世界級銅礦KAMOA-KAKULA井下充填站容積泵選型研究及應用

李維強

（紫金礦業集團股份有限公司，福建 龍巖 364200）

2016年10月，剛果（金）卡莫阿銅礦項目卡庫拉礦段新探獲940萬噸銅資源。這一發現使該銅礦整體資源儲量達到3340萬噸，平均品位是紫金山銅礦的10倍，礦山由此成為非洲大陸已發現的最大銅礦，躋身世界十大銅礦之列。通過近5年的加密補充勘探，按最新勘探數據表明，卡莫阿銅業金屬量超過4369萬噸，平均品位2.53%，接近全中國現有銅資源儲量的40%。按照卡莫阿銅業有限公司長遠規劃，將建設3個760萬噸的采選項目，目前一選廠的380萬噸/日采選項目已于2021年5月25日投產，另外一條380萬噸/日采選項目計劃2022年第三季度投產。

由于大規模的井下開發，存在采空區域。為防止井下采空區和地表坍陷，保證采礦作業的安全正常有序運行，卡莫阿（KAMOA）銅業于2020年7月開始建設井下充填系統，計劃進行漸進式采礦膠結充填[1]。通過8個直徑300mm、平均深度120m的垂直鉆孔進行輸送膏體充填料，再通過水平管道輸送至各采空區域進行膠結充填，充填管線預計超過200公里。充填系統委托南非知名企業DRA進行EPCM實施。

卡莫阿-卡庫拉（KAMOA-KAKULA）井下充填系統由水泥儲罐系統、供沙系統、壓濾系統、攪拌系統、泵送系統及管道系統組成。

1 水泥儲罐系統

水泥儲罐系統由2個2000噸的水泥儲罐和2個750噸水泥儲罐組成，分屬2個充填系列。2000噸水泥儲罐用于散裝水泥儲存，散裝水泥通過水泥罐車運至現場，空氣壓縮機將0.1MPA壓縮空氣作為泵送動力，將散裝水泥泵送至水泥儲罐密封庫存，防止雨季潮濕天氣期間，水泥受潮板結，導致水泥失效[2]。為防止水泥粉塵污染環境，水泥儲罐配置有布袋振動式除塵系統，定期將水泥粉塵回收落至水泥儲罐。

2 供沙系統

供沙系統由一個上料皮帶機和主運輸帶組成。上料皮帶機采用輪式結構，便于移動，提高上料作業效率。主運輸帶為1.5m寬鋼絲繩芯膠帶，長度150m，配備單邊緊急拉線開關，用于突發情況的應急停機，確保膠帶輸送機安全作業。主運輸帶沿線配置消防系統，采用專用消防管線供水，用于火災，滿足消防需要。合格細沙經過主運輸帶送至攪拌系統。

細沙粒度規格要求在2mm以下，添加細沙的目的主要是降低水泥用量，根據不同采空區充填強度需求，選用合適的水灰比，配置需要的充填料，降低采礦生產單位成本。

3 壓濾系統

選廠55%尾礦通過加壓泵站泵送至壓濾系統，尾礦輸送量為450立方/小時。壓濾系統由4臺直徑3.8m，面積306平方的真空陶瓷過濾機組成。通過真空泵，形成負壓，抽取粘附在陶瓷過濾機的尾礦的水分，形成濾餅。尾礦經陶瓷片負壓吸取水分后，水分匯集通過專用管道導流至回水罐。通過固定刮刀，在圓形陶瓷片均勻運轉時，將脫干水分的尾礦，即濾餅刮至下料斗，再通過0.8m皮帶機輸送至攪拌系統。

4 攪拌系統

攪拌系統主要功能是將散裝水泥、沙、尾礦濾餅，通過添加水和膠結劑后，進行充分攪拌，形成膠結充填料。膠結充填料通常濃度達到65%，常稱之為膏體充填。根據井下采礦作業和充填需求，進行合理的膏體強度配比。根據生產實際需要，通常采用水灰比1:10或1:12，經過28天的自然沘水和初凝，膏體膠結強度達到所需的150KPA強度不等。

膏體膠結料經攪拌機攪拌均勻后，在自然重力和壓縮空氣動力作用下，進入泵送系統的輸出管道。

5 泵送系統

泵送系統由4臺容積泵組成，二個系列，2臺泵組成一個泵送系統。泵送系統選型做如下對比。

5.1 渣漿泵

渣漿泵從物理學原理的角度屬于離心泵的一種，從概念上指通過借助離心力(泵的葉輪的旋轉)的作用使固、液混合介質能量增加的一種機械，將電能轉換成介質的動能和勢能的設備。渣漿泵的名稱是從輸送介質的角度來劃分的一種離心泵。離心泵是從泵的工作原理上劃分，是通過離心力作用來達到給輸送介質增壓的過程。離心泵的主要工作部件是葉輪和機殼，機殼內的葉輪裝置位于軸上，并與原動機連接形成一個整體。當原動機機帶動葉輪旋轉時，葉輪中的葉片迫使流體旋轉，即葉片對流體沿它的運動方向做功，從而迫使流體的壓力勢能和動能增加。與此同時，流體在慣性力的作用下，從中間向葉輪邊緣流去，并以很高的的速度流出葉輪，進入壓出室，再經擴散管排出，這個過程稱為壓水過程。由于葉輪連續的旋轉，流體也就連續的排出、吸入，形成連續的工作。

渣漿泵在尾礦輸送具有低造價、大流量、高揚程的優點。

5.2 容積泵

容積式液壓泵是依靠密封工作油腔的容積不斷變化來進行工作的，因此它必須具有一個或多個密封的工作油腔。當液壓泵運轉時，該油腔的容積必須不斷由小逐漸加大，形成真空，油箱的油液才能被吸入；當油腔容積由大逐漸減小時，油被擠壓在密封工作油腔中，壓力才能升高，壓力的大小取決于油液從泵中輸出時受到的阻力（如單向閥的彈簧力）。這種泵輸油能力（或輸出流量）的大小取決于密封工作油腔的數目以及容積變化的大小和頻率，故稱容積式泵。

對于容積泵，分別對隔膜泵和柱塞泵進行了分析。

（1）隔膜泵：

隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式。它是依靠一個隔膜片的來回鼓動改變工作室容積，從而吸入和排出液體。

氣動隔膜泵主要由傳動部分和隔膜缸頭兩大部分組成。傳動部分是帶動隔膜片來回鼓動的驅動機構，它的傳動形式有機械傳動、液壓傳動和氣壓傳動等，其中應用較為廣泛的是液壓傳動。隔膜泵的工作部分主要由曲柄連桿機構、柱塞、液缸、隔膜、泵體、吸入閥和排出閥等組成，其中，由曲軸連桿，柱塞和液缸構成的驅動機構與往復柱塞泵十分相似。

隔膜泵工作時，曲柄連桿機構在電動機的驅動下，帶動柱塞作往復運動，柱塞的運動通過液缸內的工作液體(一般為油)傳到隔膜，使隔膜來回鼓動，從而對介質進行定期擠壓排出。

（2）柱塞式容積泵：

柱塞泵的工作原理是：柱塞內推時，工作室壓力升高，進口閥關閉，高于出口壓力時，出口閥打開，液體排出。當傳動軸帶動缸體旋轉時，斜盤將柱塞從缸體中拉出或推回，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中的油液通過配油盤分別與泵的吸、排油腔相通。變量機構用來改變斜盤的傾角，通過調節斜盤的傾角可改變泵的排量。它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發生變化來實現吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結構緊湊、效率高和流量調節方便等優點，被廣泛應用于高壓、大流量和流量需要調節的場合。

6 結語

卡莫阿（KAMOA）銅業建成并投入使用的充填站系統，為國際上現有在產礦山最大井下充填系統，泵送系統屬于充填站的核心系統，其選型優化和充填模式對于國內外大型井下礦山充填作業具有較好的指導和參考價值。