáng)度要求。

圖2 井下充填制備站工藝設(shè)備連接

2．2 混凝土充填料制備和輸送[12-15]

經(jīng)破碎篩分系統(tǒng)制備的合格砂石、水泥及適量調(diào)濃水經(jīng)各自的給料線進(jìn)入進(jìn)料斗后供給JS1000強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,充填料經(jīng)連續(xù)攪拌均勻后制備成合格且流動(dòng)性良好的充填料漿,充填料漿最終進(jìn)入HBT8022C-5混凝土拖泵,并通過充填管道經(jīng)充填小井、充填聯(lián)絡(luò)道、1360無軌運(yùn)輸平巷及斜坡道泵送至生產(chǎn)區(qū)。

(1)輸送管徑選型。根據(jù)運(yùn)輸能力、料漿流速計(jì)算得出充填管道管徑為141 mm,設(shè)計(jì)選擇采用Φ150 mm耐磨無縫管。

(2)混凝土泵。設(shè)計(jì)擬采用2臺(tái)HBT8022C-5混凝土輸送泵串聯(lián)使用,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 HBT8022C－5混凝土輸送泵主要技術(shù)參數(shù)

(3)充填料輸送。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,單臺(tái)混凝土泵的最大水平輸送距離為3．14 km,然而泵送至大箐、高峰山生產(chǎn)區(qū)混凝土輸送管水平換算長(zhǎng)度為4．2 km。因此,充填料漿的輸送采用HBT8022C-5混凝土泵兩級(jí)泵送工藝,設(shè)計(jì)采用Φ150 mm充填管道經(jīng)充填小井、充填聯(lián)絡(luò)道、1360無軌運(yùn)輸平巷及斜坡道泵送至大箐、高峰山生產(chǎn)區(qū)。采場(chǎng)充填向上垂直泵送的高差在120 m范圍內(nèi),輸送管徑采用Φ150 mm的耐磨無縫鋼管,管道由法蘭盤連接。

(4)充填料計(jì)量。水泥倉下料量采用螺旋電子秤控制水泥的下料量。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的調(diào)速控制螺旋電子秤的轉(zhuǎn)速,保證水泥倉給料的穩(wěn)定。砂倉同時(shí)設(shè)置手動(dòng)插板閥,控制放砂量,放砂量以電子皮帶秤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2．3 輔助系統(tǒng)

(1)供排水系統(tǒng)。預(yù)測(cè)硐室涌水量為1306~4430 m3/d,硐室內(nèi)設(shè)置排水溝連接水倉(800 m3),配備2臺(tái)潛水泵(5．5 k W)供生產(chǎn)用水,配置3臺(tái)潛水泵(45 k W)將多余水量泵至1360有軌運(yùn)輸巷道通過水溝自流至排水巷。

(2)供電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)用電功率約1250 k W,供電電源為雙電源供電,由老廠35 k V變電站供給,經(jīng)中央豎井1800變電站通過中央豎井、1360平巷到達(dá)充填制備站,供電線路長(zhǎng)約6．0 km;1360主巷設(shè)置一個(gè)6 k V/0．4 k V變電硐室及0．4 k V配電線路,供井下充填制備站。二次配電電壓采用380 V,照明電壓采用220 V。

(3)通風(fēng)排塵系統(tǒng)。新鮮風(fēng)流由材料設(shè)備斜坡道進(jìn)入硐室,設(shè)置專用回風(fēng)井至1360中段,配置11 k W輔助扇風(fēng)機(jī),污風(fēng)經(jīng)硐室專用回風(fēng)井至上部回風(fēng)系統(tǒng)。攪拌、破碎設(shè)備水霧除塵后,粉塵采用K40-4NO．9(11 k W)輔助扇風(fēng)機(jī)抽至回風(fēng)井。

3 結(jié) 論

系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模為400 m3/d,可以滿足高峰山、大箐生產(chǎn)區(qū)1000 t/d的充填采礦需求,系統(tǒng)建設(shè)在1360高峰山生產(chǎn)區(qū)。充分利用井下已有工程和生產(chǎn)運(yùn)輸輔助系統(tǒng),項(xiàng)目投資4006．7萬元。

設(shè)計(jì)充填成本約355元/m3,礦山現(xiàn)充填成本約400元/m3,節(jié)約充填成本45元/m3。利用井下生產(chǎn)的廢石破碎作混凝土粗骨料,每天處理量約800 t,廢石不出坑,節(jié)省了石渣運(yùn)輸費(fèi)用約24元/m3,減輕基礎(chǔ)平臺(tái)的運(yùn)輸、環(huán)保、安全壓力,減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié),降低了廢石運(yùn)輸、充填以及環(huán)保成本,保障了職工的身心健康。

項(xiàng)目有效地解決了現(xiàn)有充填系統(tǒng)采充失衡、充填成本高等問題,為安全、高效開發(fā)利用深部資源創(chuàng)造了條件。