某金礦充填系統的設計方案與研究

王玉玨 唐 碩 賓 峰 羅德生

（1.飛翼股份有限公司；2.湖南寶山有色金屬礦業有限公司）

某金礦位于山東省境內，地表平坦，海拔10～20 m，為地下開采礦山，生產能力為12 000 t/d，-1 400 m標高以上礦體走向較長，厚度較大，富礦段較為集中，礦石品位高。為盡可能提高井下出礦能力，采用分區開采，即-1 200 m 水平以上為上部采區，-1 200 m至-1 400 m水平為下部采區。

1 采礦方法

水平厚度大于40 m 的礦體，采用垂直走向布置的分段充填采礦法；對于礦石和圍巖中等穩固，水平厚度大于10 m 小于40 m 的礦體，采用垂直走向布置上向水平分層充填采礦法；對于礦石和圍巖較穩固，水平礦體厚度10 m 以下，采用沿走向布置上向水平分層充填采礦方法，對于少量礦巖破碎礦體采用上向進路充填法開采。

1.1 分段充填采礦法

盤區沿礦體走向布置，長100～120 m，寬度為礦體厚度，分段高度20 m。每個盤區內劃分礦房、礦柱進行兩步驟回采。礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，寬度均為10～12 m，長度為礦體水平厚度。先采一步驟礦房，后采二步驟礦柱，礦房采用膠結充填，礦柱采用非膠結充填。盤區之間不留間柱。

1.2 垂直走向上向水平分層膠結充填法

盤區垂直走向布置，長100 m，寬度為礦體厚度，分段高度20 m，每條分段巷道承擔6～7 個分層的回采工作，采場第一個分層控頂高度4.5 m，采完后充填3 m，留有1.5 m 作為下步分層回采的爆破補償空間。每個盤區內劃分礦房、礦柱進行兩步驟回采。礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，寬度均為10 m，長度為礦體厚度。先采一步驟礦房，后采二步驟礦柱，礦房采用膠結充填，礦柱采用非膠結充填。礦房回采比礦柱回采超前20 m 以上，直至接頂上中段。盤區之間不留間柱。

1.3 沿走向布置上向水平分層充填法

礦塊沿走向布置，長50 m，寬為礦體水平厚度，其中礦房長44 m，間柱6 m，回采時不留頂底柱。每分層回采3 m高，每條分段巷道承擔6～7個分層的回采，分段高為20 m。

2 充填系統設計研究

2.1 充填材料

根據尾砂試驗結果（表1）和尾砂粒度組成累積分布曲線（圖1），全尾砂粒級細粒度含量稍多，但總體分布較均勻，根據強度試驗結果，其具備充填體強度要求的骨料條件。

為減少尾礦在地表的排放量和降低充填成本，結合礦山實際，設計采用全尾砂為最合適的充填骨料。充填膠凝材料采用P.C42.5級復合硅酸鹽水泥。

2.2 充填材料配比

經過現場的調查取樣，完成了尾砂單軸抗壓強度配比試驗，試驗結果見表2。

由表2可得：灰砂比1∶20滿足28 d強度0.5 MPa，灰砂比1∶10滿足28 d強度2 MPa以上，灰砂比1∶4滿足28 d強度5 MPa。

2.3 充填材料用量

1 m3膏體材料消耗見表3，充填料配比單耗見表4。

2.4 充填系統能力及工作制度

充填系統的工作制度為年工作300 d，2 班/d，8 h/班（純充填時間為6 h/班），1 d充填時間為12 h。

（1）年平均采空區體積。結合礦方指標要求，按照出礦量12 000 t/d計算，則日平均充填采空區體積為

式中，Vd為日平均充填采空區體積，3 913 m3/d；MK為充填法回采的礦石日產量，12 000 t/d；Z為充采比，取0.9；γK為礦石密度，2.76 t/m3。

計算得出Vd=3 913 m3/d。

日最大充填料漿需用量Qd

式中，Vd為日平均充填采空區體積，3 913 m3/d；k1為流失系數，取k1=1.05；k2為沉縮比，取k2=1.05；k3為充填不均衡系數，取k3=1.2。

計算得出Qd=5 176 m3。

（2）充填能力選擇。

式中，Qh為充填系統計算能力；T為日平均有效充填時間，取12 h。

計算得出Q=431 m3/h。

（3）設計充填能力。遵循可靠、先進、積極、穩妥的原則，考慮一定的設計富裕，本次充填系統設計能力為450 m3/h。由于充填系統能力較大，考慮到系統的穩定性，設計4套150 m3/h的充填攪拌系統，用三備一。

2.5 充填系統工藝流程

選廠全尾砂漿通過渣漿泵輸送至充填站內的深錐濃密機中，通過絮凝劑制備添加系統向深錐濃密機中加入適量的絮凝劑，加速礦漿的沉降，同時降低溢流水含固量。經深錐濃密機處理后的尾砂料漿通過底流循環輸送系統送至立式攪拌桶中；調濃沖洗水通過水泵供給，計量后輸送至攪拌桶中［1］；水泥通過散裝罐車輸送至筒倉內存儲，筒倉設置料位計，底部通過螺旋輸送機、微粉秤進行輸送計量后卸料至攪拌桶中；經深錐濃密機處理后的尾砂料漿、水泥和水通過立式攪拌桶進行充分攪拌制備成充填膏體。充填采空區時，攪拌后料漿通過充填鉆孔自流輸送至井下充填區域進行充填［2］。充填工藝流程圖如圖2 所示。

2.6 尾砂濃密系統

濃密機選型最主要參數為濃密機直徑和單位面積處理能力。濃密機單位面積處理能力與尾砂性質、藥劑制度、設備自身性能及操作水平等因素有關。濃密機直徑選小值，設備投資較小，則要求單位面積處理能力大，藥劑添加量較大，運營成本增加，且易于出現溢流跑渾現象。濃密機直徑選大值，設備投資增加，單位面積處理能力要求小，在保證溢流濃度滿足要求的前提下，可減少藥劑添加量，從而降低運營成本［3］。

根據尾砂濃密試驗報告，適合本項目全尾砂單位面積處理量為0.41～1.06 t（/m2·h），設計取0.5 t/（m2·h），根據需要處理的全尾砂最大量為250 t/h（6 000 t/d），計算得濃密機面積不小于500 m2，即深錐濃密機直徑不小于17.84 m，考慮一定的富裕系數，設計2 臺直徑18 m 的深錐濃密機，邊墻高度設計10 m，滿足濃密及儲料要求，同時配備2 套FPP4000 型絮凝劑制備添加系統。

2.7 水泥儲存及輸送系統

根據表4 采場充填料漿配比及單耗表，每天需要水泥631.8 t，充填站設計水泥倉4 座，單個水泥倉設計有效容積為150 m（3200 t），見表5，可滿足1.27 d 水泥耗量。散裝水泥由散裝水泥罐車運至充填站后，通過吹灰管吹卸入散裝水泥倉中。水泥倉頂設置人行檢查孔、雷達料位計、袋式振動除塵機、安全閥等。

水泥采用微粉秤+螺旋輸送機計量給料至攪拌桶。按最大灰砂比1∶4 計算，要求設備給料能力為37.3 t/h。一座水泥筒倉配置1臺TSFII300-3000型微粉秤和1 臺GLS300 型螺旋輸送機，設備給料能力為0～50 t/h。微粉秤帶變頻調速裝置，可根據需要調節給料量。

2.8 充填攪拌制備系統

深錐濃密機放出的尾砂漿與水泥倉放出的膠凝材料需通過攪拌系統充分攪拌形成膠結料漿，因此料漿攪拌是充填制備系統的關鍵環節之一。國內當前充填攪拌系統包括臥式攪拌機和立式攪拌桶2 種形式。前者一般采用雙軸葉片攪拌機+雙軸螺旋攪拌機，或雙軸螺旋攪拌機+高頻活化機2種配置，對于粗骨料、多骨料混合漿體或膠結性能較差的骨料攪拌效果較好；后者適合于細骨料或骨料單一且不易分層離析的漿體攪拌。

本次設計充填系統充填骨料為細粒徑全尾砂，因此，確定采用立式攪拌桶進行全尾砂膏體充填料漿的攪拌制備［4］。充填料漿管道輸送性能和充填效果與攪拌質量密切相關，必須保證各物料在攪拌系統內有充分的攪拌時間（3～6 min）。

充填廠房內設4 套攪拌系統，用三備一。1 臺深錐濃密機通過2 條獨立管路與1 個攪拌桶連接。設計攪拌桶規格為φ2 500mm×2 500 mm，電機功率為55 kW。有效容積為11.2 m3，根據單個攪拌桶攪拌能力（150 m3/h）要求，料漿在攪拌桶內的最大停留時間為4.48 min，完全滿足攪拌質量要求。

2.9 充填料漿輸送系統

2.9.1 充填倍線計算

由于礦山為深井開采，充填備線完全滿足輸送要求，但是充填備線過小，管路充填壓力過大，礦山開采首次充填中段為-1 000 m 中段，設計在井下-350，-700 m 位置設置減壓設施。-1 000 m 中段充填備線計算如下。

式中，N為充填倍線；L為充填管路總長度，1 600 m；H為管道出口和入口之高差，充填管路泄壓設施高-700 m，充填最高標高-1 000 m，高差300 m。

根據計算，充填備線N=5.3，充填料漿可以實現自流輸送。

2.9.2 充填管路

參考國內外充填礦山經驗，在兼顧能力、輸送可靠性、料漿出口壓力的基礎上，計算充填管道內徑。高濃度的膏體或似膏體充填料漿自流經濟流速一般在1.6～2.5 m/s［5］，此時充填管道內徑最小為

式中，Qh為充填能力，150 m3/h；V為管道經濟流速，1.6～2.5 m/s。

計算得出DI=145.7～182.14 mm。

由上式計算，充填管路設計選用φ168 mm×10 mm 無縫鋼管，承壓12 MPa，管道內徑148 mm，此時工作流速為2.41 m/s，符合經濟流速要求。

3 結論

（1）尾砂粒度組成累積分布曲線左上角凸起，但較為平緩，表明該礦尾砂細粒度含量稍多，但總體分布較均勻。尾砂粒度組成累積分布曲線曲率系數CC1＜CC=1.17＜3，尾砂不均勻系數CU=10.5＞5，表明該礦尾砂顆粒大小分布范圍大，級配良好，適宜采用全尾砂充填。

（2）深錐濃密機吸收了國外先進的技術和設計理念，并結合國內的礦山實際工況加以優化，其核心濃縮技術已在礦山進行了應用，尤其是切向入料高效給料筒技術、料漿自稀釋技術、防壓耙技術、液壓系統三級保護技術、底流剪切循環技術、絮凝劑精確添加技術等，保證了底流的高濃度和穩定輸出，溢流水澄清度高。

（3）隨著礦山生產能力的不斷擴大，將出現一批達到千萬噸規模以上特大型礦山，本著“綠色開采、無廢開采”的理念，從保護地表環境、減少地表堆存的角度，均需要將采出的廢料回填井下空區。多套自流充填系統可以實現多中段、多采場、多充填配比需求的連續充填，在大型、超大規模充填礦山有著廣泛的應用前景。