某礦充填輸送系統(tǒng)改造方案研究

賀茂坤， 王懷勇， 付建勛

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著充填工藝的發(fā)展，各類(lèi)充填方式相繼涌現(xiàn)，如廢石充填、塊石膠結(jié)充填、分級(jí)尾砂和碎石水力充填、以天然砂為充填骨料的細(xì)砂膠結(jié)充填、高濃度全尾砂膠結(jié)充填、高水速凝固化充填、膏體泵送充填等充填技術(shù)在國(guó)內(nèi)外礦山得到越來(lái)越廣泛的使用。充填基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用水平日益提高，充填輸送系統(tǒng)也從原來(lái)的人工、機(jī)械搬運(yùn)廢石，發(fā)展到水力輸送、加壓泵送，盡管輸送工藝越來(lái)越復(fù)雜，但效率越來(lái)越高，也能適應(yīng)各類(lèi)復(fù)雜輸送工況。

漿體輸送方式多種多樣，依據(jù)其輸送是否借助外力，可分為自流輸送和加壓泵輸送技術(shù)。自流輸送依靠漿體自重克服管道阻力，進(jìn)行輸送，具有工藝簡(jiǎn)單，輸送成本低的特點(diǎn)，但是對(duì)輸送距離和輸送濃度有限制。在輸送倍線(xiàn)較大、輸送高濃度或膏體充填料的礦山，自流輸送可能滿(mǎn)足不了現(xiàn)場(chǎng)工況要求，采用充填泵加壓輸送成為一個(gè)研究方向[1]。

2 礦山充填輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 充填系統(tǒng)

某礦采用充填采礦法，地表建設(shè)2套100m3/h的充填料漿制備系統(tǒng)，均可實(shí)現(xiàn)膠結(jié)和非膠結(jié)充填料漿制備，且全部自流輸送。充填工藝為選廠分級(jí)后的尾砂用砂泵輸送至立式砂倉(cāng)儲(chǔ)存、濃縮。需要制備充填料漿充填采空區(qū)時(shí)，打開(kāi)倉(cāng)底的放砂閥門(mén)，造漿活化后的砂漿自流輸送至攪拌槽，需要膠結(jié)充填時(shí)，按一定配比將水泥送入攪拌槽內(nèi)，然后通過(guò)高濃度攪拌槽高速攪拌均勻，并按濃度配比要求添加定量的水，攪拌均勻后通過(guò)充填鉆孔自流輸送至井下各中段采空區(qū)進(jìn)行充填，充填料漿質(zhì)量濃度為70%左右[2]。

2.2 輸送系統(tǒng)

充填系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái)均為自流輸送，現(xiàn)坑內(nèi)充填系統(tǒng)共設(shè)3個(gè)充填鉆孔，2用1備，鉆孔從地表到0m和-50m中段；0m和-50m中段分別有聯(lián)絡(luò)巷與鉆孔貫通，可服務(wù)-50m和-100m中段各采空區(qū)。充填主干管路為DN125的陶瓷復(fù)合管路，采場(chǎng)分支管采用DN100礦用樹(shù)脂管。

由于Ⅳ號(hào)礦體-50m中段已基本回采結(jié)束，采空區(qū)已進(jìn)行非膠結(jié)充填；Ⅱ號(hào)礦體北部正在回采-100m中段，回采礦房(采空區(qū))進(jìn)行了膠結(jié)充填，部分礦柱(采空區(qū))進(jìn)行了非膠結(jié)充填。Ⅱ號(hào)礦體南部-100m中段形成的采空區(qū)因充填料漿自流輸送無(wú)法到達(dá)，沒(méi)有進(jìn)行充填，也僅回采了部分礦房；經(jīng)核算，自流輸送不能到達(dá)的采空區(qū)區(qū)域充填倍線(xiàn)大于7。各中段采空區(qū)充填倍線(xiàn)計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 各中段充填倍線(xiàn)表

從表1中可以看出，Ⅳ號(hào)礦體50m中段及以上的充填倍線(xiàn)大部分大于7，Ⅱ號(hào)礦體南部-150m中段以上充填倍線(xiàn)均大于7。經(jīng)過(guò)按分中段、分區(qū)采空區(qū)可采資源量統(tǒng)計(jì)，充填加壓輸送的采空區(qū)占到整體采空區(qū)的55%。如果不能對(duì)需要加壓輸送的采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行充填，就無(wú)法達(dá)到采充平衡，就不能完成生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)也會(huì)給地下開(kāi)采的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

綜上所述，根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，要達(dá)到現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模和保障地下開(kāi)采的可持續(xù)性，需要對(duì)現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行必要改造，增加泵送加壓輸送設(shè)施，實(shí)現(xiàn)地下開(kāi)采空區(qū)充填料漿的加壓輸送，以解決不能進(jìn)行自流輸送充填采空區(qū)的充填需要。

3 輸送方案研究

3.1 輸送方案

根據(jù)礦體賦存條件、礦山生產(chǎn)情況、現(xiàn)狀地形條件、地下開(kāi)采生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃和充填料漿制備站的位置，研究提出了4個(gè)充填加壓輸送方案進(jìn)行比選。

1) 方案Ⅰ：充填泵、充填干管全布置在地表

在現(xiàn)有地表充填料漿制備站內(nèi)進(jìn)行改造，將充填泵設(shè)在現(xiàn)有充填料漿制備站內(nèi)，充填干管出充填料漿制備站后經(jīng)露天邊幫臺(tái)階，穿越Ⅳ號(hào)礦體上部，到達(dá)Ⅱ號(hào)礦體南部附近后，經(jīng)平硐、充填鉆孔下到坑內(nèi)-50m中段。前期主要服務(wù)于Ⅱ號(hào)礦體南部采空區(qū)，新增2個(gè)充填鉆孔，地表增加一條長(zhǎng)約250m的平硐和一個(gè)鉆孔硐室，坑內(nèi)-50m中段新增78m鉆孔聯(lián)絡(luò)道。后期在IV號(hào)礦體附近從地表新增2個(gè)充填鉆孔至50m中段水平，服務(wù)于Ⅳ號(hào)礦體0m中段采空區(qū)。方案Ⅰ示意圖如圖1所示。

2) 方案Ⅱ：充填泵布置地表、充填干管部分布置地表

在現(xiàn)有地表充填料漿制備站內(nèi)進(jìn)行改造，將充填泵設(shè)在現(xiàn)有充填料漿制備站內(nèi)，充填干管出充填料漿制備站后經(jīng)露天到幫臺(tái)階到達(dá)Ⅳ號(hào)礦體附近，沿新增鉆孔下放至-50m中段水平，再沿已有-50m中段巷道到達(dá)Ⅱ號(hào)礦體南部。本方案共新增2個(gè)充填鉆孔，總長(zhǎng)為410m，可服務(wù)于IV號(hào)礦體和II號(hào)南部采空區(qū)，另外需增加50m鉆孔聯(lián)絡(luò)道。方案Ⅱ示意圖如圖2所示。

圖1 方案Ⅰ示意圖

圖2 方案Ⅱ示意圖

3) 方案Ⅲ：充填泵、充填干管全布置在坑內(nèi)

現(xiàn)有地表充填料漿制備站不用改造，在-50m中段北進(jìn)風(fēng)管纜井石門(mén)附近新建坑內(nèi)充填加壓泵站。地表充填料漿制備站的充填料漿經(jīng)現(xiàn)有充填鉆孔自流輸送至-50m中段后，再經(jīng)新增坑內(nèi)充填加壓泵站加壓輸送，沿-50m中段巷道到達(dá)Ⅱ號(hào)礦體南部，再經(jīng)敷設(shè)于Ⅱ號(hào)礦體和Ⅳ號(hào)礦體附近的充填分支管到達(dá)各采空區(qū)，可服務(wù)于Ⅱ號(hào)礦體和Ⅳ號(hào)礦體需加壓充填的采空區(qū)。該方案坑內(nèi)需增加1個(gè)充填硐室和相應(yīng)的配套設(shè)施，不增加充填鉆孔。方案Ⅲ示意圖如圖3所示。

圖3 方案Ⅲ示意圖

4) 方案Ⅳ：為分期建設(shè)方案

前期，在-50m中段Ⅱ號(hào)礦體北部與南部交接處新建坑內(nèi)充填加壓泵站，現(xiàn)有地表充填料漿制備站不用改造。充填料漿制備站制備合格的充填料漿經(jīng)現(xiàn)有的充填鉆孔自流輸送至-50m中段后，經(jīng)新建充填加壓泵站加壓輸送，沿-50m中段巷道到達(dá)Ⅱ號(hào)礦體南部采空區(qū)。

后期，在地表新建一個(gè)小型加壓泵站。充填料漿出充填料漿制備站后，經(jīng)新建的加壓泵站加壓后，經(jīng)露天到幫臺(tái)階新敷設(shè)的充填主干管到達(dá)Ⅳ號(hào)礦體附近，再經(jīng)新增2個(gè)充填鉆孔到達(dá)-50m水平，為Ⅳ號(hào)礦體0m中段及以上采空區(qū)實(shí)施充填。需新增30m充填聯(lián)絡(luò)道。方案Ⅳ示意圖如圖4所示。

圖4 方案Ⅳ示意圖

3.2 方案研究

依據(jù)各方案的可比投資以及因加壓泵站、充填管線(xiàn)、聯(lián)絡(luò)道等不同布置產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等，進(jìn)行了4個(gè)方案可比部分的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 充填加壓輸送方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表(可比部分)

方案Ⅰ的特點(diǎn)是新增聯(lián)絡(luò)巷道最長(zhǎng)，投資偏大，但是運(yùn)行費(fèi)用最省，費(fèi)用現(xiàn)值略高于方案Ⅱ。

方案Ⅱ的特點(diǎn)是充填鉆孔和聯(lián)絡(luò)巷道均較少，投資最少，但是運(yùn)行費(fèi)用高于方案Ⅰ，費(fèi)用現(xiàn)值最低。

方案Ⅲ的特點(diǎn)是充填-50m以上采空區(qū)時(shí)，充填料漿在充填管內(nèi)呈U形輸送，反坡輸送的高度最大，所需輸送壓力和功耗均最大，造成配套充填泵的規(guī)格較大，運(yùn)營(yíng)成本最高，費(fèi)用現(xiàn)值第二高。

方案Ⅳ的特點(diǎn)是前后期分開(kāi)建設(shè)充填泵和管路，投資較大，雖然前期敷設(shè)管路短，運(yùn)營(yíng)成本低，但充填-50m以上采空區(qū)時(shí)，充填料漿也存在反坡輸送的問(wèn)題，初始投資雖然小于方案Ⅲ，但后期需再投入一套加壓輸送系統(tǒng)，故該方案費(fèi)用現(xiàn)值最高。

結(jié)合上述各充填加壓輸送方案的建設(shè)、使用、維護(hù)等綜合比較，其優(yōu)缺點(diǎn)分析結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 充填加壓輸送方案優(yōu)缺點(diǎn)分析表

綜上所述，根據(jù)各方案的費(fèi)用現(xiàn)值和優(yōu)缺點(diǎn)分析，從費(fèi)用現(xiàn)值看，方案Ⅱ最優(yōu)，方案Ⅰ次之。方案Ⅱ在為Ⅱ號(hào)礦體南部-50m中段采場(chǎng)加壓充填時(shí)存在反坡輸送，充填后沖洗管路不如方案Ⅰ好。方案Ⅰ主管路布置在地表，為Ⅱ礦帶南部-50m中段采場(chǎng)加壓充填時(shí)不存在反坡輸送，管路維護(hù)較方便。考慮到其主要設(shè)備、管路均在地表，管路建設(shè)周期短，管理、維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，這在沒(méi)有備用加壓輸送系統(tǒng)的條件下，更符合礦山對(duì)充填加壓系統(tǒng)的需求[3]。因此，通過(guò)研究推薦采用方案Ⅰ，即充填泵、充填干管全布置在地表方案。

4 輸送方案改造

經(jīng)計(jì)算，地下開(kāi)采需要加壓輸送進(jìn)行充填的采空區(qū)約占55%，即單套充填加壓系統(tǒng)可以滿(mǎn)足其日均充填的需要，同時(shí)，考慮到單套完成日均充填要求的時(shí)間在10h內(nèi)，且2套充填系統(tǒng)也可適時(shí)調(diào)節(jié)。所以，本次設(shè)計(jì)僅對(duì)現(xiàn)2套充填系統(tǒng)中的其中1套進(jìn)行改造。新增充填加壓系統(tǒng)充填主管經(jīng)露天采場(chǎng)到幫臺(tái)階，穿過(guò)Ⅳ號(hào)礦體上部，到達(dá)Ⅱ號(hào)礦體南部附近，再經(jīng)平硐、充填鉆孔下到坑內(nèi)-50m中段。前期主要服務(wù)于Ⅱ號(hào)礦體南部，共新增2個(gè)充填鉆孔，坑內(nèi)-50m中段新增350m鉆孔聯(lián)絡(luò)道；后期(第5年后投入使用)從地表新增2個(gè)充填鉆孔至50m中段的Ⅳ號(hào)礦體附近，主要服務(wù)于Ⅳ號(hào)礦體，坑內(nèi)增加30m充填鉆孔聯(lián)絡(luò)道。

從表1中可以看出，Ⅳ號(hào)礦體100m及以上中段充填倍線(xiàn)達(dá)到29.0～58.5；Ⅱ號(hào)礦體南部50m中段充填倍線(xiàn)達(dá)到20.4～26.4。由于2個(gè)礦體采空區(qū)充填料漿的輸送條件不完全一樣，設(shè)計(jì)分別按兩個(gè)礦體所需最大加壓輸送條件進(jìn)行充填泵出口壓力計(jì)算[4]。

綜合考慮選擇充填泵的出口工作壓力為6MPa，由于充填料漿制備站每套系統(tǒng)的能力各為100m3/h，則配套充填泵的輸送能力也為100m3/h，泵配套的電機(jī)選擇250kW。即改造現(xiàn)有充填系統(tǒng)需增加1臺(tái)充填泵，進(jìn)行坑采充填加壓輸送。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝銜接，充填加壓泵如圖5所示。

圖5 充填加壓泵

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填料漿的濃度、配比以及管線(xiàn)布置，倍線(xiàn)7為自流輸送和加壓輸送的臨界點(diǎn)。

(2) 結(jié)合充填站的布置和現(xiàn)場(chǎng)使用要求，研究改造一套充填系統(tǒng)為加壓輸送系統(tǒng)，既滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)使用要求，又最大程度節(jié)約了建設(shè)投資。

(3) 根據(jù)充填鉆孔的位置，加壓輸送泵站的設(shè)置，充填巷道的位置，共研究了4個(gè)充填加壓輸送改造方案，并根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，推薦了最優(yōu)方案。

(4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加壓輸送要求，計(jì)算確定了充填泵的工藝參數(shù)，投入生產(chǎn)后，使用效果良好。

(5) 該礦充填站加壓輸送系統(tǒng)成功改造，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)尾砂膠結(jié)加壓輸送，確保礦山完成生產(chǎn)任務(wù)，為生產(chǎn)安全提供了保障。