拉拉銅礦充填系統設計研究與實踐

鄧 良， 陳發興， 梁仕義， 馮 寅

(昆明有色冶金設計研究院股份公司， 云南 昆明 650051)

1 前言

拉拉銅礦落凼礦區位于四川省會理縣綠水鄉，礦區具有多年開采歷史，淺部采用露天開采，露天采場目前已開采至1 962m標高，設計終止邊界最低標高為1 890m，即將轉入地下開采。礦體呈似層狀、透鏡狀、疊瓦式產出，Cu平均品位0.78%～1.36%，礦體賦存在黑云石英片巖與石英鈉長巖的接觸處或這些巖石交替頻繁的部位，含礦巖石為黑云片巖、白云石英(鈉長)片巖及(磁鐵)石英鈉長巖，礦圍巖較穩固，抗壓強度50～90 MPa[1]。

2 充填工藝

2.1 充填工藝選擇

充填工藝的選擇將決定礦山充填系統投資和生產中的運行成本，是充填系統設計的關鍵所在。目前國內礦山應用最廣泛的是分級尾砂高濃度充填和全尾砂膠結充填，分級尾砂由于尾砂顆粒較粗，脫水速度快，具備水泥消耗少、充填成本低的優點，但由于將細粒級尾砂排放至尾礦庫，增加了尾礦庫的壓力；全尾砂膠結充填解決了細尾砂處理困難的問題，但由于全尾砂中細顆粒多，充入井下脫水困難，即使嗣后充填采空區，為促進充填料漿脫水及防止充填體液化，也需要在充填料漿中加入3%～5%的水泥，從而大幅增加充填成本。充填工藝選擇需結合礦山實際情況，根據礦體賦存條件選擇合適的采礦方法和充填工藝。

拉拉銅礦落凼礦區深部開采規模為4 000t/d，采礦方法為分段空場嗣后充填法、房柱法、點柱式上向水平分層充填法。其中分段空場嗣后充填法比例約占66%、房柱法(嗣后充填)約占4%、點柱式上向水平分層充填法約占30%。

根據采礦工藝需要，點柱式上向水平分層充填法分層回采高度3.3m，分層回采完畢后先進行廢石或非膠結充填，充填高度2.8m，然后再用膠結充填料鋪面0.5m；分段空場嗣后充填法及房柱法均采用廢石或者非膠結充填即可，整個地下充填以非膠結充填為主，約占95%，膠結充填僅占5%。

充填選用選廠尾砂及PO42.5級水泥，選廠尾砂主要物理性質見表1，粒級組成見表2。

表1 尾砂物理性質

表2 全尾砂粒級分布

1—電磁流量計； 2—γ濃度計； 3—電動調節閥； 4—料位計圖1 分級尾砂充填工藝流程圖

擬選充填工藝為分級尾砂高濃度充填方案及全尾砂膠結充填方案，滲透試驗結果表明，+25μm的分級尾砂滲透系數為8.26cm/h，滿足充填工藝的滲透脫水要求，空場嗣后充填采用分級尾砂即可；全尾砂滲透系數僅為0.85cm/h，嗣后充填脫水困難，充填時需考慮添加3%～5%的水泥以促進尾砂固結、泌水。若以每立方充填體脫水后干料重量1.93t考慮，按照3%的水泥添加量，每立方充填體需要添加水泥57.9kg，按照水泥到充填站價格500元/t計算，每立方充填體需要增加水泥成本約28.95元，折算到每噸礦石則需要增加9.46元/t的充填成本，礦山規模132萬t/a，年需增加上千萬的成本，這對礦山的效益影響是巨大的，因此充填方案宜選擇采用分級尾砂充填方案。

2.2 充填工藝流程

選廠尾砂排放濃度約24%，經渣漿泵送至充填制備站，通過旋流器分級后底流(以粒度+20μm為主)自流到立式砂倉儲存，旋流器溢流通過渣漿泵送至尾礦濃密機，再通過水隔泵送至尾礦庫堆存；分級尾砂充填時，立式砂倉采用氣水聯動造漿，放出Cw=68%～70%的尾礦漿，自流進入井下充填采空區；膠結充填需要添加水泥，灰砂比1∶4～1∶6，料漿濃度Cw=70%～72%，水泥通過微粉稱按比例輸送至攪拌桶內，攪拌均勻后自流至井下充填。

充填工藝如圖1所示。

3 充填計算

充填計算包括充填系統能力及充填平衡計算，具體計算內容包括日平均充填量、年平均充填量、系統充填能力、年尾砂消耗量、水泥消耗量等。通過充填計算，可以確定充填系統的主要設計參數及主要充填材料消耗[2]。

1) 日平均充填量

Qd=ZK1K2Ad/γk

(1)

式中：Qd——日平均充填量，m3/d；

Ad——礦山充填法日產量，m3/d；

γk——礦石密度，t/m3；

Z——采充比，取Z=1；

K1——流失系數，取K1=1.03；

K2——沉縮比，取K2=1.15。

2) 年平均充填量

QA=TQd

(2)

式中：QA——年平均充填量，m3/d；

T——礦山年工作天數，d/a。

3) 日充填能力

Qr=KQd

(3)

式中：Qr——日充填能力，m3/d；

K——充填作業不均衡系數，宜取1.2～1.5，連續充填時取較小值，以分層充填法為主的礦山取較大值。

拉拉銅礦充填系統能力計算見表3。

表3 充填系統能力計算

4) 干物料密度

(4)

式中：γc——水泥密度，t/m3；

γs——尾砂密度，t/m3；

n——灰砂比。

5) 料漿密度

(5)

式中：δs——干物料密度；

Cw——料漿質量濃度，%。

6) 1m3料漿中水泥質量

(6)

7) 1m3料漿中尾砂質量

(7)

拉拉銅礦充填材料消耗計算見表4。

表4 充填材料消耗計算表

4 充填站選址

現場可供選擇的充填站址有兩個，站址1位于礦區南側，露天境界外，場地標高2 095.5m，充填線路沿著東部回風斜井從1 880m水平進入回采區域，充填東部各個采場，充填線路長度1 344.75～1 911.25m，1 880m標高最大充填倍線8.59，1 840m標高以下倍線<6，1 840m標高以上采場均需要采用充填泵加壓輸送；西區充填線路分兩路，一路由東區1 880m水平向西區連接，充填1 880以下區域；一路由地表向西區輸送，充填1 880以上區域，充填線路長度1 621.95～2 376.45m，倍線為8～14.29，各水平均需加壓輸送。該充填站站址距離東部回風斜井較近，便于充填管道下井，但管路迂回折返，充填線路長，充填倍線大，輸送風險高。

站址2位于礦區北部小露天東側平臺，標高+2 095.00m，東區充填管沿著露天臺階向下鋪設至2 034m標高，再通過鉆孔下放至1 880m水平，東區進風上山鋪設至各充填水平，充填管線長度677～1 373m，倍線3.34～6.21，東部采區可自流輸送；西區充填管在充填站直接打鉆孔下放至斜坡道1 952.5m標高，再沿斜坡道鋪設至西區進風上山，通過進風上山鋪設至各水平，倍線3.61～6.17。西區各水平倍線滿足自流輸送要求，但由于西區斜坡道岔口最高標高為1 915m，1 915m以上水平需要向上爬坡，充填料漿原則上不允許向上自流輸送，因此礦山后期對西區1 915m標高以上采空區充填時，需要增加渣漿泵泵送充填。

站址2緊靠東西兩個采區，充填線路短，便于充填料漿輸送。自流輸送基本全覆蓋，僅僅1 915m標高以上少量礦體泵送，該站址具有明顯優勢，因此選擇站址2。

5 充填制備系統

充填系統設置2個系統，單個系統充填能力100～150m3/h，正常情況下一用一備，充填作業密集時可兩個系統同時工作。充填制備系統主要設施包括分級加壓系統、立式砂倉、攪拌站、控制系統。

分級加壓系統包括分級進料輸送泵、分級溢流輸送泵以及旋流器。分級進料一級泵流量630m3/h，揚程80m，電機功率247kW；二級泵流量30m3/h，揚程66m，電機功率230kW；旋流器φ250mm，數量16臺，12用4備；溢流輸送泵流量545～630m3/h，揚程63～72m，電機功率185kW，變頻調速。

立式砂倉直徑9m，單個容積1 000m3，設兩個，采用混凝土基礎+鋼筒倉設置；攪拌站設有兩個200m3水泥鋼倉，采用微粉稱給料，微粉稱規格φ400mm，功率2×5.5+1.5kW，攪拌桶規格φ3 000mm×3 000mm,電機功率110kW,可變頻調速。

控制系統采用DCS集散控制系統集中控制系統。系統分為2層，第一層為監控管理東區層，第二層為控制層，監控管理層和控制層通過控制器高速交換數據。監控管理層通過儀器儀表監控系統數據，進行顯示、記錄、數據分析、數據處理等；控制層采用現場總線分布式控制系統，控制器與各分布式I/O站進行通訊。現場開關信號﹑報警信號﹑聯鎖信號﹑模擬信號等接入就近遠程I/O站，對生產過程的工藝參數進行檢測和控制；對整個生產流程的電氣設備進行自動開/停車，對設備進行控制和聯鎖；對生產過程中各設備運行狀態進行監視，例如充管道流量、濃度檢測，砂倉、水泥倉料位檢測，水泥添加量檢測等。

6 充填料漿輸送

拉拉銅礦深部礦體充填以自流輸送為主，充填倍線計算見表5。

表5 充填倍線計算表

自流輸送管道面臨最大的挑戰是管道磨損，因此充填管道一般選擇耐磨管，常規的耐磨管道主要有陶瓷管、襯膠管、雙金屬復合管等，陶瓷管耐磨性能好、價格較為便宜，但耐沖擊性能差，內襯耐磨層容易脫落；襯膠管價格適中，耐磨性能較好，管道采用法蘭連接，不能切割與焊接，拆裝不方便，管道使用靈活性差；雙金屬復合管一般價格稍貴，但耐磨性好、可采用快速接頭連接，安裝方便。本次設計采用雙金屬復合管作為充填管。

充填管管徑選擇一般先通過合理的管道流速試算，再進行臨界流速和水力坡度驗算。本項目設計充填能力120～150m3/h，按照管道設計流速2.5～5m/s初步選擇了三種規格的管道，選擇參數見表6。

表6 充填管道初步選型

分級尾砂充填料漿為非均值充填料漿，影響料漿臨界流速的因素錯綜復雜，目前尚無公認的公式，本次設計采用B.C.科諾羅茲公式進行臨界流速驗證，該公式計算的臨界流速一般比實際情況偏大，相對比較可靠。

1) 科諾羅茲公式為[3]

(8)

式中：Vk——臨界流速，m/s；

C′w——質量稠度；

Dk——管徑，m；

β——混合液流速校正系數。

(9)

式中：γ、γs——分別為清水和固體的密度，當γs/γ≤2.7時，不乘此系數。

初選三種管道運行時臨界流速均滿足要求，計算結果見表7。

表7 充填管臨界流速

充填料漿的水力坡度計算公式很多，但都是在各種具體條件下獲得的經驗公式，計算值往往有很大差別，本次設計采用金川公式和布金漢方程。

2) 金川公式為[4]

(10)

式中：i——砂漿水力坡度，104Pa/m；

i0——清水水力坡度，104Pa/m；

Cw——砂漿體積濃度，%；

g——重力加速度，m/s2；

γs——干料平均體重，t/m3；

D——管道內徑，m；

Cx——沉降阻力系數。

(11)

式中：dp——固體顆粒的平均粒徑，cm；

w——固體顆粒的平均沉降速度，cm/s。

采用金川公式計算三種規格管徑的管道阻力及可適應的輸送倍線見表8。

表8 金川公式充填水力坡度計算表

3) 布金漢方程為[5]

(12)

式中：i——砂漿水力坡度，kPa/m；

τ0——剪切應力，Pa；

η——塑性粘度，Pa·s；

D——管道直徑，m；

其中τ0和η通過實充填試驗得出，采用布金漢方程計算三種規格管徑的管道阻力及可適應的輸送倍線見表9。

表9 結構流經驗公式水力坡度計算表

以上計算過程表明，初步選型的三種充填管道中φ140mm×(8+8)mm，φ133mm×(8+8)mm兩種管道水力坡度大，對應的充填倍線范圍為2.88～4.24，無法適應礦山實際充填倍線3.34～6.21，而采用φ159mm×(8+8)mm的充填管道，對應的充填倍線為7.64～8.69，滿足礦山實際運行需要。

7 技術經濟指標

系統主要技術經濟指標見表10。

表10 充填系統技術經濟指標表

8 結論

拉拉銅礦落凼礦段井下充填采用分級尾砂高濃度膠結充填工藝，自流輸送。該充工藝技術成熟可靠、水泥消耗少、充填成本低，綜合效益好，可供類似礦山參考借鑒。